基于定子磁链轨迹跟踪的优化PWM高性能闭环控制

在低开关频率下采用优化脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)可获得较小的谐波畸变,但将其直接应用于高性能闭环控制系统时会引起PWM波形紊乱和系统过流.给出了一组离线求解得到的特定谐波消除脉宽调制(selected harmonic eliminated pulse width modulation,SHEPWM)开关角,分析了将优化PWM应用于高性能闭环控制系统会造成系统过流的原因.深入研究了基于定子磁链轨迹跟踪的优化PWM闭环控制方案,给出了一种结合SHEPWM特点的脉冲实时修正策略,实现了采用优化PWM的磁链轨迹跟踪高性能控制.通过三电平逆变器异步电机驱动系统的仿真实验验证了该策略的有效性.结果表明,驱动系统在200～300 Hz的低开关频率下获得了较小的电流谐波畸变,同时具有快速动态响应能力.

轨道交通异步牵引电机低开关频率下定子磁链轨迹跟踪控制研究

功率器件的低开关频率导致轨道交通牵引系统在全速范围内不能实现圆形定子磁链轨迹控制。直接自控制(DSC)广泛应用于轨道交通牵引传动控制,其定子磁链轨迹为六边形或十八边形,但随着逆变器最大输出电压越来越接近电机额定电压,未能实现对转矩的有效控制,产生较大的电流冲击和转矩脉动,影响系统控制性能。为解决此问题,本文基于优化脉宽调制策略,以异步牵引电机为控制对象将定子磁链轨迹跟踪控制算法应用于高速区,与应用于中低速区的DSC控制算法进行无缝切换,实现全速范围内的平滑过渡。仿真及实验证明了所提算法的正确性和可行性。

基于定子磁链轨迹跟踪控制的优化脉宽调制方法研究

大功率牵引传动系统常用的脉宽调制方法为混合脉宽调制,即在低频段采用规则采样异步调制,中频段采用同步优化脉宽调制,基频以上采用方波控制。本文针对SHEPWM优化脉宽调制方法,说明了其原理,并对其开关角的计算方法进行了分析,针对其离线计算的开关角只适用于稳态运行的情况,本文采用定子磁链轨迹跟踪的控制方法,通过优化开关变化时刻消除电流误差,使之适用于动态运行工况。

异步电机低开关频率的模型预测磁链轨迹跟踪控制

提出一种采用优化脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的模型预测磁链轨迹跟踪控制方法,不需要实时估计定子磁链和电压的基波分量,实现了异步电机低开关频率下的优化PWM高性能闭环控制。通过将控制问题构造为一个带边界线性约束的二次目标函数型最优化问题,即二次规划(quadratic programming,QP)问题,采用有效集法实现其数值求解,将模型预测滚动优化策略结合到磁链轨迹跟踪控制器,在尽可能小地修正优化PWM开关角的同时消除跟踪磁链偏差,实现基于优化PWM的磁链轨迹跟踪控制。所提出的新型闭环控制系统在低开关频率下基于优化PWM获得较小的谐波畸变,同时通过磁链轨迹跟踪获得快速的动态响应。针对4k W小功率和1.6MW大功率的异步电机驱动系统的仿真结果表明,两组驱动系统获得的动静态性能相一致,充分验证了所提控制方案的有效性。

基于优化PWM的牵引电机磁链轨迹跟踪矢量控制

在电动机车牵引领域,IGBT的开关频率小于1k Hz,考虑功率模块的损耗和散热能力,通常采取异步→分段同步→方波的多模式SVPWM。本文基于设计的优化同步PWM算法,提出一种改进型定子磁链轨迹跟踪矢量控制,通过分析计算优化开关角与定子磁链轨迹间的数学关系,以保持定子磁链幅值恒定作为切换控制准则,简化了切换过程的脉冲生成方式,并同时实现电流谐波畸变率(THD)最小和PWM算法无冲击切换。最后通过Matlab/Simulink对本文控制算法进行了计算机仿真验证。

基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法研究

针对牵引电机存在的高转矩脉动问题,研究了基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法:设备层获取物理实体牵引电机运行数据后,经通信接口将数据传输至数据层存储;软件层调用数据层中的数据,采用Unity 3D软件完成牵引电机由物理实体到虚拟的数字孪生,构建牵引电机虚拟机三维模型,并通过显示层虚拟仿真平台展示虚拟模型及相关数据,操控者从虚拟仿真平台观察、分析虚拟模型及相关数据后,利用连续型定子磁链轨迹的控制方法,在牵引电机转速增加的情况下,通过连续转换定子磁链轨迹来降低牵引电机的转矩脉动,完成牵引电机的低转矩脉动虚拟控制。试验结果表明:构建的牵引电机虚拟机模型与物理机实体结构相同,仿真度较高,可利用以虚控实,降低牵引电机的转矩脉动,消除转矩失控的情况,保障牵引电机的安全运行。

一种中高速区转矩优化的异步电机直接转矩控制算法

提出一种在异步电机基速内转矩性能优化的直接转矩控制(direct torque control,DTC)算法。该算法在中高速段采用连续定子磁链轨迹切换技术实现了各段定子磁链轨迹平滑切换。随着电机转子速度的升高,定子磁链轨迹依次从圆形、多边形及六边形连续与平滑地切换,算法具有电机转矩脉动小,电机转矩平稳等特点;在高速区段,给出一种非零电压矢量提前注入的控制方案,实现了减小转矩向下脉动,因此有效提高了转矩平均值与转矩平稳性。该DTC算法仅需在传统DTC结构中增加调节定子磁链和调节电压矢量作用时刻算法,既保留了传统DTC算法快速动态响应,以及对电机转子参数不敏感等特征,又确保控制系统较低的计算量要求。理论分析和实验结果都证明了该DTC算法的有效性和可行性。

低开关频率下基于直接自控制的谐波抑制方法

提出一种双折角调制三十边形磁链轨迹直接自控制方法,它通过增加折角以及选择合适的定子磁链轨迹,减小定子电流和磁链的主要低次谐波。理论和实验结果表明,相比较于传统十八边形磁链轨迹直接转矩控制,所提出的控制方法保持经典直接自控制简洁优点的同时,它使得该方式下的定子电流和磁链的谐波含量进一步减小,控制性能得以改善。

一种SiC牵引逆变器高频-低频混合型多模式PWM调制方法

为提升牵引系统效率、改善电机温升和噪声性能,文章从逆变器开关频率优化、调制策略选择、电机控制算法适配等多个维度开展高频SiC牵引逆变系统控制方法的研究,提出了一种适用于SiC牵引逆变器的高频-低频混合型多模式PWM调制方法。其在30%额定转速以下的中低速段,充分利用SiC的高频特性,并基于系统损耗优化原则对逆变器额定开关频率进行优化设计;在30%额定转速及以上的中高速段,采取优化调制,实现电机电流的谐波抑制,使电机电压利用率达到97%;另外,为了适配新型PWM控制方法,提出了一种牵引电机多模态定子磁链轨迹闭环控制方法。最后,对所提出的PWM调制方法与传统低频PWM调制方法进行了对比研究,结果显示,采用所提算法,电机电流总谐波失真率(THD)最大降低了9.31%,牵引系统整体损耗最大降低10.2%,电机温升最高降低31 K,最大电机运行噪声抑制可达10 dB,证明了所提PWM调制方法的有效性。