电力机车牵引传动系统的多模式调制策略及切换方法研究

针对交流电力机车牵引传动系统开关频率低的特点,研究了牵引系统的多模式脉宽调制策略以及不同调制策略之间的切换方法,实现了电机控制算法和多模式调制策略的统一框架设计。根据不同调制模式的特点,提出了一种由异步调制切换至同步SVPWM再到同步SHEPWM调制直至方波调制的多模式PWM调制策略;针对不同调制模式在切换过程中出现的问题,使用了一种三相同步的切换方法;为避免电机控制算法和多模式脉宽调制策略之间存在的相角匹配问题,提出了可以简化算法实现复杂程度的统一框架设计方法,并论述了在低采样率下电流调节器和磁链观测器的设计过程;最后,在小功率牵引实验平台实现了无速度传感器电力机车牵引工况下全速域的稳定运行,实验结果验证了算法的有效性。     

交流牵引系统PWM策略切换研究

交流牵引系统在多模式调制方式下运行时会产生切换电流冲击,为保证平滑切换,论述了一种先由异步SPWM调制向普通同步SPWM调制切换,再由普通同步SPWM调制向分段特定谐波消除脉宽调制(SelectedHarmonic Eliminate Pulse Width Modulation,简称SHEPWM)切换,最后在SHE分段同步调制下不同载波比进行切换调制的控制模式。基于变流器输出电压频谱特性及各调制模式特点,建立了仿真模型,通过对各调制模式间切换时仿真波形的分析和比较,确定两种调制模式切换的合理位置,并通过机车牵引实验对切换位置的合理性进行了验证,有效避免了切换引起的电流冲击。该研究为机车牵引控制方案的选择提供了直接依据。     

PWM整流器参数对永磁同步发电机电流谐波的影响

永磁同步发电机(PMSG)与PWM整流器构成的永磁可控发电系统在新能源发电和电力驱动领域应用日益广泛,但与直接并网运行发电机相比,定子电流含有大量高次谐波分量。本文建立了SPWM(正弦脉宽调制)和SVPWM(空间矢量脉宽调制)两种调制策略下永磁发电机定子电压谐波模型,对不同调制比和载波频率下发电机定子电流谐波进行了详细的解析计算和分析,得到了谐波电流随调制比和载波频率的变化规律,仿真结果验证了结论的正确性。     

基波电压线性化的永磁同步电动机控制策略

针对轨道交通永磁同步牵引系统全速度范围内的调速性能,在低速区采用异步调制模式,在中高速区采用不同分频的同步调制模式;为了满足各种模式之间的平滑过渡,提出了对基波电压进行线性化处理的策略,并将所提方法与恒转矩区的最大转矩电流控制、恒功率区的弱磁控制相结合,实现了轨道交通永磁同步牵引系统全速度范围内的调速。在充分利用开关频率的同时,提高了直流电压的利用率,可以保证三相电流和线电压波形的对称性,减少谐波含量,降低尖峰电流;同时对基波电压进行线性化处理后,各个模式之间的切换及负载突变时,系统稳定、抖动小。通过仿真及地面试验,验证了本文提出方案的有效性。     

基于电流谐波优化的混合脉宽调制策略

受轨道车辆牵引功率大、开关频率低的限制,牵引传动系统多采用低频区异步调制,基频以上单脉冲调制的脉宽调制方式,且在中频过渡区通常需采用优化同步调制以达到改善变流器输出特性的目的。电流谐波最小脉宽调制技术(CHMPWM)是优化同步调制的一种,它以电机电流谐波整体最优为目标进行调制,有助于高性能电流闭环控制的实现,近年来受到广泛关注。对基于电流谐波优化的混合脉宽调制策略展开研究,首先分析CHMPWM的开关角求解方法及不同开关角分布方式对其性能的影响,并从电流谐波、转矩脉动等方面与特定谐波消除脉宽调制技术(SHEPWM)进行对比;然后完成基于现场可编程门阵列(FPGA)构架的混合脉宽调制技术,并实现不同调制模式间的平滑过渡。最后对所提方法进行仿真和实验验证。     

基于SHEPWM调制的电力机车全速度运行策略及切换方法研究

电力机车功率大、直流侧电压高、开关频率低、运行速度快,针对牵引状态下电机电流谐波含量大、转矩脉动大、定子发热等问题,研究了电力机车在整个运行速度范围内的调制策略。提出了电力机车调制方式由异步调制切换至同步SHEPWM调制然后再到最大电压利用区(方波调制)的策略。理论上分析推导了减小切换电流畸变的方案,针对该策略和方案进行了仿真研究并在异步电机小功率实验平台上进行了实验验证。仿真和实验结果表明,所提出的调制策略可以作为电力机车全速度范围调制策略,切换方案能够减小电流谐波含量,提高电压利用率,使电力机车在全速度范围内平稳运行。     

