无速度传感器矢量系统在车辆上的应用

时间:2018-12-22 07:39:55 来源:猇亭新闻网 作者:匿名
  

介绍

随着人们对地铁列车舒适性的要求越来越高,作为地铁列车核心的牵引系统必须具有越来越高的动态调速性能。广州地铁3号线是中国第一条快速(120公里/小时)地铁线路。其列车的优良牵引性能已经受到乘客的欢迎,已有半年多的时间。稳定可靠的牵引系统减少了车辆维护。工作量。本文详细介绍了车辆用SITRAC牵引力控制系统的控制结构和算法,并基于该系统在广州地铁3号线列车上的实际应用,证明了无速度传感器控制系统的可靠性和稳定性。

1无速度传感器矢量控制的基本原理

所谓的无速度传感器变频调速系统取消了变压变频调速系统的速度检测装置。间接计算方法用于获取列车运行中牵引电动机的实际速度值作为速度的反馈信号。我们将这种计算速度实际值的模型称为速度估计器。其基本组成原理是:在电机定子侧配有电压传感器和电流传感器,用于检测三相电压uA,uB,uC和三相电流iA,iB,iC。根据3/2变换(三相轴系统向矢量控制中的两相轴系统的变换),两相电压usα,usβ和两相电流为α,是静止轴系统中的β ,由定子静止轴系统(α-β)两相电压和电流可以估计定子磁链和估计电机的实际速度。速度估算器的结构如图1所示。

由于速度估计器受转子参数的影响,基于转子磁链的转速估算器也需要考虑转子参数的变化。此外,速度估算器的实用性取决于其准确性和速度。随着计算机计算性能和计算速度的不断提高,现代矢量控制方法能够以极高的精度高精度地控制感应装置中的磁通量和转矩。同时,为了抑制高频机械振动,优化牵引系统部件的电磁噪声并获得尽可能低的可预测谐波电流,必须使用经过校准和优化的IGBT控制脉冲。 SITRAC是西门子的新型牵引力控制系统,不仅满足了这一前沿要求,更重要的是,它实现了无速度传感器控制。这种新的控制功能降低了驱动器的复杂性并增强了系统的可靠性。 SITRAC的控制功能是:1)无速度传感器操作增强了系统可靠性;

2)高动态设定点有效地减弱了电气和机械影响;

3)高扰动力:通过抵抗由轨道和动力系统引起的干扰来增强牵引系统的稳定性;

4)高级优化脉冲模式:更高的转换利用率限制了对电力系统和机械的响应;

5)脉冲模式下的连续交叉:高转换利用率,连续无冲击操作;

6)自动调整,自动参数识别,自动牵引系统自检:简化调试,改进诊断和维护;

7)高级编程语言“Ansi-C”:独立硬件;

8)集成的软件仿真,短的开发时间和完善的软件设计提高了软件的质量。

2系统控制结构

图2是SITRAC无速度传感器控制系统的框图。该控制模型说明了一个完整的逆变器模型,其中定子模型和磁通空间矢量用于计算电流控制器的机械设备模型。电机模型的输入只是定子电压空间矢量和估算的速度和机械参数也是估算值。在该系统中,不测量电动机电压,而是通过逆变器门控信号,DC电压测量,电动机电流和相关的IGBT参数重建电动机电压。通过将当前空间矢量测量值与模型定子电流空间矢量进行比较来估计电动机速度。

3无速度传感器牵引系统速度估算策略

在没有速度传感器的牵引系统中,必须建立感应装置的精确模型以识别速度。该模型依赖于计算的定子电压和估计的电动机参数来估计电动机磁通和定子电流空间矢量。由于必须通过相关模块准确描述该电机模型,因此必须根据定子绕组和转子绕组的饱和度和温度变化来调整该电机的模型参数。在稳态的情况下,定子电流空间矢量测量和估计之间的差异可以独立地用于估计电动机的参数。当定子频率接近零时,只能估计理论上稳定的速度。实际上,模型参数与实际系统之间的差异是不可避免的,并且有必要设置最小定子频率fsmin用于速度估计。为了最小化定子频率fsmin,电机模型和实际电机(见图3)之间的定子阻抗和定子电压差必须尽可能小。在低频情况下,基本定子电压空间矢量的幅度相对较小,因此定子阻抗或逆变管结构的误差对速度估计有很大影响。逆变器的特性可以通过各种离线测量来确定。必须在线确定定子阻抗作为低频的次级侧模型参数。由于转子阻抗随定子绕组温度而变化,为了估算速度,必须在线精确测量定子绕组参数。

