轨道交通牵引逆变器的控制策略应用.doc

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1、摘 要地铁主传动系统由牵引逆变器、微机控制驱动装置、牵引电动机等部件组成，牵引逆变器的控制策略是主传动系统的重要组成之一。 首先，本文说明了牵引逆变器控制的现状，指出了目前地铁牵引逆变器主要采用VVVF的两电平逆变器。牵引逆变器的控制方法有滑差频率控制、转子磁场定向的旋转矢量控制和直接转矩控制等控制方法。其次，在三种控制方法中，轨道交通机车中应用最广泛的是矢量控制，本文将以阿尔斯通机车为依托，具体分析矢量控制在轨道交通机车中应用。关键词：地铁，电力牵引，逆变器控制，矢量控制ABSTRACTThe devices of the main driver system in subway mainl

2、y consist of traction inverter driver ，equipment with micro-computer control and traction motor. Traction inverter control strategy is one of the important component of the main drive system.Firstly，this paper reports the development and actuality of main traction inverter driver，indicates the tract

3、ion inverter in Chinese metro is two-level inverter of VVVF，The control methods，including control of frequency slope，roto field-oriented vector control and direct torque control，is applied to main drive system. Secondly, in the three control methods, the best far-ranging device in Chinese metro is v

4、ector control. this paper reports the appliance of the vector control in shanghai alasm metro.Key words: metro，electric traction，inverter control，vector control目 录1 绪论11.1地铁发展的背景和发展概况11.2地铁车辆牵引传动系统的发展21.3本文的研究意义和主要研究内容32粘着技术53轨道交通牵引逆变器力矩控制方法的比较73.1滑差控制（滑差频率-电流控制）73.2转子磁场定向的旋转矢量控制83.3直接转矩控制93.4三种主要控制

5、的比较94逆变器控制在阿尔斯通轨道机车中的应用114.1 轨道交通机车对牵引系统控制的要求134.2 轨道交通牵引电机的特点134.3矢量控制在轨道交通机车中的应用164.4轨道交通矢量控制的仿真试验波形224.5采用矢量控制方式的轨道交通机车在实际运行中的应用304.6矢量控制在轨道交通机车中遇到的问题以及解决办法345 结论36参考文献371 绪论作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，在我国国家标准城市公共交通常用名词术语中，将城市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通之总称。”目前国际轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“

6、城市交通的主动脉”。城市轨道交通和其他公共交通相比，具有以下特点:用地省，运能大，轨道线路的输送能力是公路交通输送能力的近10倍。每一单位运输量的能源消耗量少，因而节约能源;采用电力牵引，对环境的污染小。噪声属集中型，人均噪声小，易于治理;乘客乘座安全、舒适、方便、快捷。地铁的优势非常明显，其速度快、运量大、污染小而且安全性高，是缓解交通堵塞的利器1。随着城市经济的迅速发展和科技的进步，城市的规模断扩大，人口不断增多。城市范围内的大量人员流动，要求配置便捷、可动性强的客运交通工具，以便人们高效率地到达出行目的地。世界上许多城市的发展经验告诉我们，构筑以轨道交通系统为骨干的现代化城市综合交通体系

7、将是解决城市发展面临交通问题的基本途径。1.1地铁发展的背景和发展概况世界第一条地下铁道的诞生，为人口密集的大都市如何发展公共交通取得了宝贵的经验;特别是到1879年采用电力牵引的机车研究成功，使地下客运环境和服务条件得到了空前的改善，地铁建设显示出强大的生命力。从此以后，世界上一些著名的大都市相继建造地下铁道。自1863年至1899年，有英国的伦敦和格拉斯哥、美国的纽约和波士顿、匈牙利的布达佩斯、奥地利的维也纳以及法国的巴黎共5个国家的7座城市率先建成了地下铁道。伦敦自1863年创建世界上第一条地下铁道以来，历经140多年的发展，通过不断提高技术水平，伦敦地铁系统以成为当今世界上的先进技术范