适用于多模式脉宽调制的通用切换策略研究

在大功率牵引传动系统中,广泛采用多模式调制策略,例如,中间60°调制、SHEPWM、CHMPWM等,以在有限的开关频率下实现牵引电机的全速度范围运行。在采用不同的多模式脉宽调制(pulse width modulation,PWM)策略时,通常需要研究相应的切换策略以保证不同调制方式之间的平滑切换。对多模式调制下的谐波磁链轨迹、谐波磁链幅值以及磁链幅值偏差的计算方式和变化规律进行研究。通过对谐波磁链和定子磁链轨迹的分析计算,可以更加直观地对不同PWM策略的性能进行对比。在此基础上,提出一种通用的基于谐波磁链和磁链幅值偏差的不同PWM策略之间的切换方法。该方法不需要复杂的理论计算,不受限于具体的调制方式,只需根据调制比画出切换前后两种调制方式的谐波磁链幅值偏差和实际磁链幅值偏差即可准确判断出最优切换点,具有很好的通用性。仿真和实验结果证明了该切换策略的有效性。     

双Y移30°永磁同步电机空间矢量PWM技术零矢量分配研究

双Y移30°永磁同步电机是一个强耦合的六维系统.为了实现转矩的解耦控制,将该系统经解耦坐标变换,建立在三个两两正交的子平面上,通过空间矢量PWM技术对转矩和定子谐波电流进行统一控制.本文针对该种空间矢量PWM技术,详细研究了连续调制模式和不连续调制模式下的零矢量的选择依据及其分配情况.仿真结果显示,连续调制模式能取得更小的转矩波动,而不连续调制模式能在大幅度减少开关次数的同时,取得比连续调制策略更少的定子电流谐波含量.     

基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略

弱磁控制技术可以降低逆变器的容量、拓宽调速范围,对提高轨道交通永磁同步牵引系统的性能有着重要而现实的意义。性能优异的调制方式更能保证弱磁系统输出良好的控制性能,而大功率传动系统开关器件的开关频率较低,使得传统的空间电压矢量异步调制方法已不能满足控制策略需要,本文在分析空间电压矢量多模式调制算法原理以及永磁同步电机弱磁原理的基础上,提出了新型的基于多模式空间电压矢量调制算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略,保证永磁同步牵引电机弱磁控制系统能充分利用开关频率,且在异步调制和分段同步调制段都具有良好的输出特性,仿真和试验验证了本方案的可行性和有效性。     

SPWM和SVPWM调制策略对电动机振动噪声影响的实验研究

本文以永磁同步电动机为研究对象,搭建硬件实验平台和软件实验平台。通过不同的调制策略正弦波脉宽调制(SPWM)和空间电压矢量调制(SVPWM),对电动机的振动噪声进行研究。利用实验方法对不同调制策略下的相电流波形进行频谱分析,同时利用振动噪声测试仪对电动机进行径向振动测试,进而研究不同调制策略对电动机振动噪声的影响。实验结果表明,开关频率相同时,SPWM调制下的电流谐波含量和振动加速度级小于SVPWM调制下的电流谐波含量和振动加速度级。因此,SPWM调制下电动机的振动噪声小于SVPWM调制下的振动噪声。     

大功率交流电力机车脉宽调制方法

针对大功率交流传动电力机车最高开关频率比较低的特点,研究了其在整个速度范围内的调制策略,在低载波比条件下研究并分析了一种中间60°调制方案,在此基础上分析了在不同调制方法和不同载波比之间切换的原则,实现了异步调制、普通同步调制、中间60°调制以及方波之间的平滑切换,最后通过仿真和实验给予了验证。     

电力机车牵引传动系统矢量控制

以大功率交流传动电力机车为背景,研究了低开关频率下基于多模式同步调制的矢量控制。针对大功率牵引传动系统开关频率低的特点,采用了基于异步调制-同步调制和优化PWM的多模式调制策略。而针对将矢量控制和多模式调制策略结合后的新问题,通过相角调节器,以及转子磁链幅值、角度的控制和补偿等方面的研究实现了不同调制策略以及定向不准等情况下电机转矩的精确控制。由于方波工况下电压不能调节,还研究了方波工况下的控制方法。最后通过仿真和实验给予了验证。     

PMSM机车牵引变换器调制算法研究

为了更好地发挥永磁同步电机(PMSM)在机车牵引变换器应用中的优势,对机车牵引PMSM变换器的调制方法进行了研究。首先,设计了线性区同步调制策略,将零序电压注入正弦脉宽调制(SPWM)与同步调制相结合实现了机车牵引变换器线性区调制策略。其次,在过调制区通过补偿和修正的方式实现了由过调制区到六脉波状态过渡的过程。最后,在Matlab/Simulink下建立了机车牵引PMSM系统模型,并在小功率PMSM平台上进行了验证,仿真和实验结果均证明了所提方法的正确性和有效性,该调制方法可以作为机车牵引PMSM调制策略。     

特定谐波消除及优化脉宽调制单相整流器的研究

特定谐波消除(SHEPWM)及优化脉宽调制(OPTPWM)通过开关时刻的优化选择,具有输出波形谐波含量小、效率高、直流电压利用率高等优点。本文提出了在单相电压型PWM整流器中采用SHEPWM或OPTPWM调制策略,并与SPWM调制进行比较。首先对单相整流器SHEPWM、OPTPWM调制策略的原理及控制策略进行了分析,并通过50k V·A单相整流器进行仿真分析和实验验证。仿真和实验结果表明,采用SHEPWM或OPTPWM调制策略网侧输入电流总谐波畸变率、整流变压器绕组谐波损耗及铁心损耗都要低于SPWM调制策略。     

