关键词：无拍频控制；拍频现象；逆变器；异步电机

Abstract: In inverter-converter driving systems for AC electric cars, the DC input voltage of an inverter contains a ripple component with a frequency that is twice the line voltage frequency, due to the use of a single-phase converter. The ripple component of the inverter input voltage causes pulsations in the torque and current of driving motors. To decrease the pulsations, a beat-less control method, which modifies the slip frequency depending on the ripple component, is applied to the inverter control. The suppression methods of beat phenomenon at home and abroad are compared. The advantages and disadvantages of control modes are summarized.

Key words: Beat-less control method; Beat phenomenon; Inverter; Induction motor; Torque pulsation

【中图分类号】TM464【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）09-0000-00

 

1 引言

由于单相整流器的功率特性，牵引系统中间直流环节存在2倍于电网频率的脉动电压分量，该脉动分量使得逆变器输出存在一系列谐波，并会引起电机电流和转矩的脉动，即拍频现象。若不对拍频现象进行抑制，会引起系统损耗增加、发热严重，并会影响系统稳定性及乘坐舒适性。传统方法采用硬件滤波器[1]滤除脉动电压，存在体积和重量大、成本高等缺点，不利于列车节能高效运行及轻量化设计。目前无拍频控制主流方法为频率补偿法[7]，然而现有方法存在一定局限性，且国外公司的技术细节并未公开。本文分析产生拍频现象的原因，并通过对传动系统进行数学建模，得到电机转矩脉动和电机电流脉动与脉动电压的关系，然后对拍频现象的抑制方法展开研究[6]，比较了多种软件控制方式的优缺点，归纳总结得出抑制拍频现象的基本要求。

2 拍频现象

2.1 脉动直流电压

 
  观察式（11）可知，第一项为期望输出的基波相电压，第二项与第三项为多余的差频分量，也被称作拍频分量或者次谐波分量。此拍频分量是脉动的直流母线电压与逆变器开关函数藕合调制的结果。如果考虑开关函数的高频分量，则可以得到更加丰富的差频分量。但由于拍频分量仅在低频下才会有显著的影响，故上式后两项可视作逆变器输出电压次谐波分量的主要成分。

3 基于前馈补偿的无拍频控制方法

    牵引逆变器的输出电压与直流电压和开关信号有关，根据直流电压的瞬时变化可以修正开关信号，改变调制波的幅值，消除脉动直流电压对逆变器输出电压的影响。

前馈补偿的基本原理是对调制比或脉冲宽度实时补偿，即通过实时计算对牵引逆变器的PWM脉冲精确补偿[8]，确保逆变器即使工作于母线脉动电压下也能够准确调制出电机所需电压，不会输出有害的拍频电流。上文分析中为补偿前的开关函数表达式，采用前馈补偿对调制比进行补偿后，得到修正后的开关函数：

    因此修正后逆变器输出相电压分量不再含有拍频成分，前馈补偿法能够通过控制调制比控制脉冲宽度，抑制拍频现象。当逆变器检测到直流母线的二倍频脉动电压时，在母线电压脉动的正半周期减小调制深度，减小输出电压脉冲宽度；在母线电压脉动的负半周期增加调制深度，增加输出电压脉冲宽度。

前馈补偿方案效果好且易于实现，即使母线电压剧烈脉动仍然可以实现面积等效。然而对于大功率低开关频率场合，如果电机转速过大时，电压幅值己经达到最大，则可调节的调制深度的裕量并不大;同时母线电压真实值与其预侧值误差较大，且会增加特定谐波的含量，因此补偿效果不佳。

4 基于单周期控制的无拍频控制方法

单周期控制(OCC)是一种针对电力电子变换器的非线性控制技术，而且是一种模拟控制技术，当参考电压信号变化时，单周期控制器在一个开关周期内能够迅速调整开关导通时间，使输出信号的平均值精确等于或正比于指令信号，单周期控制动态响应性能快，抗干扰能力强[12]。恒定开关频率下单周期控制器的结构图如图1所示。

    当牵引传动系统工作在逆变器单脉冲调制区时，调制信号频率与开关频率相同，因此传统单周期控制方式不适于逆变器单脉冲调制。单脉冲调制区的单周期控制采用了伏秒平衡的原理，在直流电压正向脉动时减小脉冲宽度，在直流电压负向脉动时增大脉冲宽度。为了精确补偿脉动直流电压引起的逆变器相电压变化，需要确定脉冲正负半周的切换时间，在数字控制中计算切换点较复杂，而在单周期控制中由于采用了模拟控制方法，切换时间不需要求解，因此能够简单的实现伏秒平衡。
采用单周期控制的无拍频控制方法，动态响应速度快，开关频率恒定，抗干扰能力强，但是这种控制方法在多脉冲调制区与单脉冲调制区采用了不同的控制器，需要在不同的调制区进行切换，增加了系统的复杂性，且模拟电路设计与控制的工作量与复杂度都较大。

