低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术.pdf

第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 1 0 1 4作者简介:刘 尧(1 9 8 7-),男,北京人,硕士,中级工程师,研究方向为地铁车辆车门、牵引、制动及网络维护和更新改造。低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术刘 尧(北京市地铁运营有限公司运营一分公司,北京 1 0 2 2 0 0)摘 要:降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。关键词:牵引电机;定子磁链控制;低开关频率;数据观测;等效电路中图分类号:TM 3 4 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 7 1 0 5S t a t o r F l u x C o n t r o l T e c h n o l o g y o f M e t r o T r a c t i o n M o t o r a t L o w S w i t c h i n g F r e q u e n c yL I U Y a o(T h e F i r s t O p e r a t i o n C o m p a n y B r a n c h o f B e i j i n g S u b w a y O p e r a t i o n C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 2 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r e d u c t i o n o f s w i t c h i n g f r e q u e n c y c a u s e s l a r g e h a r m o n i c o f s t a t o r f l u x l i n k a g e o f m e t r o t r a c t i o n m o t o r,w h i c h c a n n o t e n s u r e i t s s a f e a n d s t a b l e o p e r a t i o n.T h e r e f o r e,u n d e r t h e c o n s t r a i n t o f l o w s w i t c h i n g f r e q u e n c y,t h e s t a t o r f l u x c o n t r o l t e c h n o l o g y o f t r a c t i o n m o t o r b a s e d o n c o n t i n u o u s o p e r a t i o n i s p r o p o s e d.T h e r o t a t i n g m a g n e t i c f i e l d a n d t h e s p e e d d i f f e r e n c e o f t h e r o t o r a r e c a l c u l a t e d,t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f t h e t r a c t i o n m o t o r i s c r e a t e d b y u s i n g t h e s t a t o r r e s i s t a n c e,e l e c t r i c a l a n g u l a r r a t e a n d o t h e r p a-r a m e t e r s,a n d t h e o p e r a t i o n o f t h e t r a c t i o n m o t o r i s d e t e r m i n e d;t h e c u r r e n t a n d f l u x i n t h e s t a t o r s t a t i o n a r y c o o r d i n a t e s y s t e m a r e r e g a r d e d a s v a r i a b l e s t o c r e a t e a s l i d i n g m o d e o b s e r v e r,a n d t h e c u r r e n t o b s e r v a t i o n v a l u e o f t h e s t a t o r f l u x i s o b t a i n e d;t h e i n d i r e c t s t a t o r c o n t r o l m e t h o d i s u s e d t o e n h a n c e t h e l o w s p e e d c o n-t r o l c a p a b i l i t y o f t r a c t i