大功率变频器的分段同步控制技术研究

引言

地铁是发达城市的市内交通主力军。不同于火车由机车牵引列车运行,地铁列车的动力是分散布置的,分为动车与拖车,动车上载有牵引电机,起到驱动列车行驶的作用,拖车上则没有牵引电机。为了使地铁上的交流电机尽可能运行在高效区,可以采用变频调速的方法。该方法不仅可以实现无级调速,同时也能根据负载特性来调节电压和频率的关系。本文将分段同步调制技术应用于地铁,建立异步电机的数学模型,并搭建异步电机矢量控制系统用于地铁的仿真模型,详细介绍该模型中各个子模块的组成和功能,并进行电机运行仿真。仿真结果表明,控制系统动态响应迅速,调速性能良好,验证了控制系统的正确性。

1变频器的分段同步控制

SPWM主要有两种调制方式,即同步和异步调制,其主要区别是sPwM中载波比是否恒定不变。前者三角波与正弦波同时变化,输出电压半波内无论载波如何变化均脉冲数恒定不变。但正因为其恒定不变,就会造成其在低频时,相邻脉冲间距较大,此时其谐波成分将随频率降低而增大,导致电机运行不稳。当然,为使三相输出波形保持互差120o的对称关系,取载波比为3的整数倍。

异步调制一般保持三角波不变,仅改变调制波频率,从而改变载波比。如此将保证在低频时也可以做到相邻脉冲间距较小,减小其谐波成分。但前文提到,为使三相输出波形保持互差120°的对称关系,取载波比为3的整数倍,而在该调制方法中,载波比很难保证该要求。这将导致输出电压对称性被破坏,进而导致电机运行不稳。

同步和异步调制虽各有优点,但其缺点亦非常明显,都可能导致电机不稳定运行,因此出现了分段调制。为充分发挥同步调制优点,在一定频率中,依然采用同步调制:为避免其缺点,发挥异步调制低频时优点,当频率降低至一定程度时,将载波比分级增大,从而提高其低频率时半波内脉冲数,降低谐波含量。本牵引系统的频段和载波比的分配如表1所示。

图1所示是与表1相应的fc与fr的关系曲线。本设计将全部频率进行分段,在每段中采用适用于该段的载波比,进而保证该频率与开关频率两者相适应。

图1中各频率段载波比按以下方法确定:

首先确定频率段范围和IGBT开关器件频率,本设计要求变频器0~130Hz,使用1kHz的IGBT,其最小开关频率为其1/2~2/3。

现取输出频率上限为120Hz,则第一段载波比为:

取N为3的整数倍数,则N1=9,修正后为:

若取:

计算后得:

以下各段依次类推,可得表1中各行的数据。

2变频器分段同步控制建模仿真

整个系统在MATLAB下的模型如图2所示。

2.1矢量控制模块

该控制模块采用一个磁链闭环、两个定子电流调节闭环,将电流的控制转换成对电压的控制。其中各环节的数学模型如图3所示。

2.1.1转矩给定计算模块

转矩给定计算模块如图4所示。

按照电机牵引调速的牵引力矩要求,先是恒转矩运行,速度增加到一定值时电机功率达到最大,此后电机就只能按这个恒定的功率运行,因此要求力矩给定模块输出先恒转矩后恒功率减小力矩,而制动减速时转矩给定应为负值,先恒功率再恒转矩制动。图中控制信号为0时电机牵引运行,为1时制动运行。PI调节器的Kp设得较大,限幅为开始的恒转矩1500N·m,它除了限定电机启始运行段的给定转矩,还起到限速的作用,speed*就是牵引运行过程中限定的最大速度。

2.1.2磁链观测器模块

磁链观测器模块如图5所示。

转子磁链位置角:

将式(6)代入到式(5)可得:

2.2分段同步控制三角波发生器

MATLAB工具箱中虽然有三角波发生器,但是却没有可改变三角波频率的发生器模块,更没有频率受外部管角控制的三角波发生器,因此搭建如图6所示的分段同步控制用三角波发生器。

图6中左边为三角波发生器的封装模块,右边是它的内部结构。内部图中左半部分主要实现分段选通不同载波比的三角波功能,右半部分是不同倍频的三角波发生器。该三角波发生器有两个输入管角,一个为电机的角频率fc,一个是转子磁通位置角9m,电机反馈的角频率fc经过模块判断,在其设置的Lowerlimit和Upperlimit之间时输出1,不在其区间输出~,所以,电机角频率落在第N个intervaltest模块设置的区间内时,就乘以N,作为Multiportswitch模块的选通信号,选通其第N路信号。

3仿真结果及分析

表.为各仿真时间段的状态设定表。

总体仿真结果如图7所示。

从仿真结果的波形总图来看,转速和转矩的变化都达到了预期效果,下面按照时间顺序对波形进行分析。

0~0.2s启动,波形如图8所示。

0.25s转矩给定200N·m,波形如图9所示。

由图9可知,0.25s时给定转矩200N·m,约过0.02s得到响应,在这期间转速有小幅下降,但影响不大,电流有所增加。

0.3s转速从200r/min降到100r/min,波形如图10所示。

由图10可知,0.3s时给定转速从200r/min降到100r/min,0.08s得到响应,在这期间转矩先剧烈震荡,最低达到近-5000N·m,在0.32s处保持在-1400N·m左右,0.35s开始慢慢向~靠拢,直到最后回到200N·m,三相电流先大幅震荡,然后逐渐平稳。

0.5s转矩从200N·m变为-200N·m,波形如图11所示。

由图11可知,0.5s时给定转矩从200N·m变为-200N·m,约过0.04s得到响应,在此期间转矩平稳过渡,转速小幅平稳上升,三相电流几乎不变。

0.6s转速从100r/min升到200r/min,波形如图12所示。

由图12可知,0.6s时给定转速由100r/min上升为200r/min,约过0.07s得到响应,在此期间转矩先大幅震荡,最高近3500N·m,随后震荡回落,然后在1500N·m左右保持到0.65s,随后平滑回归-200N·m,三相电流在响应期间比较大,随后回归平稳。

0.75s转矩从-200N·m变为0,波形如图13所示。

由图13可知,0.75s时给定转矩从-200N·m变为0,响应时间约为0.03s,在此期间转矩缓慢归零,转速小幅平滑下降。

0.8s转速从200r/min降到0,波形如图14所示。

由图14可知,0.8s时给定转速从200r/min降到0,响应时间约为0.14s,在此期间转速平滑下降直至归零,转矩先大幅震荡,最小至-4500N·m左右,随后平稳在-1500N·m左右,保持到0.92s,接着平滑上升直至归零,三相电流先在比较大的值震荡,最后归于零。

4结语

本文采用分段同步控制驱动地铁中的异步电机,建立了其变频器模型并搭建了大功率分段同步控制仿真模型,对不同运动状态进行仿真。仿真结果表明,控制系统转矩和转速的动态响应迅速,静态性能良好,磁链幅值基本能够保持恒定,验证了系统的可靠性。但是分段同步控制技术也存在不足之处,如稳态运行时转矩脉动较大,存在谐波干扰等,需要进一步探讨研究。