5  基于频率补偿的无拍频控制方法

通过上文分析可知，牵引逆变器输出的相电压与直流电压和逆变器的开关函数有关，当四象限整流器在直流侧产生二倍频脉动电压时，该脉动电压分量会对逆变器的输出电压产生影响，输出电压中会包含与脉动频率相关的低次谐波，当逆变器频率与电压脉动频率接近时，会产生直流电压分量。逆变器的低次谐波电压会在电机中产生拍频电流和拍频转矩，即拍频现象，使电机发热严重，影响电机的稳定运行[4]。

频率补偿是通过补偿逆变器的工作频率来抑制脉动分量产生的拍频电流。频率补偿应用于转子磁场定向矢量控制系统时，在转速环注入了脉动分量用以补偿逆变器工作频率，从而抑制了异步电机的拍频电流。

补偿前的开关函数可以用傅里叶形式表示为：

 

 

6 总结

动车组列车牵引变流器中的拍频现象会导致系统损耗增加、发热及机械抖动严重。本文首先结合单相整流器的结构特性，详细分析了直流侧二次脉动电压产生的原因，并对拍频现象的影响进行了定性分析，对拍频现象的软硬件抑制方法展开研究，对比分析了前馈补偿法、单周期控制法及频率补偿法，总结了每种控制方法的原理及优缺点，归纳总结得出拍频现象的来源及抑制方法。

 

参考文献

[1]A Cheok,S Kawamoto,T Matsumoto,H Obi.AC Drive with Particular reference to traction driven [C]. Mitsubishi Electra Corp.Fourth International Conference on AP-SCOM, http://ieeexplore.ieee.org.. 1997,1:348-353.

[2]J Y Lee,Y Y Sun.Adaptive Harmonic Control in PWM Inverters with Fluctuating Input Voltages[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,1996,33 (1):92-98.

[3]S Funabiki,Y Sawada.A Computative Decision of Pulse Width in Three-phase PWM inverters[C]. IEEE Industry Application Society Annual Meeting. Pittsburgh, http://ieeexplore.ieee.org,1988,1:694-699.

[4]T Hashimoto,S Sone.PWM Converter-Inverter System for AC Supplied Trains [C]. International Conference on Main Line Railway Electrification, http://ieeexplore.ieee.org.,1989: 93-97.

[5]A Pankhurst,H J Thompson.Control of induction motor[C]. IEEE Railway Professional Network,Seventh residential course on electric traction systems. Manchester,2000.

[6]Jiang Ying,F Ekstrom.General analysis of harmonic transfer through converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(2):287-293.

[7]葛兴来,冯晓云. 动车组牵引传动三电平逆变器SVPWM控制[J]. 西南交通大学学报,2008, 43(5): 566-572.

[8]冯晓石. 电力牵引交流传动及其控制系统[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[9]杨帆. 混合动力动车组网侧变流器的研究[D]. 北京交通大学,2015.

[10]欧阳晖,张凯,张鹏举. 牵引变流器直流母线电压脉动下的无拍频电流控制方法[J]. 电工技术学报,2011, 26(8):14-23.

[11]琳显君,程小华,龙洪宇. 异步电动机效率优化控制策略综述[J]. 微电机,2011, 44(7):81-83.

[12]苟斌,冯晓云,宋文胜. 牵引变流器一电机拍频现象及其抑制方法[J]. 中国电机工程学报,2013,33(9):55-63.

[13]全恒立,张钢,陈杰,等. 一种SVPWM过调制算法的数字化实现[J]. 电气传动,2010, 40(5):44-48.

[14]琳飞,孙湖,胡广艳. 带有转子电阻补偿的异步电机电流型磁链观测器[J]. 电气传动,2006,36(10):7-9.

[15]葛兴来，冯晓云.三电平逆变器无拍频控制策略研究[J].铁道学报，2010,32(3):125-130.

[16]马志文,郑琼林,林飞. 具有全调制范围的空间矢量脉宽调制算法研究[J]. 北京交通大学学报,2007,31(2):89-102.

【作者简介】 沈飞(1993 - ) 男 辽宁人 硕士生 大连交通大学在读 研究方向为电机及其驱动控制。

徐诗孟(1991 - ) 男 河北人 硕士生 大连交通大学在读 研究方向为电机及驱动控制