牵引电机的效率优化控制研究

论文摘要

牵引电机是指铁路干线或工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆(如蓄电池车、城市电车)上用于牵引的电机。在目前能源消耗和环境污染成为世界各国普遍关注焦点的形势下,研究牵引电机的最大效率控制技术不仅能节约能量,大大延长车辆行驶里程,对牵引系统本身的发展意义重大;而且,对整个社会环境和国民经济能源节约有深远的影响。本文以牵引电机中应用最广泛的感应电动机为例,对牵引电机的效率优化控制技术进行了研究。本文对牵引电机的效率优化研究是基于电机的损耗模型,重点分析电机定子、转子及气隙对电机损耗的影响,并说明了铁损产生的机理,提出了电机效率最优控制的构想。基于损耗模型效率最优控制是一种前馈式控制方法,首先需要根据电机参数及所需控制变量列出与电机损耗相关的目标函数模型,函数模型可以在电机的矢量控制系统或非磁场定向控制系统中构建,模型中控制的变量可以为定子电压、定子电流、定子频率、转差频率、功率因数、磁通等。其次对目标函数进行分析,把问题转化为以控制变量作为自变量,以目标函数作因变量的求函数极值问题。然后针对感应电动机的矢量控制和直接转矩控制两种经典控制理论,本文分析了其实现效率优化控制的算法原理,并采用MATLAB/SIMULINK仿真软件进行了系统的效率优化仿真研究。最后,本文介绍了以IGBT作为开关元器件的主电路结构,以TI公司生产的TMS320LF2407A芯片为系统控制核心的实验平台,验证系统的效率优化效果,并使系统实现良好的快速性和稳定性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 电机牵引系统概述
• 1.2.1 牵引电机的发展
• 1.2.2 电牵引系统基本特性
• 1.3 感应电机牵引系统效率优化控制概述
• 1.3.1 感应电机最大效率控制研究现状
• 1.3.2 感应电机最大效率控制的问题
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 牵引传动系统感应电机效率优化
• 2.1 概述
• 2.2 PWM逆变器损耗模型
• 2.3 感应电动机损耗模型分析
• 2.3.1 感应电机损耗的构成
• 2.3.2 电机损耗模型的等值电路分析
• 2.4 最大效率算法的解析
• 3 基于矢量控制的感应电机最大效率控制仿真研究
• 3.1 概述
• 3.2 考虑铁损的三相感应电机数学模型
• 3.3 结合效率优化的矢量控制方案
• 3.3.1 矢量控制仿真实现方法
• 3.3.2 转子磁通效率优化控制规律研究
• 3.4 效率优化矢量控制仿真实现过程
• 3.4.1 仿真模型搭建
• 3.4.2 空间电压矢量脉宽调制技术
• 3.4.3 仿真结果及分析
• 4 直接转矩控制的效率优化研究
• 4.1 概述
• 4.2 直接转矩控制的效率优化控制算法
• 4.3 DTC效率优化控制仿真分析
• 5 牵引电机驱动系统效率优化的实验研究
• 5.1 控制系统主电路结构
• 5.1.1 输入电源
• 5.1.2 直流侧滤波电容的设计
• 5.1.3 开关器件的选择
• 5.1.4 缓冲吸收回路设计
• 5.2 基于DSP2407的控制器硬件电路设计
• 5.2.1 DSP的最小系统
• 5.2.2 外围电路
• 5.3 IGBT驱动电路的设计
• 5.3.1 驱动模块内部原理介绍
• 5.3.2 驱动电路设计
• 5.3.3 驱动电路使用注意事项
• 5.4 控制器软件设计
• 5.4.1 转差频率控制软件
• 5.4.2 数字滤波技术
• 5.5 控制系统负载实验及结果分析
• 5.5.1 牵引电机控制实验平台介绍
• 5.5.2 稳态带载实验测试
• 5.5.3 系统动态响应特性
• 5.5.4 牵引控制系统效率特性测试
• 5.6 控制系统在电动车上的应用
• 6 结论
• 6.1 工作总结及系统评价
• 6.2 存在问题及未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集