摘要：目前，我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，首先研究了地铁车辆牵引变频器的电路结构、控制策略、分段同步控制等技术，随后分析了sPwM分段同步控制的优点，并在MATLAB中建立模型，验证了分段同步控制的优越性。最后利用软件的仿真功能建立牵引变频器的计算机仿真模型，并对电路进行各项仿真分析，对电路参数进行调试，察看并验证变频器输出瞬时波形和谐波情况。
关键词：牵引变频器；分段同步控制；SPWM；MATLAB
引言
变频调速技术目前在各类动力设备中应用比较广泛，技术成熟，节能效果明显。原油长输管线泵站一般采用高压输油泵，功率较大，而管线出站压力一般通过调节阀进行节流调节，因此在原油长输管线泵站应用变频调速技术可彻底消除节流损失，大幅降低能耗，节约电能。除了节能还具有四大优势：变频器响应速度快，能够快速变化工况；由于启泵时不再动作泵出口阀门且出站调节阀不再参与调节，提高了阀门使用寿命；变频启动与调节方便快捷，只需动动鼠标，没有了启泵时慢开出口阀的过程，降低了劳动量，提高了启泵的成功率；变频启动时转速较低，减少了高速启动时对轴承和机械密封的冲击，可有效保护泵轴承和机械密封，延长轴承和机械密封使用寿命。
1变频器的分段同步控制
SPWM主要有两种调制方式，即同步和异步调制，其主要区别是SPWM中载波比是否恒定小变。前者三角波与正弦波同时变化，输出电压半波内无论载波如何变化均脉冲数恒定小变。但正因为其恒定小变，就会造成其在低频时，相邻脉冲间距较大，此时其谐波成分将随频率降低而增大，导致电机运行小稳。当然，为使三相输出波形保持互差1200的对称关系，取载波比为3的整数倍。异步调制一般保持三角波小变，仅改变调制波频率，从而改变载波比。如此将保证在低频时也可以做到相邻脉冲间距较小，减小其谐波成分。但前文提到，为使三相输出波形保持互差1200的对称关系，取载波比为3的整数倍，而在该调制方法中，载波比很难保证该要求。这将导致输出电压对称性被破坏，进而导致电机运行小稳。同步和异步调制虽各有优点，但其缺点亦非常明显，都可能导致电机小稳定运行，因此出现了分段调制。为充分发挥同步调制优点，在一定频率中，依然采用同步调制;为避免其缺点，发挥异步调制低频时优点，当频率降低至一定程度时，将载波比分级增大，从而提高其低频率时半波内脉冲数，降低谐波含量。
2变频器的发展方向
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。其主要发展方向有如下几项。1）实现高水平的控制基于电动机和机械模型的控制策略有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器、在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。2）开发清洁电能的变流器所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对大容量变流器,在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。3）缩小装置的尺寸紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度,其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。
3变频器分段同步控制建模仿真
整个系统在MATLAB下的模型如图1所示。1）矢量控制模块该控制模块采用一个磁链闭环、两个定子电流调节闭环，将电流的控制转换成对电压的控制。其中各环节的数学模型如2所示。
图1分段同步控制总系统建模
图2转子磁场定向矢量控制整体模块
按照电机牵引调速的牵引力矩要求，先是恒转矩运行，速度增加到一定值时电机功率达到最大，此后电机就只能按这个恒定的功率运行，因此要求力矩给定模块输出先恒转矩后恒功率减小力矩，而制动减速时转矩给定应为负值，先恒功率再恒转矩制动。图中控制信号为0时电机牵引运行，为1时制动运行。PI调节器的凡设得较大，限幅为开始的恒转矩1500N"m,它除了限定电})L启始运行段的给定转矩，还起到限速的作用，speed*就是牵引运行过程中限定的最大速度。
4变频调速系统的使用方案
以钟荆输油管道长输泵站为例，其首站的基本情况为：钟荆输油管道首站为钟市输油站，接收江汉油田高含蜡高凝固点原油，年输量约65万吨，采用6kV高压电机提供动力，直接输送到荆门石化总厂，中间不再设加压泵站。管道管径（mm）219×7，总长75km。钟市输油站采用一用一备两台130m3流量输油泵机组，电机（南阳电机）型号为YB24003-2400kW，泵型号为4×8×10.5BXMSDD/8S。原有输油工艺采用泵出口阀门节流和专门的出站气动调节阀进行出站压力调节。通过一用一备两台滑片式压缩机、一用一备两台冷干机和一台储气罐供仪表风给气动调节阀。出站压力参数通过施耐德17160PLC系统进行远程调节。由于江汉来油量极不稳定，范围为50~100m3，调节频繁且绝大部分时候节流损失严重。因此采用一拖二变频调速系统进行调节是一个不错的选择，既实现了节能的目的，又大幅降价了设备投入费用。钟市输油站选用了HARSVERT系列异步电机矢量控制型变频调速系统，型号为HARSVERT-VA06/048。变频器使用标准：GB/T12668.4-2006调速电气传动系统第四部分（国标），Q/CPBLH003-2007HARSVERT-A系列高压变频调速系统通用技术条件（企标）；相数三相，频率50/60Hz；允许频率波动：±10%；控制方式：矢量控制；I/O接口及通讯功能：充足的I/O接口，并可根据用户要求扩展Modbus、Profibus、TCP/I、PDeviceNet、GPRS等；控制电压：AC380V，三相四线制，或单相AC220V/DC220容量3kVA；PID功能：内置PID调节器，参数可设定；主要控制功能：瞬时掉电再启动、转矩提升、临界速度可跳过、系统自诊断、系统旁路切换、变频器及电机保护、旋转启动功能等；操作方式：本地/远程、开环/闭环；频率给定：手动操作/模拟量给定/数字给定；变频器状态输出：模拟量和数字量输出。
结语
本文采用分段同步控制驱动地铁中的异步电机，建立了其变频器模型并搭建了大功率分段同步控制仿真模型，对小同运动状态进行仿真。仿真结果表明，控制系统转矩和转速的动态响应迅速，静态性能良好，磁链幅值基本能够保持恒定，验证了系统的可靠性。但是分段同步控制技术也存在小足之处，如稳态运行时转矩脉动较大，存在谐波+扰等，需要进一步探讨研究。
参考文献：
[1]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京:电子工业出版社，2001.
[2]张军利.等而积PWM调制在变频调速系统的实现[J].电子产品世界，2009,16(1):16-18.
论文作者:顾祥林
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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