专利名称：一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力牵引传动领域，尤其涉及一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统。
背景技术：
高速列车电力牵引交流传动系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器(四象限脉冲整流器、牵引逆变器)、三相交流牵引电动机、齿轮箱等组成。其中有3个主要环节网侧的四象限脉冲整流器实现列车与牵引网的能量交换，牵引逆变器提供牵引电机所需的变压变频电源，交流牵引电机和机械传动部分实现机电能量转换。在图I的牵引变流器电路结构中，由于采用了单相桥式四象限整流器供电，从而会使直流侧电压含有两倍工频的二次脉动成分，进而对后续的牵引逆变器产生影响。对于牵引逆变器，其输出线(相)电压为直流电压与开关信号的函数，当直流电压存在二次脉动 时，该脉动电压会影响逆变器的输出电压，最终产生与基波频率和脉动频率有关的谐波。这些谐波电压会导致电机电流中存在同频率的谐波电流分量，并进一步对电机转矩的控制性能造成不利影响，产生转矩脉动，易引起电机运行中的不稳定。当电机定子电压频率与直流二次脉动频率相等时，由于电机的直流阻抗很小，电机电流中会包含很大的直流分量，产生严重的发热，从而产生安全隐患。在牵引传动系统中，可以在中间直流环节设置由电感和电容组成的二次滤波装置抑制直流电压脉动，但考虑其体积、重量及经济上的缺陷，国内外已经开始研究未设置中间环节二次滤波装置时，抑制直流脉动对电机不良影响的方法。由于牵引逆变器输出电压与直流电压和开关信号有关，故可根据直流电压的变化，对开关信号进行修正。而这种修正主要是从修正调制波的幅值或频率的角度考虑的。例如，文献“ JIA-Y0U LEE, YORK-YIN SUN. Adaptive harmonic control in PWM Inverterswith Fluctuating input voltage. IEEE Trans. Industrial Electronics. 1986，NOl,92-98”中提出在逆变器输出电压可调阶段，根据和直流侧电压变化成反比例的关系调节参考电压幅值，保证输出波形的正弦性，但依据其控制原理，当逆变器PWM调制载波比较小时，抑制效果不明显；文献“Hong-seok song, Kwanghee Narn. Dual current controlscheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions[J]. IEEETrans Ind Electronics，1999，46 (5) :953_959”中提出在电机方波工况时，需要在原有频率信号指令的基础上增加一个修正频率的控制器，使得输出至逆变器的频率指令中不含二次脉动的频率信号，进而抑制由于直流环节电压脉动导致的逆变器输出电压相关谐波。这两种方法都需要实时采样直流环节电压引入控制过程，采样频率及精度直接影响控制效果，如何确定其直流分量值也需要考虑，这增加了控制过程的复杂度。
发明内容
本发明解决的技术问题在于如何简单有效抑制直流环节中的二次脉动引起的电机电流谐波和转矩脉动。为了解决以上问题，本发明公开了一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统，包括以下模块转矩计算模块、磁通计算模块、电压解耦模块、比例-积分-谐振PIR控制模块、旋转变换模块、2/3变换模块、SPWM调制模块、Cost模块、积分模块、旋转变换模块、3/2变换模块、转速传感器模块、若干求差模块、求和模块，其中转矩计算模块、磁通计算模块分别通过电压解耦模块连接到求差模块，再通过旋转变换模块、2/3变换模块连接到SPWM调制模块，SPWM调制模块通过3/2变换模块、旋转变换模块送入到与转矩计算模块、磁通计算模块求差模块，SPWM调制模块另一路通过IM模块连接转速传感器模块，再与转矩计算模块、磁通计算模块经过《st模块后求和再通过积分模块，送入旋转变换模块，所述旋转变换模块送入到与转 矩计算模块、磁通计算模块求差模块之后分别经过一个PIR控制器，再与电压解耦后的输出求差。通过在传统的矢量控制策略中，对励磁电流、转矩电流的误差跟踪器进行改进，增加谐振环节，即将一般使用的比例-积分PI调节器改进为比例-积分-谐振PIR调节器，达到抑制直流环节二次脉动所导致的谐波的目的。
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中图I是高速列车牵引传动系统主电路结构图；图2是牵引电机基频以下矢量控制的控制框图；图3是本发明中励磁电流id控制环的传递函数框图；图4是本发明中转矩电流i,控制环的传递函数框图；图5是本发明中励磁电流id控制环传递函数的频率响应图；图6是本发明中励磁电流id控制环扰动抑制的频率响应图；图7是本发明中转矩电流控制环扰动抑制的频率响应图；图8是本发明中转速控制环扰动抑制的频率响应图。
