低开关频率下异步电机电流环的数字控制

电流环数字控制在异步电机矢量控制系统中占有非常重要的地位,其性能的优劣直接影响电机转矩与磁链解耦控制效果、输出转矩响应速度,甚至牵引变流器–异步电机系统稳定性。而在大功率传动系统中,为降低开关器件损耗,牵引变流器开关频率通常较低,从而产生较大数字控制延时,加剧电机定子电流励磁分量与转矩分量之间的耦合程度。为解决上述问题,文章全面分析异步电机耦合因素,结合零极点对消原理提出一种改进型离散电流控制器,在离散时间域下,不仅确保电流环系统具有良好的动态响应,而且可以实现定子电流转矩分量与励磁分量的有效解耦。模型仿真与实验验证了改进型离散电流控制器的有效性与可行性。     

一种异步电机的电流环解耦控制方法

在异步电机的矢量控制系统中,电流控制器处于内环,对系统响应的准确性和快速性有着重要影响。然而矢量控制经过坐标变换后,电流环中的d、q轴之间仍存在交叉耦合,并且随着同步频率增加耦合分量加大;另一方面,数字延时的存在使耦合加剧进一步降低了电流环特性,对于大功率低开关频率交流传动的影响尤其明显,严重时可能导致系统不稳定。为了实现良好的解耦控制,基于复矢量分析方法建立了更加精确完整的电机模型,提出一种电压解耦控制的电流控制器,在此基础上引入了延时及其补偿方法,并通过复矢量传递函数对控制策略的动态解耦性及鲁棒性进行了研究。仿真和实验结果表明所提方法有效提高了电机动态控制性能。     

基于闭环电流预测的永磁同步电机电流环延时补偿策略研究

永磁同步电机采用传统复矢量电流调节器在开关频率与电机频率比值较高时具有良好的参数鲁棒性与动态性能,但在低开关频率下,环路延时与参数摄动易使电流动态响应振荡甚至失稳。采用复矢量表示法对电流环延时环节进行精确建模,基于Smith预估器结构对传统电流预测延时补偿策略进行复矢量建模与频域分析。传统电流预测策略的开环结构在模型或者参数误差下会产生电流跟踪误差,针对该缺陷提出一种基于误差补偿器的闭环电流预测延时补偿算法。该算法采用改进Euler法对电流方程进行离散化,并通过将预测电流偏差积分反馈至预测方程形成闭环预测结构,可实现电流无静差跟踪,在抑制环路延时影响同时大大提升系统鲁棒性。实验结果验证理论分析的正确性和所提算法的有效性。     

基于DSP的异步电机矢量控制系统研究

为提高异步电机控制性能,根据异步电机矢量控制原理,采用空间矢量脉宽调制技术,按照异步电机的定子产生跟踪圆形旋转磁场的方式控制逆变器开关动作,供给电机理想的正弦波电流,提高异步电机的稳、动态性能。结合电机控制专用高速数宇信号处理器TMS320LF2407A运算速度快、精度高、可以实时完成SVPWM控制算法的特点,建立了异步电机转子磁场定向下的矢量控制系统。实验结果表示,系统方案切实可行,工作性能良好。     

最少拍电流控制在海口动车牵引系统中的应用

在动车牵引系统中,逆变器输入电压较高（1800 V）,为了降低功率模块开关损耗和减少散热,牵引逆变器的开关频率通常较低,只有几百赫兹,而动车牵引异步电机的调速范围较宽,输出频率可达200 Hz,转速较高时的载波比较低。在这种情况下,由于每个电周期内的电流调节次数减少,常规电流PI控制器性能变差,无法达到系统要求。为此,将异步电机电压、电流等方程进行复矢量处理,建立了包含延时影响的离散数学模型,在此基础上,设计无差拍电流控制器。通过Simulink仿真及在海口动车线装车进行试验,试验结果表明基于复矢量的最少拍电流控制器在动车牵引异步电机运行过程中具有较好的动态及稳态性能,转矩/励磁反馈电流均能较好地跟随转矩/励磁给定电流。并且在牵引/制动过程中,电压和电流变化平稳,无明显振荡。     

基于无差拍控制的PMSM电流预测控制算法

在传统的离散化矢量控制系统中,由于电流采样和PWM占空比更新等数字延时的存在,限制了PMSM控制系统在动态过程中对电机电流的控制能力.为了提高系统电流环性能拓展其带宽,在同步旋转轴系下,基于无差拍控制原理,提出了一种对电机电流的离散化预测控制算法.在理论上消除了矢量控制系统中的各种数字延时,提高了电机电流的控制能力.最后使用1台750 W的永磁同步伺服系统验证了这种算法的性能,实验结果表明永磁同步电机电流预测控制算法有效地提高了伺服系统电流环的动态性能和稳态精度.     

