无速度传感器控制矿用电力机车牵引变频调速器

本文基于异步电机的定子磁场定向控制模型， 开发研究并实现了无速度传感器控制矿用电力机车
定稿日期： ２００５－ １２－ ２０ 作者简介： 姜孝华（ １９６３－ ） ， 男， 博士， 教授， 研究方向为
电力电子与控制技术， 信号检测与处理。
牵引变频调速器，用于煤矿 １０ 吨架线式矿用电机车
控制。由于采用异步交流变频调速牵引代替原来普
遍使用的调阻电机车和直流斩波电机车，提高了生
产效率，大大减小了能耗，降低了机车维修及损耗材
料的费用。变频器采用 Ｍ１６ 系列单片机控制，包括
闭环磁链电流调节器 ＡＦＲ， 转速估计器和闭环速度
调节器 ＡＳＲ。额定输出功率为 ９０ｋＷ，过载能力强，
１３０ｋＷ 连续运行 ６０ 秒。
２ 感应电机定子磁场定向控制模型
感应电机无速度传感器定子磁场定向控制系统 采用三菱公司 Ｍ１６ 系列和 ＰＨＩＬＩＰ 公司 ５１ 系列ＭＣＵ 实现。Ｍ１６ 单片机具有 １６／３２ 位运算功能，最快指令 周期为 １００ｎｓ，具有 ８０ 路 Ｉ／Ｏ 口，４Ｋ Ｂｙｔｅｓ 内部ＲＡＭ 和 １９２Ｋ Ｂｙｔｅｓ ＲＯＭ，８ 路 １０ 位 Ａ／Ｄ 通道及 ６ 路ＰＷＭ 控制通道。驱动电路采用西门康 ＳＫＨ２３／１２，其输出 驱 动 峰 值 电 流 达 ±８Ａ， 主 电 路 模 块 采 用 西 门 子 ＩＧＢＴ。研制的牵引变频器用于 １０ 吨以上电力机车， 交流变频牵引控制系统框图如图 ２ 所示。
无速度传感器控制矿用电力机车牵引变频调速器
运行结果表明，基于无速度传感器定子磁场定 向控制的交流牵引调速机车与直流牵引机车相比节 能 ２０％～３０％，大大减小了电机维修费用和元器件损 耗，输出力矩完全满足坡道上重载起动的要求。由于 速度传感器在高温、振动、电磁噪音环境下工作要求 可靠性很高，故障率高，因而采用无速度传感器控制 方案大大提高了系统可靠性。
第 ４０ 卷第 ３ 期 ２００６ 年 ６ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４０， Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ， ２００６
无速度传感器控制矿用电力机车牵引变频调速器
姜孝华 １， 金 济 １， 王 湘 ２， 王传东 ２
（１． 中山大学，广东 广州 ５１０２７５；２． 湖南牵引电气有限公司，湖南 长沙 ４１７００１）
ＪＩＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｕａ１，ＪＩＮ Ｊｉ１，ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇ２，ＷＡＮＧ Ｃｈｕａｎ－ｄｏｎｇ２
（１．Ｓｕｎ Ｙａｔ－ｓｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｒｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１７００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｓｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｅｌｆ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ＩＧＢＴ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ Ｍ３０６２０ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ９０ｋＷ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅａｄ ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｐｅｅｄ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ，ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｌｕｘ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ １０ｔｏｎｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｗｉｔｈ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｒｉｖｅ；ｔｒａｃｔｉｏｎ； ／ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ－ｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｒ１，ｒ２— ——定子和转子电阻 Ｌ１，Ｌ２— ——定子和转子自感
