【正文】 m, traction than the other good traction and braking performance, good adhesion properties of the use and antistall, motor power, light weight, small size, high power factor, harmonic disturbance, the operation simple, low maintenance, easytostandard, generic and modular and other advantages. Therefore, AC DC AC electric lootive has bee the most widely used electric lootives. Inverter in the DC traction system played the role of threephase AC inverter into the supply motor is running, it is the traction system can play an important role in normal operation. But for AC DC AC power for electric lootive that occasion, the inverter switching frequency islow, will have a lot of loworder harmonics, ranging from the performance of the system, readjustment will cause the entire speed control of the system failed, so it needs to be PWM modulation. AC Speed Control System PWM modulation as a key link in the merits of its design is directly related to system performance. Key words: electric lootives, AC DC AC electric lootive, PWM modulation第 1 章 緒論電力機車由牽引電動機驅(qū)動車輪的機車。因此交—直—交電力機車已成為目前應用最廣泛的電力機車。交—直—交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動系統(tǒng)具有良好的牽引和制動性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡便、維修工作少、易于標準化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。PWM 調(diào)制作為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個關鍵環(huán)節(jié)，其設計的優(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)的性能。使用電力機車牽引車列，可以提高運行速度和承載重量，從而大幅度地提高鐵路的運輸能力和通過能力 電力機車的發(fā)展歷史 國外電力機車發(fā)展概況從供電網(wǎng)電流制來看，電力牽引經(jīng)歷了從直流制（ 或 3KV）到單相低頻交流（15KV,50/3HZ 或 11KV,25HZ） ，再到單相工頻交流（25kv，50hz 或 60hz，個別 20kv 和50kv）3 個主要發(fā)展階段。20 世紀 70 年代以前，直流電力機車普遍采用直流牽引電動機和高壓側(cè)調(diào)壓開關調(diào)壓系統(tǒng)；低頻交流電力機車幾乎全部采用單相交流整流子牽引電動機高壓側(cè)調(diào)壓開關系統(tǒng)。在 80 年代，一方面，直流斬波機車和交流相控機車技術得到進一步完善和發(fā)展。目前這些國家早已停止了用于本國的直流傳動和交直傳動電力機車的生產(chǎn)、中國電力機車發(fā)展概況中國電力機車在 40 多年的風雨中不斷發(fā)展進步，前后共經(jīng)歷了 3 個階段，開發(fā)了 4代產(chǎn)品。1958 年仿制出第一臺電力機車，即 6Y1 型干線電力機車，此后經(jīng)過多次改進，到 1968 年，6Y1 型改名為 SS1 型，是第一代機車，開始小批量生產(chǎn)；第二階段（1968~1985 年）是中國電力機車艱難的成長階段這期間跳出了照搬國外電力機車的模式，走上了自我發(fā)展的道路。SS3 機車綜合性能優(yōu)于SS1 型。此期間株洲電力機車工廠第工廠和株洲電力機車研究所第科研單位得以大規(guī)模改造，新增很多先進專用設備和實驗檢測設備，引進大量先進技術。同時還研制成功了第 4 代機車 C4000 型交流傳動機車。各環(huán)節(jié)的作用分述如下：①環(huán)節(jié)——整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。③環(huán)節(jié)——逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時為了機車調(diào)速的需要，它具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）技術。系統(tǒng)的工作特點：功率/體積比大。三相異步電機結(jié)構(gòu)簡單，幾乎無需維修。異步電動機的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過機車控制電路就能實現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關可省去，主電路變得十分簡單，使整車的可靠性大大提高，降低了使用維修費用。從 20 世紀 60 年代開始，人們將長期使用的串勵直流電動機（所謂的純直流傳動）改為使用它勵直流電動機，即采用可控硅電源供給它勵電動機勵磁（所謂的交—直流傳動） 。并且從原來的開環(huán)控制，到今天的廣泛使用的矢量控制、直接扭矩控制，使得交流電動機具有極好的控制特性和動態(tài)性能，因此它將更廣泛的用于電力機車的牽引傳動。近年生產(chǎn)的交流傳動電力機車，網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈寬調(diào)制整流器。當列車需要制動時，機車將列車的動能變?yōu)殡娔?，反饋至接觸網(wǎng)，節(jié)約了能耗。 但 是 對于交—直—交電力機車這種大功率場合，由于逆變器的的開關頻率較低，將會產(chǎn)生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導致整個調(diào)速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對其進行 PWM 調(diào)制，減少其低次諧波。同時也由于采用了 IGBT，逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變 化，這主要體現(xiàn)在功率器件的過壓保護方面，由最早采用的高損耗 RCD 阻容型過 壓吸收電路，發(fā)展到來采用的低損耗不對稱型過壓吸收電路及△型過壓吸收電 路，再到現(xiàn)在的無吸收電路。 