8、例之一，尤其是地铁实现了电气化后，伦敦的地铁几乎每年都有新进展。目前，伦敦地铁线路总长度约41Okm(地下隧道171km)，共设置车站275座，地铁车辆保有量总数约4139辆，年客运总量已突破8亿人次。受伦敦成功建设地下铁道的影响，美国纽约也于1867年建成了第一条地铁。随着纽约城市规模的扩大，城市人口不断增加，到1900年市区人口已有185万人，同时地铁建设也在不间断地发展。现在纽约己发展成为世界上地铁线路最多、里程最长的一座城市。目前，纽约地铁线路总长度约421km，其中地下隧道258km，共设置车站476座，地铁车辆保有量总数约6561辆，年客运总量己突破10亿人次。目前，我国的许多城市

9、仍然采用单一的地面交通系统。同世界大城市的地上高架路、地铁、地面交通所组成的联合交通方式、多层次立体交通系统相比。存在着许多不足，在单一的平面路网中，大量的自行车流与人流，对公交车的干扰极大，使机动车的速度降低，加重了交通拥挤和乘车困难。城市交通是城市经济发展的动力，发展又带来严重的环境污染问题，影响人民的身心健康。机动车排放废气、灰尘及机动车制动和运行带来的交通噪声。车辆排放出大量的一氧化碳、碳氢化物、氮氧化物以及各种可吸入颗粒物，严重污染城市的环境，使城市自然生态环境日益恶化2。中国的国情决定了解决城市交通问题的出路在于优先发展公共交通。城市公共交通是大众交通，为大众服务，是以人为本的交通

10、系统;公共交通也是绿色交通，它以最低的能源消耗、最小的环境污染为大众服务，是可持续发展的交通系统。发展城市公共交通的重点应放在发展快速轨道交通系统。要从根本上解决城市交通问题，依靠轨道交通是一种选择。它主要包括地铁、轻轨和有轨电车，它是大城市的重要基础设施，在城市功能上具有重要地位，因此，应放在优先发展的位置3。许多国家，在人口超过50万的大、中城市中，纷纷发展轨道交通系统，这是城市国际化、现代化、防污染、节省能源的重要措施。然而，由于轨道交通投资大，建设周期长，技术要求高，使许多城市在进行城市规划时望而却步。其实，轨道交通可以采用多种形式，不仅要发展地铁，还要发展地面轻轨和高架铁路。根据测算

11、，建造轻轨不仅造价低，一般只及地铁的1/3，而且建造的速度也比地铁快得多。日本东京的地面高架环线，长40km，每天载客量高达350400万人次。大城市，在特别繁忙的地段也可以建造几条轻轨，用比较少的投资，以疏导城市交通。中国地铁发展至今约有40年，经历了从无到有并到了较快发展的时期，但从总量上看仍处于初步发展阶段。中国已经开通地铁的有北京、上海、天津、广州、长春、大连、深圳、武汉、南京等9个城市，截止2005年2月，中国投入运营的地铁线路里程超过400公里，其中地铁线路运营里程约为293公里。技术装备水平不断提高，装备工业发展很快，多渠道融资的局面初步形成。目前，约有14个大城市上报地铁网规划

12、方案，拟规划建设55条线路，长约1500公里，总投资5000亿元。初步预测到2010年，我国新建地铁线路将达到1000公里以上。目前我国正处于地铁的建设高潮期，已经成为了世界上最大的地铁建设市场。1.2地铁车辆牵引传动系统的发展随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展，交流传动已经逐步在取代直流传动，并显示了其在性能价格比和运行性能上的优势。自1970年BBC公司开发的第一台交流传动内燃机车DE2500问世以来，到目前己有数千台交流传动机车和电动车组投入运营。交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约10%，且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长，几乎免维护的鼠笼式异步电机

