交流牵引传动控制策略综述

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1、交流牵引传动控制策略综述摘要：对交流牵引传动系统的三种主要控制策略转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制策略进行了较为全面的综述与比较，展望了交流牵引传动系统控制策略的发展趋势。关键词：牵引传动系统控制策略综述交流传动系统的性能很大程度上取决于所用的控制策略。由于半导体变流器承受过电流的能力小，所以在正常运行时，控制策略必须保证电动机尽可能工作在高效的区域中。交流传动系统的控制策略有很多种，其中具有代表性的有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、智能控制等。这些策略各有优缺点，在实际应用中如能全面了解，适当选择，就能实现最佳控制效果。本文正是基于此目的，对交流

2、牵引传动的各种控制策略进行全面的综述与比较，力图反映交流传动在控制策略方面的最新研究进展。1、转差频率控制1.1控制原理对交流调速系统的研究发现，如能像控制直流电动机那样，用直接控制电枢电流的方法控制异步电动机的转矩，那么就可用异步电机来得到与直流电机同样的静动态特性。而转差频率控制就是这样一种直接控制转矩的方法。从式(2)可知，当转差频率fs较小时，如E/f二常数,则电动机的转矩基本上与fs成正比。异步电动机的这个特性意味着，在进行E/f控制的基础上，只要对电动机的转差频率fs进行控制，就可达到控制电动机输出转矩的目的。另一方面，对于异步电动机来说，其定子电

3、压频率f、电动机的实际转速nn作为同步转速时的电源频率fn以及转差频率fs三者之间满足关系：f=fn+fs(3)所以，在进行E/f控制的基础上，只要知道了异步电动机的实际转速rm对应的电源频率fn,并根据希望得到的转矩(对应于某一转差频率fsO),按照式(2)调节变流器的输出频率f,就可以使电动机具有某一所需的转差频率fO,即给出所需的输出转矩。这就是转差频率控制的基本原理。1.2主要特点转差频率控制策略需要保持磁通恒定，同时加强了对磁场的控制，有利于系统响应的快速和稳定性。但是在实际应用中，温度变化、磁饱和等引起的电机参数变化都将导致气隙磁通的变化，磁通不可

4、能保持恒定。因此，该控制策略虽然能够在一定程度上控制电机转矩，但并不能真正控制动态过程中的转矩，动态控制性能并不理想。2、矢量控制针对转差频率控制的弱点，20世纪70年代初，美国和德国学者各自提出了基于异步电机真实动态模型的矢量控制策略。矢量控制(VectorControl),又称为磁场定向控制(Field-OrientedControl),它的诞生使交流调速技术在精细化方面大大迈进了一步。2.1基本控制原理将异步电动机在三相坐标系下的定子电流la、lb、Ic、通过3/2相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ial、Ibl,再以转子磁链这一旋转空间矢量为参考

5、坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量：一个与磁链同方向，代表励磁电流分量，另一个与磁链方向正交，代表与转矩成正比的电枢电流分量。我们可以模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量。然后经过2/3变换，实现对异步电动机的正交或解耦控制。2.2基本特点矢量控制理论上可以得到与直流电动机相同的控制性能，具有以下优点：(1)不需抑制电流变化率，可以获得1000rad/s快速响应；(2)磁场控制范围(恒功率范围)广，调速范围广；(3)能胜任列车频繁的急加减速运转和连续四象限运转。矢量控制策略从理论上使交流牵引传动系统的动态特性得到了显著改善，但实现这种控制策略

6、需要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控制效果打了折扣。此外,由于电机的某些参数具有一定时变性，尤其是转子时间常数，会随温度和激磁电感的饱和而变化。矢量控制对这些参数变化的很敏感，从而使得实际控制效果难以达到理论分析的预期效果。即使精确知道电机参数与转子磁链被，也基于电机稳态才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，对于采用普通PI调节器的矢量控制，系统参数变化及各种不确定性因素会严重其影响性能。在参数匹配良好的条件下系统或许能取得较好的性能，但一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，性能则会变差

7、。3、直接转矩控制针对矢量控制存在的不足，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制策略。直接转矩控制，简称DSC(DirectSelf-Control)或DTC(DirectTorqueControl),是继矢量控制技术之后的又一种新型的具有高性能的交流调速技术。3.1控制原理其中，R1为电机定子电阻；VI为电机端电压；Ml为定子磁链；II为电机定子电流。由式(4)(5)可知，T是II、Rl.VI的函数，只要已知R1的在线数值，控制VI、II就能达到直接控制电磁力矩的目的。由此可见，直接转矩控制不同于矢量控制，它不去考虑如何通过解耦，将

8、定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分