再 生 制 動 ， 電 壓 方 向 改 變 ， 毋 需 反 并 聯(lián) 二 極 管 。三相電壓型逆變器主電路由 6 只晶閘管組成，每只晶閘管反并一只續(xù)流二極管，為負載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路。由于 IGBT 的開關頻率高，可使 PWM 調(diào)制頻率提高，因此IGBT 是一種鐵道牽引比較理想的變流器件。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。在 此 主 要 介 紹 SPWM法 和 空 間 電壓 矢 量 控 制 PWM。正弦脈寬調(diào)制的方法也叫三角波調(diào)制方法。為了得到三相橋式逆變器所需的三相對稱SPWM 脈沖，逆變器三相輸出端 A,B,C 相電壓之間的相位必須互差 120176。從原理上講，三相 SPWM 脈沖的產(chǎn)生可以每相調(diào)制波單獨配備一個載波，也可以三相共用一個載波。逆變器三相輸出端相對于直流環(huán)節(jié)中點 O 的相電壓波相分別為圖 相電壓、V 相電壓、和 W 相電壓所示，三相之間線電壓波形可以通過分別將兩相電壓相減得到。在實際控制過程中，載波和調(diào)制波的頻率調(diào)整可以有如下三種方法：同步調(diào)制法、異步調(diào)制法和分段同步調(diào)制法。與傳統(tǒng)的 SPWM 方法相比， SVPWM 具有直流電壓利用率更高、電機的諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動更小、電壓和頻率控制能同時完成以及實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中都得到了越來越廣泛的應用。于是，交流電AiBCiA?BC機定子電壓方程可以利用空間矢量簡潔地表示為 SsSIRdtU???（）其中， 表示定子電阻。從式（）可知。 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形磁鏈軌跡控制在圖 所示的三相橋式逆變器中，6 個開關器件總共可產(chǎn)生 8 種有效的開關組合模式。 ??????????????CBACBASu21（）表 逆變器輸出電壓空間矢量表定子電壓空間矢量開關狀態(tài){ , , }ASBCAuBuCu定子電壓空間矢量 表達式7U{0 0 0} 0 0 0 01{1 0 0} dU32— d31— dU3132jde2{1 1 0} d1d— d2?1jd3U{0 1 0} — 332— 3132je4{0 1 1} — dU2d1dU?jd5{0 0 1} — d31— d3d32342jde6U{1 0 1} dU31— d32dU31?35jde8{1 1 1} 0 0 0 0從表 可知，在逆變器 種可能的開關組合模式中，有 6 個非零電壓空間矢量（稱823?為非零矢量） ,它們的幅值（即電壓空間矢量的長度）皆相同，都等于 。當然，根據(jù)式 ，在逆變器供電的情況下，也就不可能真正產(chǎn)生定子磁鏈矢量的運動軌跡。假設在某個時間間隔 內(nèi)，所需要輸出的電壓空間矢量為 ，并且1U2 t?xU它與 之間的夾角為 。由于在每個開關周期中輸出電壓矢量都會有 7 次改變，因此這種矢量組合模式也常被稱為 7 段工作模式?！? MATLAB 是 由 美 國 mathworks 公 司 發(fā) 布 的 主 要 面 對 科 學 計 算 、 可 視 化 以 及 交 互 式程 序 設 計 的 高 科 技 計 算 環(huán) 境 。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。 2） 簡 單 易 用 的 程 序 語 言 ： Matlab 一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB 能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如 C 和 C++ 。 4） 出 色 的 圖 形 處 理 功 能 ： MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB 也有相應的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。目前，MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI 控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP 與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。MATLAB 的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。（b）所示，Amplitude為電壓輸入值。 1）Number of bridge arms：橋臂數(shù)目，可設置為 3。 2）Snubber resistance Rs ：緩沖電路的電阻 3）Snubber capacitance Cs：緩沖電路的電感 4）Power electronic device：電力電子器件類型。（a）（b）圖 三相 VI 測量符號及參數(shù)設置對話框（6）ThreePhaseSeries RLC Load：三相RLC串聯(lián)負載，它是由電阻、電感、電容串聯(lián)而成的，其著負載的作用，在仿真圖中它代表三相異步電動機，其圖標及參數(shù)設置（a）和（b）所示。（a）圖 模塊的外形封裝形式和屬性對話框（b）圖 模塊的外形封裝形式和屬性對話框在此只介紹所用到的幾個模塊。3）FFT Analysis：快速傅里葉分析，可以方便對仿真系統(tǒng)中的一些重要變量進行傅里葉分析，其窗口如圖 所示圖 Powergui 模塊的 FFT 分析窗口其參數(shù)含義為。Start Time（起始時間）：指定快速傅里葉分析的起始時間number of cycles（周期數(shù)）：指定快速傅里葉分析的周期數(shù)Display FFT window（顯示 FFT 結(jié)果的窗口）：當選擇“顯示全部信號（Display entire signal） ”選項時，表示要顯示窗口圖標中的全部被選信號；當選擇“顯示 FFT 窗口（Display FFT window） ”選項時，表示僅僅顯示應用 FFT 分析的信號部分。當選擇“l(fā)ist（relative to Fund。（a）、（b）所示。（a）（b）圖 離散希沃特的 PWM 發(fā)生器符號及其參數(shù)設置對話框參數(shù)設置1）data type of input reference vector：脈沖發(fā)生模式，在對話框中選擇“Internally generated”，即內(nèi)部發(fā)生模式，此外還有兩種外部信號指令模式。當取為 1 時表示輸出線性調(diào)制去的最大電壓。圖 三相 spwm 逆變器 m=1 時的載波頻率為基頻的 30 倍和諧波分析圖從仿真波形圖和諧波分析圖中可以看出當 m=1 時，輸出線電壓的幅值為 459/530，諧波分布主要在開關頻率的倍數(shù)處，其中開關頻率處含量較大，低次諧波含量較大。圖 逆變器仿真模型調(diào)制深度 m 設為 1，輸出基波頻率設為 50Hz，載波頻率為基頻的 30 倍，即 1500Hz。高次諧波大于低