高铁HSR调速系统分析

燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告燕山大学《交流传动调速系统》方案设计报告项目名称：高铁HSR调速系统分析组别：应电2班2组成员：孙春禄、孟令军、王棋、肖宇、修圣虎、张宸玮、朱弘毅指导教师：肖莹完成日期：2016年9月25日燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告2项目分工及评分项目名称高铁HSR调速系统分析指导教师肖莹项目实施时间2016年秋季学期第5-6周小组成员学号任务分工孙春禄130103030072资料搜集与讨论、总体系统方案设计、项目研究报告撰写、方案讨论主讲孟令军130103030078资料搜集与讨论、总体系统方案设计、汇报PPT制作王棋130103030067资料搜与集讨论、总体系统方案设计、汇报PPT制作肖宇130103030058资料搜集与讨论、参与总体系统方案设计、汇报PPT制作修圣虎130103030065资料搜集与讨论、参与总体系统方案设计、报告协助编写张宸玮130103030090资料搜集与讨论、参与总体系统方案设计、报告协助编写朱弘毅130103030056资料搜集与讨论、参与总体系统方案设计、报告协助编写燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告3摘要本课程研究的项目为《高铁HSR调速系统分析》，基于项目要求，本文介绍了动车组牵引传动系统的发展、组成及控制策略，重点分析了转差频率控制、磁场定向控制和直接转矩控制三种控制策略，详细列出各种控制策略的特点。对调速系统中电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术以及基于转子磁场定向的矢量控制这两种关键技术进行了详细的讨论与分析，对高铁HSR调速系统有了一个较为全面的认知与了解。关键词：牵引传动系统、SVPWM、矢量控制燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告4目录第一章绪论..............................................51.1引言..............................................51.2动车组牵引技术的发展...............................51.2.1电力电子器件的发展............................51.2.2交流传动的发展................................61.3动车组牵引传动系统概述.............................71.3.1动车组传动系统组成............................71.3.2动车组牵引传动系统控制策略....................8第二章调速系统关键技术讨论.............................102.1电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术...................102.1.1两电平逆变器主电路...........................102.1.2三电平逆变器主电路...........................122.2牵引电机矢量控制系统..............................132.2.1交流异步电动机的多变量非线性数学模型.........132.2.2基于转子磁场定向的矢量控制系统实现...........17第三章总结与分析.......................................18燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告5第一章绪论1.1引言高速铁路提供了一种新型的快速、便捷、安全、舒适的运输方式，作为一项现代化综合技术，它反映了国家的技术发展水平，其对经济发展及社会进步的推动作用得到了世界各国的公认。世界上最早的高速列车为日本1964年开通的新干线列车，最高时速443公里，运营速度可达每小时270公里或300公里。半个世纪以来，高速铁路以其客运量大、能耗低、污染小、安全可靠、效益高等特点受到越来越多国家的青睐，许多国家相继修建高速铁路，全球已投入运营约1.4万公里，列车运行速度也一再提高。到目前为止，开通高速列车的国家有中、日、法、德、意、英、俄、瑞典等国，各国为该技术的发展做出了巨大贡献。20世纪70年代，交流传动技术开始用于列车牵引传动，后经测试运行，证实了交流传动机车的一系列优点，如牵引性能良好、动态性能和黏着利用好、单位质量体积的牵引功率大以及维修量小等优势，从而引发了铁道科学研究者研究三相交流机车的热潮，而后由西门子、阿尔斯通、庞巴迪、GE公司、日立、川崎重等知名企业研发的多种型号的三相交流机车相机在众多国家的铁道线上运行。随着功率半导体器件和变流技术的进步，以及大功率牵引电机日益完善的控制方法和控制装置，现代高速铁路运输系统中的动车组列车，无一例外地都采用了交直交的传动技术。目前我国投入运营的高速列车是由南车集团和北车集团与国外大型企业合作，通过引进技术消化吸收，国产化了的新一代大功率交流传动和谐号动车组。这些高速动车组融合并突破了世界各国最先进的交流传动技术，成为我们高速动车组和皆号系列品牌列车。1.2动车组牵引技术的发展自1825年英国修建了世界上第一条铁路以来,铁路运输便成为世界各国交通运输的骨干力量,对国民经济的发展做出了重要贡献。而随着科技的不断发展,由电气化的高速列车牵引传动技术也得到了高速的发展,电力电子器件的大力发展,以及控制策略的不断完善都为列车牵引传动技术的发展提供了坚实的物质基础和技术保证。1.2.1电力电子器件的发展电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史,但由于它对于国民经济有着明显的推动作用,受到国内外的普遍重视,因而发展相当迅速,以致目前所用的技术,无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和系统性能等方面均与早期有明显差别。