38200字硕士毕业论文电力机车导向电机全速范围控制策略分析
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：38200字
论点：控制,电力机车,重载
论文概述：
本文的研究内容旨在为中国北车集团自主研发的国产大功率电力机车牵引传动系统提供高性能的核心控制算法，促进电力机车牵引传动系统核心技术的国产化。本文中的所有牵引电机控制策略已
论文正文：
介绍
1.1论文研究的背景和意义
1.1.1论文研究的背景
高速铁路主要是为了满足人们对高效快速铁路运输的要求。对于像中国这样一个人口众多的国家来说，每年有数亿乘客，高峰时期每天数百万乘客的需求使原有的铁路运输能力不堪重负。高速铁路的发展是解决巨大出行需求和有限运输能力之间严重矛盾的有效途径。1964年，日本东海道新干线(Tokaido Shinkansen)从东京到大阪的高速铁路的正式运营标志着世界高速铁路新时代的到来。这条线路的运营速度高达210公里/小时，此后，法国、意大利、德国、西班牙、荷兰、比利时、瑞典等国家开始大规模建设国家或跨国高速铁路，并逐渐形成欧洲高速铁路网。目前，世界上高速铁路技术最先进的国家是日本、法国和德国。中国高速铁路发展相对较晚，2002年秦沈客运专线建成运营后开始建设。京津城际高速铁路于2008年8月1日开通，设计时速350公里，成为中国第一条真正的高速铁路。根据《国民经济和社会发展第十二个五年规划》和《中长期铁路网规划》，中国将建设“四横四纵”客运专线和城市群城际轨道交通干线，如图1-1所示。到2012年，中国铁路营业里程将达到11万多公里，其中新建1.3万公里，初步形成高速铁路网。到2020年，铁路营业里程将达到12万公里，其中1.6万公里将用于新建高速铁路。届时，中国发达完善的铁路网将全面建成，铁路运输能力将能够满足国民经济和社会发展的整体需要。“人们会做他们想做的事，货物会顺畅流动”的目标将成为现实，
(2)城市轨道交通
目前，城市交通拥堵问题已经成为世界上所有大城市面临的共同问题。然而，发展城市轨道交通，形成体积大、速度快、能耗低、污染少、安全性和可靠性强的现代立体公共交通系统，是世界各大城市在发展城市交通战略问题上基本达成的共识。从世界主要城市的城市发展进程来看，轨道交通在解决城市交通拥堵和合理规划布局
(3)重载铁路
中国能源的特点是煤炭资源丰富，油气资源相对较少。煤炭储量占常规能源的90%以上。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一非方波调制区电力机车牵引电机
2矢量控制策略。然而，我国能源资源分布严重不均衡。煤炭资源北部多，南部少，西部少，东部少。它的分布与消费区域的分布极不一致。铁路运输能力不足已成为制约中国经济发展的“瓶颈”。纵观世界各国的发展历史，重载铁路具有很高的效率和效益。包括美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西等国家通过使用重载技术，提高重载铁路技术和设备水平，实现更高的运输效率和经济效益。重载铁路的定义也经历了不同的发展阶段。国际重载协会在1994年年会上提出了重载铁路新标准，该标准必须满足以下两个条件:①列车质量必须达到至少5000吨；(2)卡车轴重达到或超过3125t；；(3)在长度至少150公里的线路上，年货运量不低于2000万吨。2005年，重载铁路标准进行了修订，必须满足以下两个条件:①列车质量不低于80001；(2)货车轴重达到271及以上；(3)在长度不小于150公里的线路上，年货运量不得小于4000万吨[6】。1992年，为了提高中国煤炭运输能力，中国开通了第一条电气化重载运输线路——大秦线(与秦皇岛相同)。大秦线初期设计能力为1亿吨/年，但仍不能满足我国经济快速发展对能源运输的需求。为了提高运输能力，铁道部决定运营2万吨重载列车，以提高[大秦线5，7]的运输能力。2010年，大秦线总运输能力超过4亿吨，成为世界上最大的重载铁路。根据计划，到2012年，中国将建成1.3万公里的“四纵四横”高速铁路网，还将建成3万公里重载列车牵引里程网。到2020年，中国高速铁路总规模达到1.6万多公里，重载列车里程将超过5万公里。几天前，中国第一条按照30t轴重标准设计和建造的重载铁路——山西吕梁至山东日照港的铁路——正式开始铺设铁轨。中国进入了快速引领世界的“高速铁路时代”，同时也进入了快速引领世界的“重载时代”
3电力机车弓拉|电机高速区控制(方波运行).....49
3.1方波运行下的矢量控制方案.......49
3.2方波弱磁区异步电机最大转矩控制.......50
3.3磁场定向校正策略的矢量控制.......61 [/溴/] 3.4本章摘要.......79
4电力机车牵引传动系统调制策略.......81
4.1低开关频率下的基本脉宽调制策略.......81
4.2非优化脉宽调制——中间60°调制策略.......85
4.3脉宽调制系统的优化.......100
4.4全速范围内的调制策略.......112
4.5本章摘要.......122
5该控制策略适用于国内大功率电力机车.......125