13、。城市地铁动车组发展交流传动的关键技术，是给异步电动机供电的、将直流逆变为可变电压可变频率(VVVF)的主牵引逆变器。城市地铁供电电压一般有直流750v、1500v两种制式。对于直流750V城市网压，考虑到网压波动(最高网压可升到900V)，因而主牵引逆变器采用工业级耐压120OV的IGBT的三点式逆变器，其电压等级正适合于直流750V电网系统，而且有两倍多的电压安全系数。德国与日本均早已将IGBT三点式逆变器用于主交流传动系统。如1993年德国已有成千台用此方案构成的IGBT三点式逆变器用在低地板式轻轨电车上。北京和天津为代表的北方地区采用DC75OV供电电压制式，允许电压波动范围为DC50

14、OV一DC900V，是第三轨受流。我国的城市网压大部分为1500V压制，主传动系统分为两类，一类的主逆变器是用耐压4500VGTO构成的二点式逆变器，辅助电源系统用IGBT(绝缘门极双极型晶体管)构成静止式变频器提供所需交流电源系统，广州地铁1号线和上海地铁2号线就采用了此类主牵引逆变器。一类的主逆变器采用1200A/3300V的IGBT构成二点式逆变器，IGBT相比过去的普通晶闸管和GTO具有开关频率高、输入阻抗大、驱动功率小等特点，因而在地铁牵引领域得到广泛应用，辅助电源系统采用多重化逆变器提供电源。此类已成为我国地铁牵引的主流模式。以上海和广州为代表的南方地区采用DC1500V供电电压制

15、式，允许电压波动范围为DC1000V-DC1800v，架空接触网受电弓受流。地铁主传动系统由牵引逆变器、微机控制驱动装置、牵引电动机等部件组成4。其中牵引逆变器控制策略是本文的主要研究对象。1.3本文的研究意义和主要研究内容目前，我国的许多城市仍然采用单一的地面交通系统。同世界大城市的地上高架路、地铁、地面交通所组成的联合交通方式、多层次立体交通系统相比。存在着许多不足，在单一的平面路网中，大量的自行车流与人流，对公交车的干扰极大，使机动车的速度降低，加重了交通拥挤和乘车困难。城市交通是城市经济发展的动力，发展又带来严重的环境污染问题，影响人民的身心健康。车辆排放出大量的一氧化碳、碳氢化物、氮

16、氧化物以及各种可吸入颗粒物，严重污染城市的环境，使城市自然生态环境日益恶化。中国的国情决定了解决城市交通问题的出路在于优先发展公共交通。城市公共交通是大众交通，为大众服务，是以人为本的交通系统;公共交通也是绿色交通，它以最低的能源消耗、最小的环境污染为大众服务，是可持续发展的交通系统。发展城市公共交通的重点应放在发展快速轨道交通系统。要从根本上解决城市交通问题，依靠地铁交通是一种选择，本文对地铁供电系统和传动系统的研究对我国国民经济的发展和人民生活水平的提高有重要的意义。地铁设备国产化开发及产业化专项以国家批准的建设项目为依托，以承担重点领域设备国产化任务的企业为专项的主要实施单位，配合整个工

17、程的进度开展工作。在具体实施中，要兼顾当前项目建设的需要和今后轨道交通设备的技术发展趋势。主传动系统由牵引逆变器、微机控制驱动装置、交流牵引电动机等部件组成。主传动系统设备国产化的实施，其工程意义不仅在于能有效降低主传动设备自身投资，还有助于“确保全部轨道车辆和机电设备的平均国产化率不低于70%”总体目标的实现，加快地铁设备国产化进程，促进地铁业健康发展。同时，主传动系统设备国产化还具有发展我国民族工业的长远历史意义。本文在以下几个方面对牵引逆变器控制系统进行了研究：(1).掌握电力牵引与控制、粘着技术、交流牵引系统、机车牵引逆变器等基础知识。(2).研究地铁主传动系统的现状和发展，并调研我国

