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1、-范文最新推荐-1 / 33MATLAB 窄轨矿用牵引电机车控制系统的仿真研究摘要：随着电力电子技术及自动控制技术的发展，交流电动机的调速系统正走向高性能化。本文通过交直流调速控制方法的分析，采用矢量控制作为窄轨矿用牵引电机车调速的控制策略。对矢量控制变频调速控制系统进行了深入的理论研究并采用 MATLAB 语言中的 Simulink 动态仿真工具下建立矿用电机车矢量控制变频调速系统仿真模型。仿真结果表明该系统具有精确的控制性能、应用效率高等优点。交代了课题的背景，交流调速所需电力电子器件的发展史，控制方法的选取以及本设计的主要内容；从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性
2、能异步电动机的调速系统方案；简要的介绍了MATLAB，SVPWM 各模块的分析以及原理；步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统的分析。关键词： 矢量控制；矿用电机车；仿真Simulation and Study on Control System ofNarrow-rail Mine Electrical LocomotiveAbstract : With the development of power electronic technology and automatic control technology, AC motor speed control system is to high
3、 performance-based .Vector control was employed as the speed adjusting control strategy for mine electric locomotive based on the analysis of AC/DC speed adjusting methods. Adeep theoretical study was made on the vector variable-frequency speed adjusting control system and a corresponding simulation
4、 model for mine electric locomotive was established by Simulink dynamic simulation tool in MATLAB .The simulation results show this system has a accurate control performance and high application performance . Narrates the topic background, speed the development of power electronic devices are requir
5、ed, the selection of control method and the main content of this design. From dynamic model, the analysis of asynchronous motor torque and flux linkage control law, the high performance induction motor speed control system scheme . Briefly -范文最新推荐-3 / 33introduces MATLAB, analysis and the principle
6、of SVPWM module. Step motor according to the rotor flux oriented vector control system of the analysis. 4.1 按转子磁链定向矢量控制系统仿真 31结束语 33致谢 34参考文献 35,37641 绪论1.1 课题背景窄轨牵引用电机车是窄轨轨道运输的一种牵引设备，是广泛用于矿井地面及井下巷道长距离运输和提升的主要动力源。其动力驱动系统的好坏直接影响到牵引机车运行过程中的经济性和可靠性。窄轨牵引电机车所处的工作环境复杂，窄轨牵引系统具有如下工作特点：频繁的起动、制动、加速、减速；大启动转矩；低
7、速时要求输出转矩大；速度变化范围大；经常出现主轮打滑现象；控制系统及电机均需安装在电机车上，要求体积小、重量轻、便于维修。鉴于以上特点和目前技术发展的需求，高性能的矿用电机车牵引系统应满足如下性能要求：、电机启动转矩大、过载能力强；、电机能四象限运行，能够迅速减速、制动；、系统能适应非线性影响，具有良好的智能性和鲁棒性；、为了防止主轮打滑，调速系统还应考虑最大转矩限幅的功能；-范文最新推荐-5 / 33、控制系统必须满足体积、重量的限制，而且要便于维修。据资料表明，我国各种工矿牵引机车除部分经过交流化改造外大部分仍然为直流传动电机车，所用的牵引电机大多数为直流电机，直流调速系统控制简单、调速平
8、滑、性能良好，但由于电刷、换向器存在，所以维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。在国外，直流传动装置的生产基本呈下降趋势，而交流传动装置的生产大幅度上升。以日本为例，上个世纪八十年代中期在调速领域，直流调速约占 80%，交流调速约占 20%；到上个世纪九十年代中期，交流调速已经占到 80%，直流调速仅占20%。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动以外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。 2） 晶闸管 自 1957 年美国通用电气公司 GE 研制出第一个晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革，为新器件开发研制奠定了基础，其后派生出各种系列产品。1964年，G
9、E 公司成功开发双向晶闸管，将其应用于调光和马达控制；1965 年，小功率光触发晶闸管问世，为其后出现的光耦合器打下了基础；60 年代后期，出现了大功率逆变晶闸管，成为当时逆变电路的基本元件；逆导晶闸管和非对称晶闸管于 1974 年研制完成。晶闸管只能由门极控制导通，导通后门极便失去控制作用，因此称之为半控型器件，普通晶闸管(Thysister)是目前阻断电压最高、流过电流最大、承受 、 能力最强的电力电子器件，现在已能生产8kV/4kA 和 6kV/6kA 的晶闸管。但由于 PN 结的载流子积蓄效应，开关频率只能在 500Hz 以下。3） 门极可关断晶闸管（GTO）GTO 可达到晶闸管相同水
10、平的电压、电流等级，工作频率也可扩展到 1kHz。1964 年，美国第一次试制成功了 0.5kV/10A 的 GTO。自 70 年代中期开始，-范文最新推荐-7 / 33GTO 的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、25OOV/I000A 、4500V/2400A 的产品，目前已达到 9kV/25kA/0.8kHz 及 6 kV/6kA/1kHz 的水平。GTO 包括对称、非对称和逆导三种类型。非对称 GTO 相对于对称 GTO，具有通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000v 以上) 的特点。逆导型 GTO，由于是在同一芯片上将 GTO与整流二极管反并联制成的集成器件
11、，因此不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO 容量最大，工作频率最低， 通态压降大、 及 耐量低，需要庞大的吸收电路。但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中高压领域中必将占有一席之地。4)大功率晶体管(GTR)GTR 是一种电流控制的双极双结电力电子器件，20 世纪 70 年代中期，双极性晶体管(BJT)扩展到高功率领域，产生大功率晶体管(GTR)，它由基极(B)电流 的正、负控制集电极(C)和发射极(E)的通、断，也属全控型器件。由于能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，曾经风靡一时，在 20 世纪七八十年代成为逆交器、变频器等
12、电力电子装置的主导功率开关器件，开关频率可达 5kHz。但是 GTR 存在许多不足:对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区(SOA)小； 通态损耗和关断时存储时间( )存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和， 便长，既影响开关频率，又增加关断损耗大;承受 及 能力低;单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能(抑制 及 ，改变感性负载时的动态负载线使在 SOA内，减小动态损耗)，运用时必须加缓冲电路。目前的器件水平约为：1800V/800 ，2kHz；1400V/600 ，2kHz；600V/3 ，1
13、00kHz。 IGBT 可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使 IGBT 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使 IGBT 因流过反向门极电流-范文最新推荐-9 / 33而关断。IGBT 集 GTR 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率 MOSFET 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT 的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于 GTR；IGBT 的通态压降同GTR 相近，
14、但比功率 MOSFET 低得多；IGBT 的电流、电压等级与 GTR 接近，而比功率 MOSFET 高。由于 IGBT 具有上述特点，在中等功率容量(600V 以上)的 UPS、开关电源及交流电机控制用 PWM 逆变器中，IGBT 已逐步替代 GTR 成为核心元件。IGBT 早已做到 1800V/800 ，10kHz;1200V/600 ，20kHz 的商品化，600V/100 的硬开关工作频率可达 150kHz。高压 IGBT 已有 3300V/1200 和4500V/900 的器件。由于 IGBT 的综合优良性能，事实上已取代了 GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流器件。目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构 IGBT(Trench IGBT)模块是高耐压大电流 IGBT 通常采用的结构，它避免了大电流 IGBT 模块内部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用率下降 .所以这种平板结构的高压大电流 IGBT 模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用