Ｔｒ—— —转子电磁时间常数，Ｔｒ＝Ｌ２ ／ｒ２
ｕｓ——定子电压矢量
Ｊ ｎ０
ｄ! ｄｔ
＝Ｔ－
ＴＬ＝
２ ３
ｎ０Ｉｍ［ｉｓ "ｓ＊］－ ＴＬ
（３）
式中 Ｌｍ—— —互感
Ｔ—— —输出电磁转矩
ＴＬ——负载转矩 ｎ０—— —同步转速
根据 Ｐａｒｋ 变换，将 ｕｓ，ｉｓ 和 "ｓ 按 ｄ 轴和 ｑ 轴分
必采用象转子磁场定向矢量控制那样的复杂控制方
电力机车的速度变化远慢于电机的响应速度，在磁 链补偿调节周期内，可将%! 看成常数，因而采用定子 转矩电流和磁链电流分量的滑差估计方法是可行 的。图 １ 示出控制系统原理框图。
图 １ 基于定子磁场定向控制的感应电机 无速度传感器控制系统原理框图
４ 实验结果和结论
图 ３ 以不同频率运行时的定子电流波形
图 ４ 定子电流波形的谐波分析直方图 （ 上接第 ６４ 页）
电流能够实时跟踪负载电流的变化。图 ５ 记录了负 载电阻从 １７! 突变为 １０! 时直流电压和电源电流 的瞬态波形。由图可见，直流电压经过短暂的跌落 后迅速调整回给定值；电流幅值在半个周期内调整 到阶跃后的幅值，整个动态过程持续约 ３ 个基波周 期，与第 ３ 节分析结果一致。
%１＊ ＝ｋ（ｐ %＊－ %! ）＋１／Ｔ（ｉ %＊－ %! ）ｄｔ %! — ——速度估计值
定子电压转矩分量包括定子电阻压降和转速电
波分析。输出频率为 ２Ｈｚ 情况下测得最大输出牵引 力为 １５．２５ｋＮ，输出频率为 ５Ｈｚ 情况下测得最大输
压降，转速由转速闭环调节器的输出得到。转差频率 出牵引力为 ２３．０２ｋＮ。实验结果表明，采用感应电机
牵引变频器以 ９０ｋＷ，１３５ｋＷ 过载运行 ６０ 秒。 直 流 侧 额 定 电 压 为 ２５０Ｖ ， 其 变 化 范 围 为 １５０ ～ ３５０Ｖ。机车采用两台电机驱动，由一台变频器控制， 额定牵引力为 １３．０５ｋＮ。采用型号为 ＹＱＰ２２－ ８ 的三 相异步交流牵引电机，额定功率 ２２ｋＷ，额定转速 ６０６ｒ／ｍｉｎ，额定电流 ７５Ａ，额定电压 １８０Ｖ，工作频率 ０～８０Ｈｚ，最大电流 ２１０Ａ。 图 ３ 示 出 输 出 频 率 为 ２０Ｈｚ，５Ｈｚ，２Ｈｚ 时的电流波形，图 ４ 示出输出电流谐
式中
%ｍ— ——磁链角速度，%ｍ＝
ｄ&"ｓ ｄｔ
＝"ｓ（ｄ ｕｓｑ－ ｒ１ｉｓｑ）
由式（７），式（８）可得：
（５） （６）
（７） （８） （９）源自ｄ"ｓｄ ｄｔ＝－
"ｓｄ
／Ｔｒ＋Ｌ１ｉｓｄ
／Ｔｒ＋$Ｌｓ
ｄｉｓｄ ｄｔ
－ $Ｌ（１ %ｍ－ %）ｉｓｑ
（１０）
稳态情况下，式（１０）变成：
"ｓｄ＝Ｌ１ｉｓｄ－ Ｔｒ$Ｌ（１ %ｍ－ %）ｉｓｑ
由式（１）～式（６）可得定子磁链控制模型：
ｄ"ｓｄ ｄｔ
＝ｒ１ｉｓｄ＋ｕｓｄ
#Ｌｓ
ｄｉｓｄ ｄｔ
＝－ ｉ（ｓｄ Ｌ１ ｒ２＋Ｌ２ ｒ１）／Ｌ２＋"ｓｄ ／Ｔｒ＋
$Ｌ１ｉ（ｓｑ %ｍ－ %）＋ｕｓｄ
$Ｌｓ
ｄｉｓｑ ｄｔ
＝－ ｉ（ｓｑ Ｌ１ ｒ２＋Ｌ２ ｒ１）／Ｌ２＋"ｓｄ %－
$Ｌ１ｉ（ｓｄ %ｍ－ %）＋ｕｓｑ
解：
ｕｓ＝（ｕｓｄ＋ｊｕｓｑ）ｅｊθψｓ
（４）
８３
第 ４０ 卷第 ３ 期 ２００６ 年 ６ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４０， Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ， ２００６
ｉｓ ＝（ｉｓｄ＋ｊｉｓｑ）ｅｊθψｓ
"ｓｄ＝"ｓｄｅｊθψｓ
式中 ｉｓｄ，ｉｓｑ—— —定子电流的转矩分量和励磁分量
摘要： 基于异步电机的定子磁场定向控制模型，研制了无速度传感器控制矿用电力机车牵引变频调速器，选用
高性价比的 Ｍ１６Ｃ 系列 ＭＣＵ 作为主控单元，采用 ＰＷＭ 死区补偿及速度和励磁电流闭环控制，输出电流谐波小，起动
力矩大，成功地用于煤矿 １０ 吨架线式矿用电机车的牵引控制。采用变频调速牵引代替了原来普遍使用的调阻电机
（１１）
由式（１１）可见，"ｓ 不仅仅取决于 ｉｓｄ，当转差不为
零时，还与 ｉｓｑ 有关，ｉｓｑ 起去磁作用［１］。
３ 基于定子磁场定向控制的感应电机
无速度传感器变频控制
由式（１０）、式（１１）知，定子转矩电流和励磁电流 分量相互作用，实现精确解耦控制较复杂。在很多 实际应用场合，往往更注重实际转矩控制效果［４］，不
定子磁链电流分量的控制和转差频率控制，无需安
装速度传感器。
通过改变定子电压直轴分量 ｕｓｄ＊ 可以控制定子
磁链电流分量 ｉｓｄ＊。控制方程为：
ｕｓｄ＊＝ｉｓｄ＊ｒ１－（Ｌ１＋Ｌ２）＋ｉｓｑ%１＊＋!ｕｓｄ
（１２）
! 式中 !ｕｓｄ＝ｋ（ｐ ｉｓｄ＊－ ｉｓｄ）＋１／Ｔｉ （ｉｓｄ＊－ ｉｓｄ）ｄｔ
图 ２ 交流变频牵引控制系统框图
基于定子电流 ｉｓ， 角速度 ! 和定子磁链 "ｓ， 感
应电机的空间模型可描述为［２，３］：
ｄ"ｓ ｄｔ
＝－ ｒ１ｉｓ＋ｕｓ
（１）
#Ｌｓ