18、目前采用的地铁牵引逆变器和地铁主传动系统的控制方法。(3). 研究地铁牵引逆变器的控制策略并进行差异性分析。(4).研究矢量转矩控制方法在地铁机车上的应用，并作定性分析。2粘着技术粘着也是评判轨道交通机车优劣的重要标准之一，牵引逆变器的控制的对象是三相交流电机，然后由电机带动车轮前进，所以在起动、制动时候的摩擦力大小选择就尤为重要，摩擦力过大可能会导致车轮和轨道受损，而摩擦力过小会导致孺滑现象的产生，滑行同样也会导致车轮擦伤。车轮踏面一旦擦伤，其危害性随速度的提高而增大，踏面擦伤的轮对垂向冲击加速度随速度的提高而加剧，它降低了运行品质，使轴承发热，轨道受损，严重危及行车安全。无论是重载机车还是

19、高速机车，有效防止滑行都是极为重要，极有必要的。制动粘着系数是机车基础制动设计的基本参数之一，提速客车一般选取湿轨面状态粘着系数值的1.1倍1.2倍作为基本设计参数。我国制动粘着系数的测试研究结果表明，对应某一运行速度的粘着系数是一组正态分布随机变量。我们选取的某一个确定值，不能保证车辆轮对绝对不滑行。低速制动的粘着系数离散度比较大是我国制动粘着系数分布的特点之一。在50 km/n以下的低速段，一般是进站和出站的区段，由于站台两侧轨面状态比较复杂，轨面污染比较严重，因此粘着系数离散度比较大。因此，我国旅客列车低速段车轮滑行、擦伤的问题是比较突出的。从制动粘着系数测试结果可知，有时站台两侧测得的

20、粘着系数甚至比120km/h速度时的粘着系数还要低。车轮擦伤问题一直困扰着铁路应用部门，虽然长期以来采取了很多措施来降低轮对擦伤事故，但收效不大。其根本原因就是制动过程中，制动力的设定值是一个定值，而粘着系数是变化的，粘着力不可能总是大于制动力，一旦碰到低粘着，制动力超过粘着力，车轮便产生滑行并可能造成擦伤。总之，车轮踏面擦伤的根本原因在于制动过程中制动力超过粘着力所致。而这种可能性在高速段和低速段都有可能发生，只是随着运行速度的提高，轮对擦伤所造成的后果将更具危险性而己，解决这一问题的途径就是加装防滑器，防滑器的作用就是防止制动时轮轨之间纵向发生相对滑动，并保持制动力尽量接近粘着力，即既要防

21、止滑行擦伤，又要充分利用粘着5。防滑器经过几十年的发展，经历了最初的机械式防滑器，后来的电子防滑器，到现在的第三代防滑器微机控制的防滑器。微机控制的防滑器，从控制模式上划分，己经大致发展经历了三代:第一代:速度差、减速度、滑移率控制模式，这种防滑器国内、外普遍使用，其控制方法是，当其中一个参数超过了设定值，就对制动缸进行大量排风。这种防滑器的不足:(1).缓解滞后，不能有效控制滑行。(2).由于缓解量大，从而制动力不能迅速恢复，造成粘着损失。日本新干线电动车应用的油压制动系统，防滑控制时，其响应灵敏度高，它采用第一代控制模式，能有效防止车轮擦伤并减小粘着损失。第二代:在第一代防滑控制模式的基础

22、上，法国和日本进行了滑移率控制模式防滑器的开发，这种防滑器采用轴速度差，减速度和减速度微分联合控制，即使检测到车轮滑行，制动缸也不大量排风，而是逐渐降低制动缸压力，使滑移率维持在一定的范围内，以充分利用连续滑行的增粘效果。这种防滑器的优点和不足是:优点:提高了粘着利用，缩短制动距离。不足:加速了轮轨磨耗。第三代:为解决滑移率控制模式的磨耗问题，日本进行了第三代蠕滑控制模式防滑器的开发，它也采用轴速度差，减速度和减速度微分联合控制，在蠕滑力饱和点附近的微小蠕滑区内进行再粘着控制。优点:粘着利用率高，制动距离短。缺点:对系统运算速度和检测精度要求高。我国于60年代中期成功研制了机械式防滑器，随着电