o n m o t o r,a n d t h e s p a c e v e c t o r o f s t a t o r f l u x a n d e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e i n s t a t i c c o-o r d i n a t e s y s t e m i s d e r i v e d;i n t h e f a c e o f m e d i u m a n d h i g h s p e e d r u n n i n g m o t o r s p e e d,t h e c o n t i n u o u s m u l t i f l u x c o n t r o l s t r a t e g y i s a d o p t e d t o s m o o t h t h e f l u x t r a c k f r o m c i r c l e t o p o l y g o n a n d c o m p l e t e t h e s m o o t h s t a t o r f l u x c l o s e d l o o p c o n t r o l.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d c a n e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e t o r q u e f l u c t u a t i o n a n d c u r r e n t i m p a c t,i m p r o v e t h e o v e r a l l c o n t r o l c a p a b i l i t y o f t h e t r a c t i o n m o-t o r s y s t e m,a n d e n s u r e t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n o f t h e s u b w a y u n d e r l o n g w o r k i n g h o u r s.K e y w o r d s:t r a c t i o n m o t o r;s t a t o r f l u x c o n t r o l;l o w s w i t c h i n g f r e q u e n c y;d a t a o b s e r v a t i o n;e q u i v a l e n t c i r c u i t172 0 2 3(8)0 引言列车牵引电机控制1系统是保证轨道交通建设的核心技术之一。地铁编组的增多、轴重的持续加大和运行速率的提升,对地铁牵引功能有了更高标准。牵引系统为增强输出效率,一般要减少器件的开关频率2,地铁牵引系统内开关器件的开关频率较小,通常低于4 0 0 H z,无法在全速范围完成圆形定子磁链轨迹控制3,导致牵引电机运行时稳定性不高。定子磁链控制是凭借牵引电机系统回馈的定子电压电流与转子速率,推算磁链大小与方位,再和磁链给定值实施对比,挑选恰当的电压向量,完成磁链可靠运行,减少规定误差引发的转矩变化。为增强定子磁链控制技术的可靠性,文献4提出改进型自抗扰控制器下定子磁场控制策略创建磁链、电流形态空间并组建线性观测器,检测磁链与电流的相关范围,实现定子磁链定向控制,但该方法极易引发电流振荡,造成电机过流保护,影响其使用寿命;文献5 把磁链控制变换成对定子磁链向量控制,探究不同扇区基本电压向量对系统运行的影响,构建占空比优化原则输出定子磁链控制结果,但在计算时该方法无法在限制条件下得到电机的最高转矩输出值,定子磁链控制精准度有待提升;文献6 提出了一种测量同步磁阻电机磁链和电感直流静止的方法,通过调整控制器参数修改机器的时间响应,从而提高瞬态期间可用测量样本的数量,同时,在自动调谐测量过程,对电流控制器进行了优化,从而实现了磁链测量,但该方法主要优化的是磁链测量过程,对其控制效果还需进一步研究。本文在考虑低开关频率影响的前提下,提出一种基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制方法。1 牵引电机模型构建地铁牵引电机由定子、转子和轴承等部件组成,安装于车体下面,利用弹性悬挂于车体上,齿轮传动设备和轮对相连,如图1所示。牵引电机转动是在法拉第电磁感应定律与电磁力作用下共同实现的,在定子中导入三相交流电后,可以在气隙内生成同等速率旋转的圆形反向转动磁场。转子的转速要小于气隙旋转磁场(定子)转速7,且二者不可能相等。由此,旋转磁场与转子?图1 牵引电机结构之间就具备了转速差,也能计算出转差率。转差表示磁场转速a1和转子转速a之间的差值,转差率表示转差和转速二者的比例,是体现牵引电机运行状态与性能的变量,计算公式为w=a1-aa1(1)地铁运行过程中,牵引电机工作将电能变换成机械能,生成牵引力8,这时0aa1,0wa1,w0。d q为转子同步旋转坐标系,将牵引电机在d、q轴的等效电路如图2所示。