基于TCN 的模擬機(jī)車電力牽引及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊豐萍，姜悅禮

（1.華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013；2.中國(guó)北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心，遼寧大連116022）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)車的電力牽引及其控制也獲得了更進(jìn)一步的發(fā)展，電力牽引傳動(dòng)方式由交直傳動(dòng)成功地轉(zhuǎn)換到交直交傳動(dòng)，而且由于數(shù)字化和通訊技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在機(jī)車上應(yīng)用成為新的發(fā)展方向。機(jī)車電力牽引及其控制系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的專業(yè)特點(diǎn)，沒(méi)有通用的學(xué)習(xí)和研究平臺(tái)。為了方便廣大研究者在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行研究，本文開發(fā)了一種新型的基于TCN（train communication network）的電力機(jī)車模擬電力牽引及其控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)全面模擬了交直傳動(dòng)和交直交傳動(dòng)電力機(jī)車牽引系統(tǒng)的組成，采用TCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

1 系統(tǒng)組成和基本原理

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了交直傳動(dòng)和交直交傳動(dòng)兩種與機(jī)車的電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)完全相似的傳動(dòng)系統(tǒng)，它們的負(fù)載分別是軸連接在一起的直流電機(jī)和交流電機(jī)。交直傳動(dòng)部分采用了傳統(tǒng)的交直傳動(dòng)電力機(jī)車三段橋相控直流傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。交直交傳動(dòng)部分采用了現(xiàn)代交流傳動(dòng)電力機(jī)車主傳動(dòng)系統(tǒng)的典型的單相四象限變流器+牽引逆變器的結(jié)構(gòu)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備包括：配電柜、交直傳動(dòng)控制臺(tái)、交直交傳動(dòng)控制臺(tái)、交直傳動(dòng)柜、交直交傳動(dòng)柜和電動(dòng)機(jī)組，如圖1所示。

配電柜為整個(gè)系統(tǒng)提供主電源、控制電源和驅(qū)動(dòng)輔助風(fēng)機(jī)電源，交直傳動(dòng)柜和直流電機(jī)共同完成直流傳動(dòng)的模擬控制實(shí)驗(yàn)，交直交傳動(dòng)柜和交流電機(jī)共同完成交流傳動(dòng)的模擬控制實(shí)驗(yàn)，交直傳動(dòng)控制臺(tái)完成對(duì)交直傳動(dòng)柜的控制，交直交傳動(dòng)控制臺(tái)完成對(duì)交直交傳動(dòng)柜的控制。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制原理有3種方式：

1）通過(guò)設(shè)置在交直傳動(dòng)柜和交直交傳動(dòng)柜面板上的控制開關(guān)實(shí)施單獨(dú)的交直傳動(dòng)控制和交直交傳動(dòng)控制。由設(shè)在交直傳動(dòng)柜和交直交傳動(dòng)柜面板上控制方式選擇開關(guān)進(jìn)行控制方式選擇，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)不投入工作。

2）通過(guò)設(shè)置在交直傳動(dòng)控制臺(tái)或交直交傳動(dòng)控制臺(tái)上的控制開關(guān)來(lái)實(shí)施控制單獨(dú)的交直傳動(dòng)控制和交直交傳動(dòng)控制。此時(shí)的控制是在MVB網(wǎng)絡(luò)通訊的傳輸下進(jìn)行的，可以分為單獨(dú)的交直傳動(dòng)控制、單獨(dú)的交直交傳動(dòng)控制，可以模擬單獨(dú)的牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 General view of system structure

3）通過(guò)設(shè)置在交直傳動(dòng)控制臺(tái)或交直交傳動(dòng)控制臺(tái)上的控制開關(guān)來(lái)實(shí)施控制交直傳動(dòng)控制和交直交傳動(dòng)控制的同步控制。此時(shí)的控制是在WTB網(wǎng)絡(luò)通訊的傳輸下進(jìn)行的，可以分為以交直傳動(dòng)控制為主，以交直交傳動(dòng)控制為副的重聯(lián)控制；或以交直交傳動(dòng)控制為主，以交直傳動(dòng)控制為副的重聯(lián)控制，可以模擬兩機(jī)重聯(lián)的牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)[1]。

2 交直傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 配電系統(tǒng)

電源系統(tǒng)接受市電電源輸入，并送給模擬牽引變壓器，由該變壓器向主系統(tǒng)等提供電能，包括：總斷路器、直流傳動(dòng)牽引變壓器、輸出各支路的保護(hù)開關(guān)等。

模擬牽引變壓器參數(shù)

輸入：?jiǎn)蜗郃C220 V，25 kW

輸出

繞組1：AC124 V（10 kW）

繞組2：AC62 V（5 kW）

繞組3：AC62 V（5 kW）

繞組4：AC28 V（5 kW）

2.2 交直傳動(dòng)系統(tǒng)