23、子技术的发展，1987年青岛四方所成功研制了我国最早的微机控制的防滑器，1992年铁科院成功研制了TFXI型防滑器，并在我国铁路客车上大面积使用。近年来虽然我国防滑器的研制取得了很大的进展，但与国外的先进水平相比还有一定的距离。同时由于我国铁路近几年发展较快，防滑控制的很多参考条件也不停地发生变化，因此有待对其进行更加深入的研究。我国现有的防滑器适应速度较低，主要在防止滑行功能上下功夫，只在一定程度上考虑了充分利用粘着的问题，而高速机车用的防滑器则要求不仅具有良好防滑性能，还要具有改善和提高粘着的性能。3轨道交通牵引逆变器力矩控制方法的比较轨道交通机车车体类型有三种：TC车、M车、MP车。TC

24、车也称为拖车，拖车带有一个司机室，装有主控制器和脉宽调制编码器。PWM编码器也安装在司机室内，将司机室主控制器的位置转化成脉宽调制波，再由列车线将其传送给牵引和制动设备。MP也称为动车，动车包含有有受电弓，避雷器，主熔断器，牵引逆变箱（ONIX），线路平坡电抗器，制动电阻和四个牵引电机几个主要部件6。在每个转向架有两个牵引电机（每轴一个），与VVVF逆变器并联并由其驱动。如下图3.1牵引系统结构所示，MP车有受电弓，将触网提供的1500V DC引入线路平波电抗器，以获得稳定的直流电源。MP车动力电路部件将触网提供的1500V DC通过牵引逆变器转化为3相交流电来驱动牵引电机。车辆配置结构如下：

25、动车转向架1前行车轴和电机4车轴和电机3车轴和电机2车轴和电机11500V 高压辅助逆变器ONIX 箱（牵引箱）动车转向架司机位置转向架LF (线路平波电抗器)动车转向架2图3.1 牵引系统结构本文研究的主要方向是采用逆变器控制策略更好的将1500VDC转化为牵引电机应用的频率、电压可调的三相交流电源。逆变器的控制发展历程从早期的模拟电路到现在微电子技术来控制。对于轨道交通牵引系统来说，最主要的是要求牵引系统在一个相当宽度的范围内，对每个速度都提供相应的合适的力矩值；逆变器控制可以划分成两大类，即直接力矩控制法和间接力矩控制法，间接力矩控制法中主要包括滑差控制和磁场定向控制。3.1滑差控制（滑

26、差频率-电流控制）在没有出现变频电机以前，工业上交流传动系统采用滑差频率控制的方法来控制电流型或者电压型逆变器供电的异步牵引电机来实现调速。其控制的要点是保持U/f保持不变，通过控制滑差来调节电机的转矩。由调速理论知道，保持U/f恒定，即保持气隙磁通F近似不变，当滑差不变时，便可实现恒转矩起动与调速，为了充分发挥电机功率，达到额定转速后需要维持额定电压保持不变，当速度n继续上升时，进入弱磁恒功率区。滑差控制在稳态条件下需要建立定子电流幅值、滑差频率与电动机转速、转矩的数学关系，来推算出各种运行条件下的滑差频率；根据滑差频率和电动机转速计算出定子频率；根据电压与频率的线性关系得到电动机端电压；其

27、反馈系统是有由转速、转矩计算出的定子电流给定值与实际反馈值形成电流闭环控制，补偿电动机端电压。在调速系统中需要用一个调速控制器来控制滑差调速电机的励磁电机电压，老式的调速控制器用单结管触发脉冲变压器，通过调整可控硅的导通相位角，来产生可调直流电压控制传动速度，调速控制器还有对牵引电机和控制器本身的闭锁保护，开路、断路的报警等功能。3.2转子磁场定向的旋转矢量控制磁场定向控制，也称矢量控制。这种方法是采用坐标变换的方法，把电动机的三相电流、电压、磁链变换到以转子磁场定向的M、T二相坐标系中。这个二相坐标的M轴（磁化轴）沿着转子磁链方向；而与M轴垂直的T轴则与转子电流的方向重合。三相电流经变换后，