离散电流控制在地铁永磁牵引系统中的应用

在地铁永磁牵引系统中,输出电压较高、电流较大,开关损耗和散热等条件受到限制,牵引逆变器的最高开关频率通常只有几百赫兹,而地铁永磁同步电机(PMSM)的调速范围较宽,输出频率可达300 Hz,载波比的变化范围较大.在这种情况下,常规电流比例积分(PI)控制器性能较差,难以满足系统要求.为此,根据复矢量分析方法,建立了包含延时影响的离散数学模型,在此基础上,设计离散电流控制器.通过仿真及在西安地铁2号线装车进行试验,试验结果表明基于复矢量的离散电流控制器在地铁PMSM运行过程中具有较好的动态及稳态性能,转矩(励磁)反馈电流均能较好地跟随转矩(励磁)给定电流,并且在牵引、制动过程中,电压和电流稳定变化,无明显振荡.     

感应电机驱动系统的离散域电流调节器分析和设计

在感应电机矢量控制系统中,普遍采用在连续时间域内分析并随后离散化的方法进行电流调节器的设计,而当系统运行在高速条件下,受电机dq轴耦合以及数字系统控制延迟的影响,将导致系统性能下降。基于电机离散化模型,对使用不同电流调节器的系统特性进行了对比和分析,并通过直接离散的复矢量电流调节器设计方法,使电流环不受电机转速影响,保证了系统在宽速度范围内运行的良好性能。仿真和实验结果验证了该电流调节器设计方法的优越性和有效性。     

基于TMS320F28377D的复矢量电流控制器研究

牵引逆变器受开关频率的限制,电流控制器的带宽也随之受限,作为异步牵引电机矢量控制关键环节,电流控制器对系统的动态性能以及稳定性具有重要影响。矢量控制中电机电流经过坐标变换后dq轴电流存在严重的交叉耦合,并且耦合分量随着定子频率的增加不断增大,从而降低了电流控制器的性能。为了提高电机动态控制性能,实现解耦控制,基于TMS320F28377D提出了一种复矢量电流控制器,该方法可以满足控制算法和调制策略在一个CPU的两个核中独立运行,提高了程序运行的可靠性和高效性,采用虚拟电阻解决了不同调制方式下电流震荡问题,保证了电机运行的动态性能和稳定性,可有效改善解耦效果,仿真和实验结果表明了复矢量电流控制器的可行性和有效性。     

低载波比下PMSM的复矢量控制研究

永磁同步电机(PMSM)处于高速工况时会导致系统交叉耦合加剧,而逆变器开关频率受限则会导致数字延迟增大,以上两种情况会使载波比降低,且如果载波比过低,电流环会出现失稳现象。针对PMSM在低载波比下转矩电流分量和励磁电流分量之间耦合程度加剧以及数字延时问题,在同时考虑角度延时和时间延时的情况下,建立PMSM复矢量模型,设计了适用于较低载波比下的PMSM复矢量电流控制器,解决了耦合和数字延迟导致的不稳定问题,提高了电流环调节器的稳定性。仿真和实验结果表明,所提算法能够有效改善电机在较低载波比下的系统控制性能。     

单相MMC变流器及其在新型牵引供电系统中应用的研究

为解决传统牵引供电系统中所存在着电能质量和过分相问题,首先介绍了一种基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统。新型牵引供电系统中需要单相变流器向牵引网提供稳定的电压和频率,据此对单相H桥型模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)进行了研究。介绍了该变流器的拓扑特性,建立了相应的数学模型。将牵引网络认为成无源网络,设计一种基于虚拟同步坐标系下外环定交流电压、内环电流的单相H桥MMC型逆变器向单相无源网络供电的双闭环控制策略;为了抑制桥臂电流所含的二次分量,使用准比例谐振器设计了环流抑制器。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。仿真结果验证了系统控制策略的可行性和环流抑制器的有效性,变流器能够向牵引网络提供稳定的电压和频率。     

基于双模态控制的异步电机并联运行方法的研究

针对两台电机参数和负载不一致的情形,在原有单台电机磁场定向矢量控制模型的基础上,结合平均的思想,推导出适合一个逆变器控制两台电机的磁场定向控制模型。该数学模型在矢量控制思想的核心下,利用定子电流的q轴分量控制电机的平均转矩,d轴分量控制平均转子磁通。由于PI控制和模糊滑模变结构控制在交流调试系统中的局限性,利用它们的各自优点,采用双模态控制方法对交流异步电动机系统进行控制。仿真结果表明,无论在启动时负荷不均衡、运行时负荷不均衡还是运行时负荷均衡情况下,该系统都能平稳运行,且具有较好的动态、稳态性能。该方案的研究对轨道交通意义较大。     

Power Converters for Feeding Asynchronous Traction Motors of Single-Phase AC Vehicles

Asynchronous induction motors are very well suited to powerful traction drives. For electric locomotives and motor coaches with single-phase supply, a power conversion on the vehicle is necessary. Three different types of static power converters for this application are described. Indirect ac converters with direct voltage link have been developed successfully in the past. For indirect ac converters with direct current link some problems are discussed. At last a self-commutated direct ac converter with suppressed dc link is presented.     