交直傳動(dòng)柜內(nèi)包括：三段經(jīng)濟(jì)橋路，勵(lì)磁橋路，主回路接觸器組，制動(dòng)電阻、磁削電阻等電阻單元，交直傳動(dòng)控制單元等。交直傳動(dòng)系統(tǒng)主電路見圖2。

交直傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在牽引工況時(shí)，其對(duì)直流電機(jī)的供電支路轉(zhuǎn)換為串勵(lì)方式，牽引三段整流橋接受牽引變壓器的三路交流輸入，經(jīng)整流輸出三段疊加的電壓連續(xù)可調(diào)的直流電壓，供直流牽引電機(jī)牽引運(yùn)行，通過(guò)轉(zhuǎn)換電樞繞組的接入方向，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，通過(guò)閉合磁場(chǎng)消弱接觸器，可以實(shí)現(xiàn)高速段在電樞電壓不再提高條件下的弱磁運(yùn)行。

交直傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在制動(dòng)工況時(shí)，其對(duì)直流電機(jī)的供電支路轉(zhuǎn)換為他勵(lì)方式，經(jīng)相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換，他勵(lì)繞組由專門的勵(lì)磁整流橋供電，通過(guò)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)；同時(shí)，制動(dòng)工況時(shí)，電樞回路接入制動(dòng)電阻，將電機(jī)發(fā)出的電能消耗到制動(dòng)電阻上。在低速段，電樞自身發(fā)電電壓不足以維持較大的制動(dòng)電流時(shí)，通過(guò)電路轉(zhuǎn)接，使主整流橋?yàn)殡姌谢芈芳訅?，可?shí)現(xiàn)加饋制動(dòng)[2]。

圖2 交直傳動(dòng)系統(tǒng)主電路Fig.2 Main circuit ofAC-DC drive system

圖2中：R301，R202，R303為空載電阻；R305為磁削電阻；KM301為電機(jī)電樞接觸器；KM302，KM303，KM304，KM308為位置轉(zhuǎn)換開關(guān)；KM305為勵(lì)磁輸出接觸器；KM306，KM307為轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換開關(guān)。

交直傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)：

經(jīng)濟(jì)三段橋輸入：2×單相AC62 V（10 kW）+單相AC124 V（10 kW）

他勵(lì)橋輸入：?jiǎn)蜗郃C28 V（5 kW）

牽引工況電壓輸出：0-220VDC

制動(dòng)工況勵(lì)磁輸出：0-25.2VDC

制動(dòng)工況加饋電壓：0-110VDC

調(diào)節(jié)方式：恒流+準(zhǔn)恒速控制

2.3 傳動(dòng)控制策略

交直傳動(dòng)柜只有一個(gè)交直變流器，有一個(gè)獨(dú)立的控制單元。

圖3 交直傳動(dòng)控制框圖Fig.3 Block diagram ofAC-DC drive control system

傳動(dòng)控制單元對(duì)電機(jī)控制方法采用速度與電流的雙閉環(huán)控制，電壓的限制環(huán)節(jié)作為輔助控制，如圖3所示。由控制手柄給出的指定速度（即級(jí)位通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給直流傳動(dòng)控制單元）與檢測(cè)出的電機(jī)實(shí)際速度比較，得出當(dāng)前控制所需的電機(jī)電流Id（牽引）或Iz（制動(dòng)）值。該值送入電流控制部分作為控制指定值，與電機(jī)的實(shí)際Id或Iz值相比較，得出整流橋輸出電壓Ud控制值。由脈沖的形成與放大環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)執(zhí)行，進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。電壓限制環(huán)節(jié)僅在電機(jī)端壓達(dá)到限制值時(shí)，采取措施抑制Ud控制值的繼續(xù)增大，平時(shí)不起作用。電機(jī)在傳動(dòng)控制單元控制下，通過(guò)速度、電流兩個(gè)閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)控制電機(jī)速度，進(jìn)而達(dá)到司機(jī)手柄所給定的速度或牽引力要求[3]。

3 交直交傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 配電系統(tǒng)

電源系統(tǒng)接受市電電源輸入，并送給模擬牽引變壓器，由該變壓器向模擬主傳動(dòng)系統(tǒng)等提供電能，包括：總斷路器、交流傳動(dòng)牽引變壓器、輸出各支路的供電保護(hù)開關(guān)等。

模擬牽引變壓器參數(shù)：

輸入：?jiǎn)蜗郃C220 V，25 kW

輸出：AC380 V（20 kW）

結(jié)構(gòu)形式：環(huán)氧澆注干式

冷卻方式：自然冷卻

3.2 交直交傳動(dòng)系統(tǒng)