()?a(?)b?Rid+-+-udB iq qBdRiq+-+-uq(B id d+)fBq图2 牵引电机等效电路为便于实现定子磁链控制,需要推算牵引电机处于同步旋转坐标系的状态解析式,即构建牵引电机模型模为ud=R id+Bdp id-Bqiquq=R iq+Bqp iq+Bdid+f(2)R为定子电阻;p为微分算子;为电角速率;Bd为d轴电感;Bq为q轴电感;f为永磁体f生成磁链;ud为d轴电压;uq为q轴电压。2 定子磁链数据观测定子磁链的精准测量9是完善定子磁链控制性能的要点,也是牵引电机传感器运行的基本前提。本文在有效磁链理念下,设计定子磁链观测器,使用的电机定子磁链状态空间坐标系如图3所示。27刘 尧:低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术机电一体化图3 状态空间坐标系图3中,是静止坐标系;r为d轴和轴之间的夹角;uc、ic、c分别为定子c电压、定子c电流和定子c磁链,此类向量在轴内的投影为c、c,在d q轴中的投影依次为c d、c q;a为有效磁链,则有效定子磁链在坐标系中可表示为ad=Bd-Bq icd+faq=cd-Bdicd=0(3)icd为投影状态下d轴中的定子c电流均值。运用式(3)定义的有效磁链,将d q坐标系中定子电压均衡方程表示为ucducq=R-BqBqRicdicq+0-0adaq+dadaq+Bq00Bqdicdicq(4)d为微分符号。将式(3)旋转到静止坐标系中,可获得a=c-Bqicaa=c-Bqic(5)由式(5)可以看出,如果能在静止坐标系中检测出有效磁链a、a,就能进一步推算出定子磁链具体数值。由此创建式(6)所示的滑膜状态观测器1 0,即dic,a =F ic,a +GTs g nic-ic (6)ic为定子c状态观测输出值;G为增益矩阵。将有效磁链观测动态偏差1 1定义为aa =g3 2g2 2Bq00-g4 1g1 1Bqaa (7)获得有效磁链后,使用有效磁链与定子磁链之间的耦合关系就能推导出定子磁链当前观测值,即c=a+Bqicc=a+Bqic(8)ic、ic均为静止坐标系中定子c的电流。3 基于连续型操作的定子磁链控制为了在低开关频率状态下实现牵引电机运行速率的无缝切换,设计一种基于连续型操作的定子磁链控制方法。若牵引电机处于低开关频率状态(低速段),则使用间接定子量控制法,提升低速控制能力,此时定子磁链是圆形轨迹,凭借系统输出频率,明确具体分频数。伴随逆变器输出频率的提升,若牵引电机处 于中高开关 频率 状 态(中 高 速段),可以更改定子磁链轨迹剔除转矩失控区域,满足电压矢量需求1 2。依照地铁牵引电机数学模型,定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量方程为:ZTc=Ric+Tct(9)O=1.5rMTcTss i n(1 0)Zc为定子c的电压空间向量;c、s为定子c、转子s的磁链空间向量;O为电磁转矩;r为极对数;M为转子漏感和定子漏感的总和;为磁通角,即定子磁链、转子磁链二者的夹角。从式(9)看出,如果不考虑定子电阻压降Ric,输入电压是一个不为0的电压综合值时,定子磁链空间向量s与输入电压综合值的移动方向相同。从式(1 0)看出,动态控制环境下,只要控制响应时间低于转子时间常数,在较短时间内可认定定子磁链不变1 3,仅保证定子磁链幅值不变,就能利用磁通角控制电机转矩。将谐波电流、谐波h的磁链h和谐波h的电压uh之间的关联记作=uhBch=uh1.5r (1 1)Bc为定子c电感。零向量不会更改定子磁链轨迹,但会影响开关角分布状态,因此,可将电机运行时,相对4个零向量作用时间与开关角的内在关联描述为t1=t4=2t2=t3=4(1 2)t1、t2、t3、t4均为零向量作用时间;2、4均为向量角度。372 0 2 3(8)假设转子速率12,由于未发现转矩局部失控区域,牵引电机系统在圆形磁链规模1 4下运行。伴随电机速率的快速提高,磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,直到1=2。为确保电机运行速率切换前后定子磁链幅值不变,首先按照脉冲推算出期望定子磁链,再评估当前定子频率是否满足需求,如果达到切换的频率点,分析定子磁链幅值是否处于滞环状态,利用式(7)计算磁链观测动态偏差,若偏差值高于0.5,则进行中高速到低速的切换,反之持续保持当前速度,实现顺滑的定子磁链闭环控制目标。将此时转子速率控制的计算公式定义为s=23v1c o s26 (1 3)为圆形磁链预设值。根据上述过程实现低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制。4 实验结果与分析4.1 实验设置为验证本文方法的有效性,在MAT L A B 2 0 0 9 b创建以地铁牵引电机为控制目标的仿真平台,牵引传动系统仿真模型参数如表1所示。表1 牵引传动系统模型实验参数参数数值电机惯性常量/(k gm2)3.5轴重均值/t1 4.5动轮半径/m0.4 3地铁运行风阻系数/(Ns2m-2)0.7 2齿轮传动比7.1 1 2 61定子电阻/0.0 9 9电机最大转速/(rm i n-1)1 7 0 0额定线电压/V1 1 5 0最大开关频率/H z4 0 0 上位机监控软件利用以太网通信以1 5 k H z采样频率储存并显示采样信息。