基于PSO算法的三电平优化PWM方法

受大功率开关器件开关频率的限制,牵引逆变器输出波形中含有大量的谐波,所以有必要采用优化的脉宽调制（ PWM ）方法来减少牵引逆变器输出波形的谐波。首先,建立了最小电流总谐波畸变率（ THD ）谐波优化模型,并采用粒子群优化（ PSO ）算法对模型进行求解。其次,在分段同步调制的不同分频段上对PSO-PWM和传统正弦脉宽调制（ SPWM）进行了比较,得到PSO-PWM具有良好谐波优化效果的结论。最后,用仿真和半实物实验结果验证了理论分析的正确性。     

基于永磁同步电机定子磁链轨迹跟踪的中间60°同步调制动态性能优化

传统中间60°同步调制,开关序列依据稳态电压波形傅里叶分析得到,动态性能不良。基于基本原理研究与仿真,该文指出特殊脉宽调制动态调节问题的关键是电机目标与实际定子谐波电流能否保持连续。比较现有相关解决方案,提出一种基于永磁同步电机定子磁链轨迹跟踪的中间60°同步调制。该方法以永磁同步电机定子磁链为观测和控制对象,根据磁链计算值与观测值的误差修正传统方法的开关序列,保证定子磁链轨迹与电流轨迹连续,优化系统动态性能。该文给出了详细的控制信号传递流程图,明确了定子磁链轨迹的计算与观测方法。通过关键变量定义与公式推导,提出了开关序列修正基本规则。所提方法得到了仿真与实验验证。     

基于改进PWM算法的EV驱动系统无缝控制策略

电动汽车(EV)的变频驱动系统存在输入直流电压受限的问题,而普通脉宽调制(PWM)策略的直流电压利用率是有限的,进而使变频器输出电压和电机转速受限。针对这个问题,提出了一种基于改进PWM算法的EV驱动系统无缝控制策略。由于方波调制策略的直流电压利用率较正弦PWM(SPWM)高27%,但输出谐波大,故只能用于高速工况,低速工况只能使用PWM策略,故新方案融合了两种调制策略,实现了一种单模式无缝切换控制。新方法中对参考电压进行了修正来实现调制模式的平滑切换,而且不会引起转矩脉动,在得到较小谐波输出的同时,还比多模式切换控制具有计算负担更小的优势。最后,对控制策略性能进行了仿真研究,同时搭建了试验平台开展了相关试验,仿真和试验结果表明新型控制策略能较好地实现无缝切换控制,对比传统调制方案具有更好的总谐波畸变指标,进而验证了控制器的性能。     

DCM单桥臂集成Boost逆变器用PFM+SPWM混合调制策略EI北大核心CSCD

传统脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)+正弦脉冲宽度调制(sinusoidal PWM,SPWM)混合调制下,电流断续模式单桥臂集成Boost逆变器在负载功率大范围变化时会产生过调制问题,导致输出波形畸变。采用恒定占空比且变输出功率的改进混合调制策略可避免上述问题,但无法应用于独立逆变、光伏并网等场合。为此,文章提出一种脉冲频率调制(pulse frequency modulation,PFM)+SPWM混合调制策略,使升压桥臂工作在PFM方式,逆变桥臂工作在SPWM方式。该调制策略不改变输出功率和升压桥臂的占空比,通过变频控制实现直流母线电压调节,可以避免负载大范围变化时输出波形产生畸变,且可以应用于输出功率不可调的场合,具有更强实用性。所提混合调制策略的可行性通过一台500W的原理样机得到仿真和实验验证。     

单相双极性PWM整流器冲击电流分析及抑制

单相PWM整流器在启动时会产生冲击电流,过大的冲击电流会降低开关器件寿命,甚至产生电磁干扰,影响系统工作稳定性。以双极性SPWM调制的单相PWM整流器为研究对象,在深入分析其工作模式的基础上,得到单相PWM整流器启动冲击电流大的原因是启动过程中调制比过小。为了抑制单相PWM整流器启动冲击电流,提出了一种内环电流软启动的改进型双PI闭环控制策略,仿真和实验证明了方法的有效性。     

基于TMS320F28377D的混合脉宽调制策略研究

牵引逆变器受开关频率的限制,电机电流含有丰富的谐波.电流谐波会引起电机发热严重,系统损耗大,同时还会导致电机转矩脉动,影响电机控制性能.为实现全速范围内逆变器输出脉冲电压的对称性,减小低次谐波对系统的影响,在此通过对特定次谐波消除脉宽调制(SHEPWM)原理的深入分析,提出了一种基于TMS320F28377D的混合脉宽调制(PWM)方法,实现了各调制方式的平滑切换.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,可有效降低低次谐波,提高系统效率,简化了数字实现,具有一定的工程意义,仿真和实验结果表明了所提混合PWM策略及其切换方法的可行性和有效性.