28、它的M轴分量就是产生转子磁通的磁化电流；而它的T轴分量与I2成正比，代表了电动机的转矩。由于在M-T坐标系中两者没有耦合关系，因此电动机的转矩控制可以通过分别对定子电流的这两个分量独立控制来实现，这种情况与直流电动机的调速控制完全相似。 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和电枢电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢

29、量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际转速n,并得到对应得控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异

30、步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制6。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。3.3直接转矩控制直接转矩控制技术是利用空间矢

31、量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器(Band-Band控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解祸而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信

32、号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接控制是将逆变器的控制模式与牵引电动机的性能作为一个整体来考虑,对于逆变器的开关控制，直接控制既能实现磁链的幅值控制，又能实现电动机转矩的控制,这样可以获得一个准圆形的气隙磁场.直接转矩控制的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系；将磁链调节器和转矩调节器连接起来，共同控制逆变器的开关状态，这样即可以保证电动机的磁链矢量近似为一旋转的圆，又能使电动机的转矩快速跟随转矩的给定值而变化，从而使调速系统获得很高的动态性能7。3.4三种主要控制的比较在变频器和变

33、频电机运用以前，滑差频率控制大范围应用，但是滑差频率是属标量或稳态量控制，因而调节时都有一个进入稳态的过渡过程，因此动态性能不够好。不能很好的达到随动性的要求。矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感，通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。磁场定向控制系统的结构比较复杂，对电机转子参数的变化反应敏感，这就需要在控制系统中加入复杂的电机参数在线辨识功能，才能达到理想的控制性能。相对于滑差控制来讲，矢量控制的动态性能有了很大提高，但是其控制思路比较麻烦，由于它的技术比较

34、成熟，矢量控制方式也是目前轨道交通迁移逆变器控制中应用最广的控制方式。直接转矩控制是基于静止坐标系下来进行控制的，在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器DTC中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。 直接转矩控制相比于矢量控制具有结构简单、转矩响应快以

35、及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，有容易造成低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大的缺点，这样就限制了直接转矩控制在低速区的应用。4逆变器控制在阿尔斯通轨道机车中的应用阿尔斯通轨道交通机车采用成熟的矢量控制技术，逆变器箱安装在动车上（如图4-1轨道交通牵引逆系统变电气原理图）所示，在MP车上有受电弓，将1500V电源引入平波电抗器，然后供给牵引逆变器和辅助逆变器。图4-1轨道交通主传动系统电气原理图在图4-1中的牵引逆变器控制牵引逆变器箱（ONIX箱）如图4-2所示，牵引逆变器控制对提高主传动系统的运行性能有重大意义

36、。高压供电开关放电电阻接触器控制面板高速断路器（HSCB）电流监控装置冷却风扇逆变器 （模块1和模块2）图4-2牵引逆变器箱（ONIX箱）牵引逆变器箱由一个变压变频（VVVF）三相逆变器和一个电阻制动斩波器组成。牵引逆变器箱安装在动车底架上。牵引逆变器箱将1500VDC转化成3相交流电供给牵引电机。每个牵引逆变器箱驱动4个串联牵引电机。每节拖车的静态逆变器由安装在同半列车牵引箱内的辅助熔断器（AF）供电。静态辅助逆变器的1500VDC接点高于高压开关（HVSS）（高压进线端），确保当高压开关在接地位置时，静态辅助逆变器仍处于供电状态。逆变器由6个IGBT功率器件组成，其中4个用于电阻斩波器模块