5.1国内大功率电力牵引机车技术要求.......125 [/BR/] 5.2基于机车速度的全速范围分段矢量控制.......128 [/BR/] 5.3大功率电力机车控制中的两个实际问题.......131[/比尔/] 5.4现场测试结果.......137 [/BR/] 5.5本章概述.......150！方面发挥了巨大作用。城市轨道交通包括地铁、轻轨、空中轨列车、有轨电车和低速磁悬浮列车。从交通量来看，地铁的交通量最高，一般达到每小时40，000至60，000名乘客。世界上第一条地铁于1863年在伦敦开通。20世纪70年代和80年代是各国地铁建设的高峰期。我国最早的地铁线路是1969年开通的公主坟至北京火车站的线路。此后，我国地铁建设进入了一个相对缓慢的发展时期。到2000年，全国运营线路总数将不超过100公里。进入21世纪后，我国城市轨道交通的发展进入了快速发展时期。2015年，线路总里程将达到1700公里，规划线路2400公里。就拿北京来说吧。到2012年底，地铁里程将达到440公里。根据该计划，到2015年，北京地铁线路将达到700公里或更长，届时有可能建成世界上最大的城市地铁网络。。
[3]
[4]
[5]
对于电力机车来说，牵引传动系统是整个系统控制的核心，其控制性能直接关系到电力机车的安全稳定运行。对于牵引电机，矢量控制是应用最广泛的高性能控制策略。从中国进口的各种新型交流传动机车或电动车组也普遍采用这种控制策略。但是，由于国外公司对核心技术的封锁和我国在该领域的研究起步较晚，电力机车牵引控制单元(TCU)的核心控制算法尚未完全本地化，因此仍有必要继续研究。
2.1矢量控制的基本原理和实现
在矢量控制中，为了实现磁链和转矩的解耦控制，获得快速的动态响应速度，必须满足以下条件:1)转子磁链的实际值等于指令值；2)同步旋转坐标系的D轴角等于转子磁链矢量的角度，即方向角的精度；3)电机的实际电流可以快速跟踪指令电流，无静态误差。关于病媒控制的任何研究实际上都是围绕上述三个方面进行的。基于此，电力机车牵引传动系统在非方波调制区域的矢量控制方案如图2-3所示。如前所述，电机电流对指令值的跟随是通过复矢量电流控制器实现的，控制器的原理和实现方法可参考参考文献[34、54、55、88]中的相应内容。对这一内容的研究已经相对成熟，本文不再赘述。
[8]
结论
本文主要研究交流传动电力机车牵引电机全速范围的控制策略。与传统的低功率传动系统相比，电力机车牵引传动系统具有一些特殊的点，如高电压、大电流、大功率，机车所需的起动牵引力远大于额定频点牵引，开关频率极低等。这使得大功率电力机车牵引电机的控制明显不同于小功率系统。本文的研究内容主要包括电力机车全速范围方波下的矢量控制策略、电力机车牵引逆变器低开关频率下的调制策略等。获得了以下结果:
(1)详细分析了矢量控制下磁场定向误差对控制性能的影响，得出磁场定向角误差不能超过90°的结论。电机各变量的变化规律，包括D、Q轴电压、D、Q轴观测磁链、磁链幅值、实际输出转矩等。从理论上详细推导了估算的转子时间常数误差和负载，并从参考值和实际值随角度误差变化的灵敏度和一致性，以及其他电机参数变化的影响等方面进行了综合对比分析。在此基础上，选择基于Q轴磁链的MRAS磁场定向角实时校正策略，保证矢量控制中最关键磁场定向角的精度。
(2)在高速方波条件下，提出了一种改进的矢量控制策略。通过取消电流控制器和D轴磁链闭环控制器，保证了方波下矢量控制的连续应用。在改进的矢量控制策略中，采用了基于改进电压控制器的磁链补偿策略。一方面保证电机以不同的速度和转矩在方波工况下运行，同时优化利用电机的电压和电流限制条件，保证在弱磁区的全速范围内输出最大转矩；
(3)根据方波下电流开环控制的特点，分析了改进矢量控制策略中磁场定向误差与电机电流指令值与实际值偏差之间的关系，提出了一种基于Q轴电流误差的磁场定向角误差实时校正策略，保证了电机转矩在方波下仍能得到高性能的控制。
(4)从理论上详细分析了适用于低载波比的两种调制策略即中间60调制和SHEPWM的电压谐波性能，以及两种调制方式在异步电机负载下调制指数引起的电流谐波和转矩脉动幅度的变化，从而可以更客观地对两种调制方式进行综合比较和评价。结果表明，当闭合角不小于3°时，shePWM的谐波特性占主导地位，但当闭合角小于3°时，SHEPWM的谐波性能比非优化PWM更差。
参考
[1]冯小云。电力牵引交流传动及其控制系统。北京:高等教育出版社，2009。
[2]宋雷明。[动车组传动与控制。北京:中国铁路出版社，2007。
[3]中国高速铁路的规划与实施[。中国的发明和专利。2011(8)。
[4]陈蓓。[国外城市轨道交通发展规模研究。北京交通大学，2010。
[5]张曙光。HXD2电力机车[公司]。北京:中国铁路出版社，2009。
[6J夏胜利，杨浩，张金川等。中国重载铁路发展模式研究[J]。铁路运输和经济。2011年(9):9-13。
[7]张曙光。HXD1电力机车[公司]。北京:中国铁路出版社，2009。
[8]李丹，王明，王晓等。中国重载铁路文献发展[。中国铁路新闻。
[9]张治中。中国铁路机车史[。济南:山东教育出版社，2007。
[10]唐涛。自主研发是解决中国高速铁路发展的根本途径[。《经济研究参考》，2011 (61): 74-74