上海地铁车辆异步电机牵引控制系统的研究

论文摘要

近年来,随着我国城市人口的增加,居住区域的膨胀,地铁逐渐成为各大城市的主要交通工具。地铁车辆由于车站间距短,加速和制动频繁,要求牵引电机容量大、转速高、对电机控制要求高,目前地铁牵引系统多采用三相交流异步电机变压变频牵引技术。本文以上海地铁1号线直改交车辆为研究对象,对其牵引系统主回路、制动系统进行分析以及其直接转矩牵引控制系统进行重点研究,并采用美国NI公司的数据采集系统,进行了现场实车测试,采集了母线电压、机车电流、电机线电压、电机相电流、制动电阻电流等信号,并通过把数据包导入Matlab软件中,进行数据分析和计算,实测结果和实验测试方法具有较好的使用价值。异步牵引电机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系统。目前地铁车辆异步牵引电机高性能的控制方式有:矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又有基于电流解耦和电压解耦两种矢量控制方法。本文针对上海地铁1号线直改交车辆,搭建了其基于Matlab的simulink仿真模型,分别对直接转矩控制方式和矢量控制方式进行了仿真和研究,获得了和实测结果一致的仿真结果。同时,研究结果表明上述两种牵引控制系统都有良好的动态性能和控制性能,都是高效的控制方法,与矢量控制相比,直接转矩控制无需磁场定向和坐标变换,对转矩的控制更为简便和快速,克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖和控制系统复杂等缺点,但存在转矩脉动较大、开关频率不固定等问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 变频调速技术简介及其基本控制方法
• 1.3 上海地铁1 号线牵引系统
• 1.3.1 地铁牵引系统
• 1.3.2 地铁制动系统
• 1.4 实验数据的采集
• 1.5 Matlab/Simulink 仿真
• 1.6 文章主要研究的内容和结构安排
• 第2章 交流异步电机的变频调速技术
• 2.1 异步电机变频调速理论
• 2.1.1 基频以下调速
• 2.1.2 基频以上调速
• 2.2 静止变频器
• 2.3 脉宽调制型（PWM）逆变器
• 2.4 坐标变换理论
• 2.4.1 三相与两相静止坐标系之间的变换
• 2.4.2 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换
• 2.5 异步电机基本方程
• 2.6 矢量控制系统
• 2.6.1 异步电机矢量控制模型
• 2.6.2 速度闭环
• 2.6.3 磁链闭环
• 2.6.4 转子磁链的计算
• 2.6.5 转子磁链的相角
• 2.6.6 定子电压解耦单元
• 2.7 直接转矩控制
• 2.7.1 直接转矩基本原理
• 2.7.2 异步电机直接转矩控制模型
• 2.7.3 转距与定子磁链估计
• 第3章 地铁牵引系统
• 3.1 地铁牵引主系统
• 3.2 实验地铁车辆基本数据
• 3.2.1 供电条件
• 3.2.2 列车编组
• 3.2.3 车辆负荷
• 3.2.4 电气传动系统
• 3.2.5 牵引逆变器
• 3.2.6 牵引电机
• 3.2.7 制动方式
• 3.2.8 辅助电源系统
• 3.2.9 传感器
• 3.3 地铁车辆数据采集
• 第4章 实验数据及分析
• 4.1 实验数据
• 4.1.1 母线直流电压
• 4.1.2 直流母线电流
• 4.1.3 机车电容电压
• 4.1.4 电机线电压
• 4.1.5 电机相电流
• 4.1.6 制动电阻电流
• 4.2 制动能量分析
• 4.2.1 牵引能量
• 4.2.2 电机能量计算
• 4.2.3 电阻上的电阻能量
• 4.2.4 v / f 曲线
• 第5章 系统仿真与分析
• 5.1 电机参数
• 5.2 电流解耦矢量控制
• 5.2.1 矢量坐标变换仿真
• 5.2.2 速度控制器仿真
• 5.2.3 磁链控制模块
• 5.2.4 转子磁链模块
• 5.2.5 转子磁链位置角
• 5.2.6 电流比较脉冲产生器
• 5.2.7 电流滞环型矢量控制PWM 控制器仿真结构图
• 5.2.8 电流滞环型矢量控制仿真结果
• 5.3 电压解耦型矢量控制
• 5.3.1 电压解耦型矢量控制
• 5.3.2 正弦脉宽调制（SPWM）
• 5.3.3 电压解耦型矢量控制仿真结构
• 5.3.4 电压解耦型矢量控制仿真结果
• 5.4 直接转矩控制
• 5.4.1 转距与定子磁链估计模块
• 5.4.2 磁场角度选择器
• 5.4.3 定子磁链滞环模块
• 5.4.4 开关分配模块
• 5.4.5 直接转矩控制仿真结构图
• 5.4.6 电阻制动斩波控制器
• 5.4.7 地铁牵引系统仿真
• 5.4.8 直接转矩控制仿真结果
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书