在每个停止点(零速度),通过短期测量识别定子和转子阻抗,这使得可以使用精确的电动机参数启动列车。

无速度传感器牵引力控制的严重操作条件是所谓的快速启动,即不知道驱动的实际电动机速度的启动操作,并且SITRAC系统可以处理这种严重的操作。

应该注意的是,估计的速度仅在牵引逆变器工作时有效,例如当逆变器未被阻挡时。因此,必须在列车上安装至少2个速度传感器,主要用于零速检测(门释放功能),后滑保护和驾驶员速度信息。这种额外的速度测量可确保在任何牵引逆变器堵塞时,以下车辆具有高度冗余和可靠性。

4没有速度传感器系统在低频下运行

无速度传感器牵引系统也可以低速和列车反向模式运行。在该工作点,逆变器输出频率超过“0”值,并且控制模式难以识别感应电动机中的磁通量的方向。图5表明SITRAC能够应对这种恶劣的工作条件。:列车在2 s处在渐变轨道上反转。通过施加合适的前向牵引力,车辆停止并且牵引力矩在过零点处被调节。在没有不稳定的磁通定向的情况下将频率保持在零,计算的速度等于测量的速度。

5动态表现

下面使用SITRAC牵引力控制系统的出色动态性能处理典型测量。图6示出了在转矩参考步骤的情况下SITRAC的转矩控制质量(小步骤: 15%正常转矩;较大步长: 100%正常转矩);此外,它还说明了直流母线电压随着快速变化,SITRAC还能够精确控制扭矩,这是铁路应用中运行应用的基本特征。6系统的实际操作

到目前为止,广州地铁3号线车辆牵引系统在9个月的运行中有三个故障,如下所述。:

1)第一个故障是模拟/数字转换器故障,导致逆变器不工作。

2)第二个故障是逆变器不工作,整列火车没有被拖走。广州地铁3号线每列有两个电机速度传感器(A和C各一个)。该信号作为参考速度提供给ICU(逆变器控制单元)。在正常情况下,如果A车的变频器控制单元不能再运行,则电机速度传感器的相关信号也会丢失,因此应使用其他速度传感器(来自C车)。但是,在发生故障时安装在列车上的列车控制单元(VCU)软件不执行上述功能。后来通过修改VCU软件解决了这个问题。

3)第三个故障是由速度传感器故障引起的。上述第二点中描述的VCU功能也在故障期间执行,但错误的参考速度是由先前维护中输入的错误的车轮直径值引起的。最终导致空转。

根据上述分析,目前发生的几个故障是由其他原因引起的。 SITRAC无速度传感器牵引力控制系统本身没有出现故障,运行稳定。目前,120 km/h运行试验的第一阶段已经完成并运行良好。

7结论

基于磁场定向控制理论,开发了无速度传感器的矢量控制方法。为了实现精确的磁场定向矢量控制,需要在异步电动机中安装磁通检测装置。在异步电动机中难以安装磁通检测装置。的。然而,我们已经看到,即使磁通量检测装置没有直接安装在异步电动机中,也可以在逆变器内部获得与磁通量相对应的量,因此可以获得没有速度传感器的矢量控制方法。在广州地铁3号线列车的实际应用中,无速度传感器牵引系统完全解决了电机参数动态变化和倒退等诸多问题。上述分析和操作实践表明,SITRAC牵引力控制系统可以很好地满足地铁列车牵引力控制的需求。摘录自:中国计量与测量网络

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