具体实施例方式以下参照图1-8对本发明的实施例进行说明。为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。如图2所示，一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统，包括以下模块转矩计算模块I、磁通计算模块2、电压解耦模块3、比例-积分-谐振PIR控制模块(11，12)、旋转变换模块5、2/3变换模块6、SPWM调制模块7、ω st模块13、积分模块15、旋转变换模块16、3/2变换模块17、IM模块19、转速传感器模块18、求差模块(4，8，9，10)、求和模块(14)，其中转矩计算模块I、磁通计算模块2分别通过电压解耦模块3连接到求差(4，8)模块，再通过旋转变换模块5、2/3变换模块6连接到SPWM调制模块7，SPWM调制模块7通过3/2变换模块17、旋转变换模块16送入到与转矩计算模块I、磁通计算模块2求差模块(9，10)，SPWM调制模块7另一路通过頂模块19连接转速传感器模块18，再与转矩计算模块I、磁通计算模2块经过《st模块13后求和14再通过积分模块15，送入旋转变换模块16，所述旋转变换模块16送入到与转矩计算模块I、磁通计算模块2求差模块(9，10)之后分别经过一个PIR控制器(11，12)，再与电压解耦3后的输出求差4。本发明从实现对励磁电流、转矩电流指令的无静差跟踪着手，通过增加在励磁电流、转矩电流的谐波频率处发生谐振的谐振环节改进其误差跟踪器，来实现电机输出转矩脉动的抑制目的。以单相四象限变流器作为输入整流器，得到的中间直流环节电压除直流分量外，还有谐波成分，其以二倍于网频的谐波为主。Ud (t) = Udc+Uaccos (2 ω mt+ Y ) +Udn (I)在一个三相电压源型逆变器的自然采样PWM过程中，其三相正弦参考信号时间上 一次偏移120° ,即iiIn =MUd COSO^(2)uIn ^Mud COS(0J-—)
(3)
剛心-―令(4)通过对PWM脉冲进行双边傅里叶分析可以得到双边沿自然釆样PWM的谐波解析表
2π 2π
达式,对a、b、c三相桥臂分别设置初相角为O、— +—即得
uan (O = + 她d cos 0ο + j Z :=1 X := _ — Jn (m-M) sin[(m + η) -] cos(mact + ηωο )
TCτηδλI ^ IUan (O = ^Mud cos(a0t +
6
8Z/j 1 co 1 co I τ . ^ Tl · r/、兀Γ.Tl、 TL..
+—lum=ilu 一—Jn (m ~M) sin
sin n - co \mmct + η(ωα -γ) + γ](句忽略式⑴中高次谐波，将式⑴代入其中得逆变器输出线电压为
RR
uA(O = V3Mt/dccos(&)0i + Θ) + -MUac cos[(2cam -ωα) + ν-θ] + -MUac cos[(2 m +ω0) + χ + θ](7)ubc(t)=办MUdc ζο^(ω0 + θ-^-) + 2^MUac cos[(2 m-ω0) + γ-θ + ^-]+-^-MUac cos[(2om + cojt + χ + θ-—]
权利要求
1.一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统，包括以下模块转矩计算模块、磁通计算模块、电压解耦模块、比例-积分-谐振PIR控制模块、旋转变换模块、2/3变换模块、SPWM调制模块、Cost模块、积分模块、旋转变换模块、3/2变换模块、转速传感器模块、若干求差模块、求和模块，其中转矩计算模块、磁通计算模块分别通过电压解耦模块连接到求差模块，再通过旋转变换模块、2/3变换模块连接到SPWM调制模块，SPWM调制模块通过3/2变换模块、旋转变换模块送入到与转矩计算模块、磁通计算模块求差模块，SPWM调制模块另一路通过頂模块连接转速传感器模块，再与转矩计算模块、磁通计算模块经过《st模块后求和再通过积分模块，送入旋转变换模块，其特征在于所述旋转变换模块送入到与转矩计算模块、磁通计算模块求差模块之后分别经过一个PIR控制器，再与电压解耦后的输出求差。
全文摘要
本发明公开了一种高速列车直流侧二次脉动引起的转矩脉动抑制系统，包括以下模块转矩计算、磁通计算、电压解耦、比例-积分-谐振PIR控制器模块、旋转变换、2/3变换、SPWM调制、ωst模块、积分、旋转变换、3/2变换、转速传感器、若干求差、求和，其中转矩计算、磁通计算分别通过电压解耦连接到求差，再通过旋转变换、2/3变换连接到SPWM调制，SPWM调制通过3/2变换、旋转变换送入到与转矩计算、磁通计算模块求差，SPWM调制模块另一路通过牵引电机连接转速传感器，再与转矩计算、磁通计算经过ωst模块后求和再通过积分，送入旋转变换，所述旋转变换模块送入到与转矩计算、磁通计算求差之后分别经过一个比例-积分-谐振(PIR)控制器，再与电压解耦后的输出求差。能有效抑制直流脉动引起的电流谐波和转矩脉动。
文档编号H02P27/08GK102664581SQ20121011402
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者刘建强, 孙湖, 师维, 张立伟, 李艳, 李虹, 杨中平, 林飞, 游小杰, 王剑, 王琛琛, 贺明智, 郑琼林, 郝瑞祥, 郭希铮, 黄先进 申请人:北京交通大学