机车车辆传动与控制作业参考答案(5-6章)

《机车车辆传动与控制》作业参考答案
（5-6章）
一、名词解释：
1.Band-Band控制：即滞环控制，用滞环比较器实现。

2.PI调节器：即比例积分调节器。

它克服了积分调节器动态响应慢的缺陷，利用了比例调节器动态响应
迅速的特点，将比例调节器和积分调节器结合起来，使得输出静态准确，动态响应迅速。

3.PWM控制：PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列
脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

二、简答题：
1.分析矢量控制的基本思想。

答：将三相异步电动机经3/2变换、2s/2r变换，变换到以转子磁场定向的M、T同步坐标系，并使M 轴定向在转子磁链ψ2方向，就可实现励磁电流i M和电流i T的独立控制，使非线性耦合系统解耦，将其等效成直流电动机模型。

然后仿照直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，既可以控制异步电动机。

这就是矢量定向控制的基本思想。

2.分析转子磁链的电压模型的基本工作原理及优缺点。

答：转子磁链电压模型是根据电压方程中电动势等于磁链变化率的关系，对电动机的电动势进行积分即可得到磁链。

经推导可以得出
式中 L m——α-β坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感
L1——α-β坐标系定子等效两绕组的自感 L2——α-β坐标系转子等效两绕组的自感
σ——漏磁系数，
由上式可知，磁链计算只需要实测的电压、电流信号，不需要转速信号，计算过程只与定子电阻r1有关，与转子电阻r2无关，定子电阻r1容易测取。

u1σ、u1β、i1σ、i1β很容易由测量得到的电动机定子三相电压、电流经过3／2变换得到。

电压模型受电动机参数变化的影响较小，算法简单便于应用。

但由于含有积分运算，积分的初始值和累计误差会对结果产生影响。

在低速时，定子电阻压降的变化较大，因此电压模型计算法在低速时测量精度可能不高，更适合于中、高速范围。

3.分析转子磁链的电流模型的基本工作原理及其特点。

答：转子磁链电流模型是根据定子电流和转子转速信号求得。

根据实测物理量的不同组合，可得到众多的转子磁链计算电流模型。

（1）在两相静止坐标系α-β上的转子磁链模型：
由实测的三相定子电流通过3/2变换，很容易得到两相静止坐标系上的电流i1σ和i1β，可以推导出转子磁链模型
由上式构成的转子磁链模型的运算框图，如图1所示。

图1两相静止坐标系中计算转子磁链的电流模型
建立在两相静止坐标系上的转子磁链模型适合于模拟控制，可通过运算放大器和乘法器来实现。

若采用计算机数字控制时，ψ2σ和ψ2β之间存在交叉反馈关系，计算时可能会发生不收敛现象。

（2）两相旋转坐标系M-T上的转子磁链模型：
在两相旋转坐标系M-T上，三相定子电流i A、i B、i C经3／2变换后，变成两相静止坐标系电流i1σ、i1β，然后经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M-T坐标系上的电流i M、i T，利用矢量控制方程式获得转子磁链ψ2和转差角频率ω2信号，通过ω2+ω=ω1获得定子频率，经积分计算出转子磁链的相位角φ2，即同步旋转变换的旋转相位角。

这种模型与前一种模型比较，它更适合于微机实时运算，计算收敛速度快，计算精度较高。

按转子磁链定向两相旋转坐标系上的电流模型如图2所示。

图2 按转子磁链定向两相坐标系上的电流模型
上述两种转子磁链电流模型的应用比较广泛，都需要实测的电流和转速信号，这些参数都受电动机参数变化的影响，如电动机温升、频率变化都会影响转子电阻r2，进而影响时间常数t2；磁饱和程度将影响电感L m和L2，也将影响t2。

这些影响都将导致磁链幅值和相位信号失真。

对于磁链闭环系统，反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型最大的不足之处。

尤其是当转子频率变化时，转子集肤效应将影响其电感L2和电阻r2朝着相反方向变化，转子频率升高，电阻r2增大、电感L2减小，t2变化较大。

4.分析直接转矩控制的基本思想及控制方法。

答：直接转矩控制系统分别控制异步电动机的转速和磁链。

采用转速双闭环控制，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号T em*，在T em*的后面设置了转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似解耦。

直接转矩控制系统组成如下图所示。

按定子磁链控制的直接转矩控制系统
直接转矩控制系统的转矩和磁链采用了两个独立的闭环比较系统，直接控制电动机的转矩和转矩增加率，使转矩的瞬态跟踪能力很强。

当系统给定的转矩发生变化时，电动机的输出转矩能够很快跟随，而磁链基本不受影响，仍按照原来规律变化。

实现了电动机转矩与磁链的动态解耦控制。

DTC系统的转矩和磁链控制器采用Band-Band控制。

5.DTC与VC控制在控制方法上有何异同？
答：相同点：DTC系统与VC系统，数学模型本质相同，都是转速（转矩）和磁链闭环控制，都能获得较高的静、动态性能。

不同点：DTC系统采用定子磁链控制，受电机参数变化的影响小；转矩采用Band-Band控制，但有转矩脉动；采用静止坐标变换，较简单。

磁链闭环控制的VC系统采用转子磁链控制，受电机转子参数变化的影响；转矩连续控制，比较平滑；采用旋转坐标变换，较复杂。

矢量控制和直接转矩控制都采用对输出转速、磁链分别控制，都需要解耦。

矢量控制采用两相旋转坐标按转子磁链定向，使定子电流的转矩分量与励磁分量解耦；直接转矩控制为双闭环控制系统，其转矩控制环作为内环，转速控制环作为外环，这可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。

三、综合分析题：试分析HX D3型电力机车牵引传动系统的主要特点。

答：HX D3型电力机车是大连机车公司与东芝公司合作引进的交流传动六轴大功率干线货运机车，Co-Co 轴式，轴功率为l 200 kW，最高运行速度为120 km/h，能够满足牵引5 000 t以上列车的需要。

HX D3型电力机车牵引传动系统的主要特点如下：
（1）采用传统的网侧电路结构，为了保证机车安全运行，每台受电弓后都设有隔离开关；主断路器与接地开关成整体设置，有利于车顶高压设备的检修和人身安全。

（2）主传动系统采用交-直-交流结构，整流环节采用四象限整流器，有利于提高机车的功率因数（机车功率因数达到0.98以上），减少谐波电流分量。

（3）采用轴控技术，采用6组相同的传动系统，当一组故障时，可以将其隔离，牵引力只损失1/6，有利于机车运用。

（4）采用逆变器软件控制技术进行二倍频谐波消除，取消了LC谐振电路（即取消了二次滤波电感和电容），减少了变压器和变流器的体积和重量。

（5）采用矢量控制模式对牵引电动机转矩进行控制，使异步牵引电动机具有快速反应的动态性能。

（6）采用再生制动技术。