交直交傳動(dòng)柜內(nèi)包括：兩點(diǎn)式四象限脈沖整流器，中間直流環(huán)節(jié)，兩點(diǎn)式逆變器，交直交傳動(dòng)控制單元等。交直交傳動(dòng)系統(tǒng)主電路見圖4。

交直交傳動(dòng)系統(tǒng)牽引運(yùn)行時(shí)，牽引變流器接受牽引變壓器的一路單相交流輸入，經(jīng)四象限脈沖整流器整流，再逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流輸出，供交流牽引電機(jī)牽引運(yùn)行，通過(guò)改變?nèi)噍敵鱿嘈?，?shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

交直交傳動(dòng)系統(tǒng)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，交流牽引電機(jī)處于發(fā)電工況，牽引變流器的電機(jī)側(cè)逆變器接受牽引電機(jī)的三相交流輸入，整流成直流電，再經(jīng)四象限脈沖整流器逆變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的單相交流電饋回牽引變壓器[4-5]。

交直交傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)：

輸入：?jiǎn)蜗郃C380 V，50 Hz，25 kW

輸出：VVVF控制

電壓輸出范圍：3相0～380 V

頻率調(diào)節(jié)范圍：0～100 Hz

調(diào)節(jié)方式：四象限整流器采用瞬態(tài)電流控制，逆變器采用轉(zhuǎn)差頻率控制

3.3 傳動(dòng)控制策略

交流傳動(dòng)柜由單相四象限整流器和牽引逆變器組成，它們共用一個(gè)控制單元。

3.3.1 四象限整流器控制策略

單相四象限整流器輸入回路等效電路如圖5所示。

如忽略電阻壓降，交流回路的電壓平衡方程式為

圖4 交直交傳動(dòng)系統(tǒng)主電路Fig.4 Main circuit ofAC-DC-AC drive system

圖5 單相四象限變流器的等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of single-phase four quadrant converter

式中：uS為四象限的輸入電壓，uN為牽引變壓器輸出次邊電壓。

由于整流器是通過(guò)基波來(lái)傳送功率的，故只研究基波成分，設(shè)

式中：ψ為uS滯后uN的夾角，θ為電流iN滯后uN的夾角。

由此可得交流回路的基波電壓平衡方程式為

用矢量表示為

令

矢量分析可知，UL的長(zhǎng)度與電網(wǎng)電流成正比，代表電網(wǎng)提供負(fù)載能量的大小，調(diào)節(jié)US的幅角ψ可以改變IN和流向負(fù)載的直流電流Id的大小，使電網(wǎng)和負(fù)載之間的能量供求平衡，達(dá)到穩(wěn)定Ud的目的。同時(shí)，要保證IN和UN同相，US的幅值（調(diào)制深度K）也必須相應(yīng)調(diào)節(jié)。

因此，四象限整流器的控制對(duì)象即為電壓矢量US，通過(guò)對(duì)US的幅值和相角的控制即可穩(wěn)定中間電壓Ud和保證電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為 1[3]。

3.3.2 牽引逆變器控制策略

在牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差頻率控制是一種應(yīng)用廣泛的控制算法。

圖6 異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制算法Fig.6 Slip frequency control algorithm for Asynchronous traction motor

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，當(dāng)逆變器處于牽引控制時(shí)（此時(shí)交直變流器處于制動(dòng)控制），采用圖6所示的異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制算法，這是速度閉環(huán)型的轉(zhuǎn)差頻率控制，速度給定值n*來(lái)自司機(jī)控制臺(tái)手柄，根據(jù)司機(jī)控制臺(tái)速度手柄的給定值進(jìn)行調(diào)速，速度控制由速度PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，給出所需的轉(zhuǎn)差頻率而當(dāng)逆變器處于制動(dòng)時(shí)（此時(shí)交直傳動(dòng)柜處于牽引控制），同樣，采用轉(zhuǎn)差頻率控制，轉(zhuǎn)矩給定值T*來(lái)自司機(jī)控制臺(tái)手柄，按照司控臺(tái)力矩手柄的給定值調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，給定信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率

在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速后，可以分別得到的電動(dòng)機(jī)定子頻率如下

顯然交流電機(jī)在逆變器處于牽引控制和逆變控制時(shí)分別做電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)運(yùn)行。按照事先確定的V/f曲線，由定子頻率可計(jì)算出相應(yīng)的電機(jī)相電壓。然后可以采用PI調(diào)節(jié)器來(lái)補(bǔ)償電壓。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制的設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)控制拓?fù)?/h3>

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61375，是目前國(guó)際上流行的列車網(wǎng)絡(luò)控制標(biāo)準(zhǔn)。該總線由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB兩級(jí)總線組成[6]。