与此同时,电机的输出电磁转矩与开关频率上传到上位机,方便实时查看实验参数变化。为验证本文方法的普适性与真实性,将文献4 自抗扰控制器法与文献5 矢量分区法作为对比方法,考虑牵引电机处于低开关频率状态,采用脉冲控制器调整脉冲大小后,从牵引电机电流、转矩性能和动态响应性能3个方面入手,分析所提方法的有效性。4.2 实验结果分析以7分频模式为例,在转矩为1 1 4 5 Nm状态下,分析3种方法在趋近电机额定电压下的电机电流的整体变化,以此验证定子磁链控制实际效果,相同时间下牵引电机电流变化如图4所示。3002001000100200300-5?77.5?78.5?79.5?80.5?81.5?82.5?83.?/()?saA?B?C?/A3002001000100200300-5?77.5?78.5?79.5?80.5?81.5?82.5?83.?/(?)?sb?/AA?B?C?3002001000100200300-5?77.5?78.5?79.5?80.5?81.5?82.5?83.?/A?/()?scA?B?C?图4 基于7分频模式的牵引电机电流波形由图4可知,对比方法表现出电流波动不规则且一致性较差的现象,无法保证电流对称性,控制能力较差,影响了牵引电机系统的可靠性与使用寿命。而本文方法电流波形整齐规则,三相电流对称性要显著优于自抗扰控制器法和矢量分区法,证明其定子磁链控制较为稳定,不会出现过多的磁链控制波动,能保证电流持续稳定输出。其主要原因在于本文方法创建了一种定子磁链观测器,能有效获取定子磁链的实时信息,为其精准控制提供数据支持,自适应调控牵引电机电流。通过牵引电机转矩变化来验证3种方法磁链控制性能的可靠性,设定此项实验中牵引电机个数为1 0台,传动比是2.9 9 3,传动效率是0.9 8,实验结果如图5所示。47刘 尧:低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术机电一体化图5 3种方法下牵引电机转矩控制结果对比由图5可知,和自抗扰控制器法、矢量分区法相比,本文方法具备超调量小的特征,能有效减少转矩波动,安全性更高且运转寿命更长,具备更强的实用性。为了验证本文方法的动态响应性能,进行了转速突变实验。实验设置电机转速为8 0 0 r/m i n,负载转矩由0突变至1 0 Nm,结果如图6所示。1?000800600?/()rmin-100?2.0?4.0?6.0?8.1?0.1?2.?/()?sa1?000800600?/()rmin-1?00?2.0?4.0?6.0?8.1?0.1?2.?/(?)?sb1?000800600?/()rmin-1?00?2.0?4.0?6.0?8.1?0.1?2.?/()?sc图6 动态响应性能结果对比由图6可知,转矩突变时,本文方法控制下的电机转速有小幅下降,但能快速跟踪至指定值。5 结束语面向低开关频率情况下,地铁牵引电机出现电流谐波大、运行稳定差等问题,本文提出一种基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制方法。所提方法可有效明确电磁转矩变化情况,适应不同工况下电机负载,无需过多调节即可投入使用。在实验分析中可以看出:所提方法可确保电机处于稳态运行,完成了多种模式的平滑调制,收敛速度快,牵引电机系统定子磁链控制能力得到有效提升。参考文献:1 吕杰,李国强,薛秀慧,等.汽车运输地铁车辆时的牵引电机轴承防护方案J.城市轨道交通研究,2 0 2 0,2 3(6):1 8 4 1 8 6.2 T S U I Y K,MO S E L E Y D,D E N N I S A R,e t a l.W a v e f o r m c o n t r o l p u l s e d f i e l d m a g n e t i z a t i o n o f R EB aC uO b u l k s u p e r c o n d u c t i n g r i n g sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p-p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y,2 0 2 2,3 2(4):1 5.3 苑 国 锋,沈 阳.基 于 定 子 磁 链 矢 量 偏 差 的 多 模 式S HE PWM切换策略研究J.电机与控制学报,2 0 2 2,2 6(4):1 3 9 1 4 8.4 李志鹏,那少聃.改进型A D R C的感应电机定子磁场定向矢量控制J.重庆邮电大学学报(自然科学版),2 0 2 0,3 2(4):6 0 4 6 1 0.5 於锋,朱晨光,吴晓新,等.基于矢量分区的永磁同步电机三电平双矢量模型预测磁链控制J.电工技术学报,2 0 2 0,3 5(1 0):2 1 3 0 2 1 4 0.6 TH I K E R,P I L L A Y P.A u t o m a t e d c u r r e n t c o n t r o l m e t h o d f o r f l u x l i n k a g e m e a s u r e m e n t o f s y 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