37、。这些器件安装在2个功率模块中（牵引逆变器模块PIM1和电阻斩波器模块PIM2）。这些模块有一个单独安装的3相风机强制冷却。过电压保护由安装在撬棒模块中的续流二极管提供。与牵引逆变器有关的开关有：一个手动高压开关（HVSS），一个故障处理电磁快速断路器（HSCB），一个电磁电容充电接触器和一个用于切断牵引逆变器的线路接触器（LC）。在正常情况下，当LC被要求打开时（由于牵引逆变器探测到故障或达到终点站），禁止向牵引逆变器发出点火信号。这样不能在有载情况下打开LC。牵引逆变器模块（PIM1）1500VDC转化为三相交流电来驱动牵引电机。牵引逆变器也控制再生制动（将牵引电机电流返回给触网）和电阻制

38、动（将多余的电流返回给制动电阻）。当触网无法吸收时，牵引控制单元（PCE）运行电阻制动斩波器，这样再生制动无法实施。列车制动能量在制动电阻内转化为热量。当滤波电压超过门槛值时，牵引控制单元也会运行电阻制动斩波器，保护牵引设备避免受到瞬间过压得损失。每个牵引控制系统由编码器生成地 2个脉宽调制信号驱动。每节拖车的驾驶台下装有一个编码器。4.1 轨道交通机车对牵引系统控制的要求对于轨道交通牵引逆变器的控制结果，牵引电机希望得到如下的控制要求：逆变器控制策略应被设计到减少响应时间；能够非常近的从一个力矩指令到另一个力矩指令，以便改进低速运行。逆变器控制给出一个非常快的电流响应和力矩响应，该响应使电机

39、中的电流为最佳控制。逆变器控制使功率能够按逆变器短的关闭状态来重置，没有必要等待电机流量的衰退。根据电机的流量调节逆变器输出电压成为可能。确定电流的力矩控制由一个含宽通带的调节器执行，不考虑电机的转速。因为传统的控制技术当电网波动时是容易发生过电流的，故力矩由电流环控制，这样就可以减少了过流的可能，。目前在轨道交通方面牵引控制策略技术最为成熟的是有速度传感器的矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使

40、用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。4.2 轨道交通牵引电机的特点目前，轨道交通机车上应用的电机为自带风扇冷却、全叠片焊接机座的鼠笼型转子的电动机。，异步电动机的基本结构为定子（不动部分）、转子（旋转部分）两部分组成。定子和转子之间有气隙。以阿尔斯通轨道交通上应用的牵引电机为例， 它采用型号为4LCA2138的三相异步电动机是用于1500V逆变器牵引制动

41、系统电机，它是在引进法国阿尔斯通技术（按照欧洲标准）制造的驱动电动机。阿尔斯通轨道交通机车采用的4LCA2138型号异步电动机的牵引特性曲线如下图4-3所示：牵引特性主要判定三相异步电动机的功率、转矩、电压、电流、转差频率随电机转速的变化量。图4-3 4LCA2138型号异步电动机的牵引特性曲线电机的转矩在电机达到同步转速之前趋于平稳，在额定转速之后逐渐减少；功率在电机达到同步转速之前逐渐升高，在额定转速之后逐渐减少；电机电压在电机达到同步转速之前逐渐升高，在额定转速之后趋于稳定，电机电流在电机达到同步转速之前趋于稳定，在额定转速之后逐渐减少；转差频率随转速的升高逐渐升高；电机牵引力在电机达到

42、同步转速之前趋于稳定，在额定转速之后逐渐减少。其具体参数如下：型号:4LCA2138； 类型:异步，四极，鼠笼；连续定额:185kW； 电压（相电压与线电压）：670V/1160V；电流：117A;转速：3000r/min； 频率：67.4Hz转速范围：04660r/min。4LCA2138型号异步电动机变频调速控制方式通常有两种，即恒转矩变频调速和恒功率变频调速。 M = 9550P/n （4-1）（1）恒转矩变频调速：单纯地调节交流电源的频率，虽然能达到调节电动机转速的目的，但将使电动机运行性能恶化。根据电机平衡方程式（4-2）可知，U1E1=4.44K1N1f1m （4-2）若电源电压U