在交直傳動(dòng)控制臺(tái)設(shè)有中央控制單元CCU1、遠(yuǎn)程信息采集單元RIOM1和信息顯示單元IDU1，在交直交傳動(dòng)控制臺(tái)設(shè)有中央控制單元CCU2、遠(yuǎn)程信息采集單元RIOM2和信息顯示單元IDU2，在交直傳動(dòng)柜內(nèi)設(shè)有直流傳動(dòng)控制單元DCU1，在交直交傳動(dòng)柜內(nèi)設(shè)有交流傳動(dòng)控制單元DCU2。

在交直傳動(dòng)系統(tǒng)中，控制單元CCU1、RIOM1、信息顯示單元IDU1、控制單元DCU1之間通過(guò)獨(dú)立的MVB總線連接起來(lái)，可以實(shí)施模擬交直傳動(dòng)機(jī)車的獨(dú)立運(yùn)行。

在交直交傳動(dòng)系統(tǒng)中，控制單元CCU2、RIOM2、信息顯示單元IDU2、控制單元DCU2之間通過(guò)獨(dú)立的MVB總線連接起來(lái)，可以實(shí)施模擬交直交傳動(dòng)機(jī)車的獨(dú)立運(yùn)行。

這兩個(gè)系統(tǒng)也可以通過(guò)WTB網(wǎng)絡(luò)線連接起來(lái)，兩臺(tái)機(jī)車的控制可以由任意一個(gè)控制臺(tái)實(shí)施控制，可以進(jìn)行機(jī)車重聯(lián)的模擬。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖7。

圖7 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.7 Topology of network systerm

4.2 網(wǎng)絡(luò)控制基本單元

系統(tǒng)中的控制單元CCU1、RIOM1和CCU2、RIOM2具有相似的結(jié)構(gòu)。其中：RIOM1和RIOM2是控制與通信系統(tǒng)的組成部分，上電以后，該單元通過(guò)一個(gè)自測(cè)過(guò)程，完成自測(cè)過(guò)程以后，模塊進(jìn)入正常操作模式。當(dāng)設(shè)備處于正常操作模式時(shí)，不干擾其正常功能的循環(huán)測(cè)試。CCU1和CCU2是特性控制和邏輯控制的核心[7]。

4.3 交直傳動(dòng)控制

控制系統(tǒng)相關(guān)控制部件分別布置在交直傳動(dòng)控制臺(tái)、交直傳動(dòng)控制柜中。

交直傳動(dòng)控制臺(tái)是系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，在控制臺(tái)上布置有控制器、控制單元及顯示單元、控制開關(guān)組、顯示儀表及指示燈等。

交直傳動(dòng)控制柜上的交直傳動(dòng)主控單元，與布置在控制臺(tái)上的中央控制單元、顯示單元通過(guò)MVB控制網(wǎng)絡(luò)連成一體，接受來(lái)自控制開關(guān)組和控制器的各種指令，組織系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.4 交直交傳動(dòng)控制

控制系統(tǒng)的相關(guān)控制部件分別布置在交直交傳動(dòng)控制臺(tái)、交直交傳動(dòng)控制柜中。

交直交傳動(dòng)控制臺(tái)是系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，在控制臺(tái)上布置有控制器、控制單元及顯示單元、控制開關(guān)組、顯示儀表及指示燈等。

交直交傳動(dòng)控制柜上的交直交傳動(dòng)控制單元，與布置在控制臺(tái)上的中央控制單元、顯示單元通過(guò)MVB控制網(wǎng)絡(luò)連成一體，接受來(lái)自控制開關(guān)組和控制器的各種指令，組織系統(tǒng)的運(yùn)行[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

基于TCN網(wǎng)絡(luò)的電力機(jī)車電力牽引及其控制系統(tǒng)，由中國(guó)北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心已經(jīng)研制完成，在北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、華東交通大學(xué)等電力牽引及傳動(dòng)控制系統(tǒng)專門教學(xué)研究機(jī)構(gòu)投入使用，對(duì)于本科生或研究生等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)和理論研究更有很大的幫助。通過(guò)對(duì)四象限整流器和逆變器單元應(yīng)用程序的編寫，可以在地面上進(jìn)行機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)，對(duì)中央控制單元和網(wǎng)關(guān)單元應(yīng)用程序的編寫，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，必將為中國(guó)鐵路機(jī)車車輛發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

[1]黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]趙叔東.韶山8型電力機(jī)車[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[3]王書林.電力牽引控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[4]張曙光.HXD3型電力機(jī)車[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[5]崔殿國(guó).SSJ3型交流傳動(dòng)電力機(jī)車[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[6]倪文波.王雪梅.高速列車網(wǎng)絡(luò)與控制技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

[7]宋雷鳴.動(dòng)車組傳動(dòng)與控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[8]姜悅禮.上海低速磁浮列車試驗(yàn)線電氣系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2007，129（3）：48-50.