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用,电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1974年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现以后,由于其优越的电气性能和控制性能,使之很快获得广泛的应用。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件,属于半控型器件,对晶闸管的控制方式主要是相位控制方式。晶闸管的关断通常依靠关断外电压来实现,这就使得晶闸管的应用受到局限。燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告670年代后期,以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(PowerMOSFET)为代表的全控型器件迅速的发展。全控型器件的特点是可以通过对门极的控制既能使晶体管开通也能使晶体管关断,且开关频率比半控型晶闸管要高,这些优越的特性使电力电子技术发展到一个新的阶段。80年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。工是MOSFET和BJT的复合,它把MOSFET驱动功率小、开关速度快等优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身,使之成为现代电力电子技术的主导器件。90年代,电力电子器件又在向模块化、智能化方向发展,力求将电子器件和驱动电路、保护电路等集成在一个模块里,使装置小型化和智能化,其典型器件是IPM。而IGCT工即具有IGBT的开关特性,又具有GTO的导通特性,且制造成本低,今后将会在更多的工业领域中发挥作用。1.2.2交流传动的发展近几年来,科学技术尤其是电力电子技术的迅速发展,为交流传动技术的发展提供了极为有利的条件。从动车组的发展过程来看,动车组的传动方式主要包括交-直、交-直-交和交-交三种传动方式。交-直传动系统是指机车或动车组采用交流供电而采用直流电动机驱动动车组运行的传动系统。交流传动系统是指由各种变流器供电的异步电机或同步电机作为动力的机车或动车组传动的系统,主要有直接式变流交-交变流和带有中间环节的间接式变流交-直-交变流两大类。早期的电力牵引传动系统均采用交直传动,用直流电动机驱动。但由于直流电动机的单位功率质量较大,直流牵引电动机一般不超过500KW,由于高速列车既要大功率驱动又要求减轻轴重,特别是减轻簧下部分质量,从而形成了难以克服的矛盾。到了20世纪80年代末90年代初,高速列车开始使用交流电机驱动,并存在两种不同的路线,即交流同步电机和交流异步电机。同步牵引电机结构上虽然比直流牵引电动机简单,但它仍有滑环及电枢绕组。而异步电动机中的鼠笼型感应电机转子用硅钢片叠压,用裸铜条作为导体,无滑环等磨耗装置,结构简单、可靠、体积小、质量轻、可实现电机免维修。由于逆变器技术和交流电机控制技术的进步为采用异步牵引电机驱动提供了条件,因此交-直-交传动成为高速列车牵引传动系统发展的主流。随着新型大功率半导体器件的出现,高速列车牵引变流器开始采用IGBT或IPM器件,进一步改善了交流传动系统的性能。采用交-直-交传动技术时,整个变流过程为把弓网获得的单相交流电整流成直流电,再由逆变器把直流电转换成三相交流电输入异步牵引电机,这套变流技术,尤其是交流牵引电机的控制技术,是高速列车牵引传动技术的核心,其中句括了项主要技术一是电力电子器件,它是牵引变流器的关键元件,目前高速动车组牵引传动系统大量的采用工元件和模块。二是牵引变流器电路的性能,它是随着电力电子器件的发展而发展的,其设计重点已经转向牵引效率谐波含量,电磁干扰网端功率因素等方面。三是传动系统的控制技术,该技术分为整流器控制和逆变器控制两部分,这两部分的控制技术也随着电机控制技术的成熟而得到了迅速的发展。从列车牵引传动技术发展的趋势来看,未来动车组牵引传动系统将主要采用交-直-交型传动系统,其原因一方面是由于功率半导体和变流技术的进步另一方面取决于日益完善的控制方法和控制装置。后者能够使整个牵引传动系统具备不燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告7同的性能以满足不同应用场合的要求。交流传动系统有以下优点：（1）有良好的牵引性能。大功率电机控制技术的发展和完善使得高速列车牵引性能大大提高,从调速范围到响应速度,交流传动系统发挥了巨大的作用；（2）电网功率因素高,谐波干扰小。技术的发展使得电网输入功率因素尽可能的接近1,而电流的波形也得到极大的改善,谐波含量大幅度减小,对电网的污染也大大降低；（3）单位质量体积的牵引功率大。异步电机功率大,质量轻,体积小,转速可达或更高,为整个传动系统减少了成本；（4）动态性能和黏着利用好。由于交流异步电机机械特性较硬,其防空转的性能较好,不仅能使系统稳态精度高,还能获得较高的动态性能。1.3动车组牵引传动系统概述动车组牵引传动系统的功能就是将电能转换成机械能来驱动列车运行,同时在列车制动时将机械能转换成电能回馈到电网。列车牵引传动长期以来都是采用交-直传动系统,牵引电机为直流电机,近30年来,由于电力电子技术尤其是大功率变流技术的发展,以及电机控制技术的完善,使三相交流电机在高速列车牵引传动系统中的运用得到了广泛的应用和迅速的发展。1.3.1动车组传动系统组成动车组牵引传动系统由高压电器设备、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机组成。受电弓从接触网接收25KV单相交流电并输送到牵引变压器,经过牵引变压器变压后得到1500V的单相交流电并输入到脉冲整流器,脉冲整流器将单相交流电整流成3000V左右的直流电压输入牵引逆变器,逆变器再输出频率可控的三相交流电供给三相异步牵引电机,牵引电机将电能转化成机械能驱动列车。牵引传动系统组成如图1-1所示。图1-1牵引传动系统简图高压电器设备用于完成从接触网到牵引变压器的接通与断开功能。主要包括受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。高压电器设备完成供电系统的接入与断开控制、网侧电流检测、保护等功能,其中受电弓最为关键,它负责完成列车运行过程中的高速受流,并需要确保受流质量。牵引变压器用于把从接触网接收的电压降压之后送入牵引变流器和牵引电机,因为牵引变流器及牵引电机的工作电压不需要25KV那么高,所以必须把接触燕山大学电气工程学院CDIO课程项目研究报告8网的电压经比例减小到合适的幅值