43、1不变,则当频率f1减小时,主磁通m将增加,这将导致电动机磁路过分饱和，使励磁电流增加,铁心损耗加大，功率因数下降；反之，若频率f1增加,则m将减小,使电动机的输出转矩下降，电动机容量得不到充分发挥。异步电动机输出转矩T2与U21/F21成正比,因此异步电动机在变频调速过程中，若保持U1/f1为常数，即保持电源电压与频率成正比例调节，即能保持调速前后电动机的输出转矩不变，恒转矩调速是目前使用最广泛的一种变频调速控制方式。 （2）恒功率变频调速：异步电动机的输出功率P2与U21/F21成正比。因此在调速过程中，若能保持U21/f1为常数，则调速前后异步电动机的输出功率保持不变，即恒功率调速。对于

44、三相异步电动机的模型十分复杂，为了便于进行控制，将三相异步电动机的模型等效为直流电机的模型。在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。图4-4中绘出了 A、B、C 和 a、b 两个坐标系，为方便起见，取 A 轴和 a 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时间在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。CAN2iaN3iAabN3iCN3iBN2i60o60oB图4-4 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空

45、间矢量设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 a、b 轴上的投影都应相等。这样就会产生如图4-5的矢量变换的物理模型。图4-5 异步电机矢量变换的数学模型4.3矢量控制在轨道交通机车中的应用从牵引角度要求方面，轨道交通机车要求在起动过程中有均匀的牵引力和加速度，以实现平稳起动，这就要求牵引电机按恒转矩起动。当轨道交通机车达到额定速度进入稳定运行时，为了使牵引系统的设备容量和能力得到充分利用，就要求牵引电机再以后的速度值上都达到额定功率值，即按恒功率运行。在运行过程中会出现电网电压波动时，需要保持中间直流电压保持恒定，这样才能具有良好的稳态运行性能；当

46、负载变化或电网电压波动时，平波电抗器具有快速的动态响应性能，来维持逆变器电压的恒定，使逆变器能在一个宽广的速度范围内，实现恒功率控制。在实际应用中城市轨道交通中的动车组牵引力大小，是根据牵引电机的牵特性曲线(牵引力-速度)来给出的，在已知速度的情况下，可以从曲线图中找到与速度对应的牵引力。动车的牵引特性曲线根据车辆生产厂家提供的数据不同，有的以单电机特性曲线方式给出，有的以列车组的牵引力特性曲线方式给出。下面是轨道交通机车的牵引特性曲线: 图4-6某地铁动车组牵引电机的牵引特性曲线轨道交通牵引电机要求“以恒转矩启动，以恒功率运行”，这就需要矢量控制在启动和运行过程时做出相应的改变，在启动时候恒

47、转矩起动过程中必须保持气隙磁通恒定，使气隙磁通约等于额定磁通，以获得定子电流I1恒定为额定电流。在稳定运行时候恒功率运行过程中若能保持U21/f1为常数，则调速前后异步电动机的输出功率保持不变。如图4-7牵引逆变器主电路原理图所示，受电弓从触网引入1500VDC电源，经过平波电抗器后供给牵引逆变器，然后将直流电源转化为电压频率可调的三相电源。图4-7牵引逆变器主电路原理图图4-7中逆变器箱的逆变控制如下图4-8所示，由六个IGBT管组成了一个三相桥式电路。通过TC车司机室的PWM控制，就可以在输出端得到相位各相差120 度（电气角）的三相交流电源。该电源的频率由IGBT管通断频率决定，而幅值则

48、等于直流电源的幅值。图4-8牵引逆变主电路原理图图4-9牵引逆变器生成的三相交流电压PWM控制方法通过控制IGBT管的通断,不仅实现了在改变频率的同时也调整了电压，而且可以使逆变器输出电压的高次谐波分量大大减小，因此获得普遍的运用,如图4-9所示。矢量控制系统是以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流 iA、iB、ic，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 ia、ib ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 id 和 iq 。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通F r就是等效直流电机的磁通，如果把d轴定位于F r的方向上，称作M（Magnetization）轴，把q轴称作T（Torque）轴，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。 把上述等效关系用结构图的形式画出