计及网压波动的牵引传动系统间谐波传播机理研究

随着多台电力机车同时投入运行后牵引供电系统出现电压波动现象,其在牵引传动系统中的传播特性是当前的研究热点.首先推导了间谐波在牵引传动系统中的传播机理,并分析了定子间谐波电流频谱与负载转矩间的对应关系;其次研究了间谐波传播下牵引电机电流间谐波辨识方法;随后基于瞬态电流控制策略、磁场定向的矢量控制策略搭建电力机车牵引传动系统的仿真模型,利用扰动激励法模拟了间谐波在牵引传动系统的传播特性;最后结合总体局部均值分解对定子电流的动态频域特性进行分析,确定了整流器输入电压与电机定子电流的间谐波幅频的对应关系.     

基于数字信号处理器矢量控制的电动汽车牵引异步电机控制器硬件设计

介绍了基于数字信号处理器（DSP）TMS320F240矢量控制的电动汽车牵引异步电机控制器的硬件设计方法。试验结果验证了该电机控制器硬件设计方法的可行性，并可以看出该电机控制器具有良好的动态特性，可满足电动汽车动力性能的要求。     

基于数字信号处理器矢量控制的电动汽车牵引异步电机控制器硬件设计

介绍了基于数字信号处理器(DSP)TMS320F240矢量控制的电动汽车牵引异步电机控制器的硬件设计方法。试验结果验证了该电机控制器硬件设计方法的可行性,并可以看出该电机控制器具有良好的动态特性,可满足电动汽车动力性能的要求。     

The influence of mistuned motor parameters on vector control performance and on line slip frequency correction strategy for induction machine operated under one‐pulse PWM mode

In high‐power, high‐speed traction drive systems, the traction motor usually operates under one‐pulse PWM (pulse width modulation) mode (square wave) during high‐speed operation. The constant output voltage in this condition makes the traditional vector control inoperative anymore. In this paper, a modified vector control strategy using open‐loop current control instead of closed‐loop current control is proposed. The modified control strategy is specially designed for an induction motor operating under one‐pulse PWM mode. As the field orientation is greatly affected by the deviation in the parameters, the influence of mistuned rotor time constant and mutual inductance (which are regarded as the most important parameters for field orientation) on the performance of modified vector control is studied comprehensively, including the influence on estimated angle and amplitude of rotor flux, d/q‐axis voltage, and output torque. Subsequently, based on the comparison between the different methods, a new slip frequency correction strategy is proposed to maintain proper field orientation for the modified vector control. The new correction strategy is based on the q‐axis current component error. It is independent of the motor parameters and can be easily realized through minor calculations. The simulation and experimental results show that the proposed slip frequency correction strategy can not only eliminate rotor flux angle error in steady state but also effect rapid torque response during the transient process under one‐pulse PWM mode. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Increasing the power efficiency of a 25-kV alternating current traction power supply system

One promising method of increasing the power efficiency of an electrified railway is reducing the power capacity of the transfer process and the consumption of the electric power to the train traction. A 25-kV ac traction power supply a system features the drastically variable one-phase train load, which leads to a change in voltage on substations buses and train current collectors, as well as an increase in loss powers. The rules of the composition of the traction power supply for the fulfillment of the train schedule normalize the voltage on the substation buses and train current collector of no more than 29 kV and no less than 21 kV. Analysis of operation of the traction power supply system is carried out, and steps are taken to increase the engineering and economic performance of 25-kV ac railways. A new notion of normal power supply circuits of traction loads synthesized on the basis of simulation is presented. Analyzing the structure of the imbalance of electric power and voltage in traction network allows one to define steps toward increasing power efficiency. The accuracy of the initial data is determined by comparing the expected and real train schedules, as well as electric load curves. The simulation accuracy is determined on the basis of predictable power and voltage losses with monitoring results.     

基于电压型PWM整流器的新型轻轨牵引供电系统

提出一种基于三相电压型PWM整流器的新型轻轨牵引供电系统,具有节能效果好、功率因数高、谐波含量小及电压稳定性好等优点,并且易于模块化和冗余设计.重点介绍了变流系统的主电路拓扑、PWM整流器的控制策路、并联控制策略和错时矢量调制(ISVM)技术.仿真和实验结果表明该系统可行.     

多功能柔性功率调节器三闭环控制方式的研究

多功能柔性功率调节器(FPC)利用交流励磁的变速恒频双馈电机带动飞轮运转进行储能,可用于电力调峰或系统稳定控制、提高电能质量以及无功补偿等各种领域。本文对FPC转子侧变换器的矢量控制方式进行研究,提出对转子侧q轴电流采用速度外环、功率中环、电流内环的三闭环控制方式,以满足装置对于速度和功率同时控制的要求。