CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真研究

李瑞榮 譚喜堂 許春生

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，510430，廣州；2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，200092，上?！蔚谝蛔髡?，副教授）

高速動(dòng)車組具有行駛速度快、運(yùn)行過程平穩(wěn)、車內(nèi)環(huán)境優(yōu)雅、旅客乘坐感好等優(yōu)勢(shì)，得到了廣大旅客的喜愛，成為人們出行的首選。目前，我國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)正處于對(duì)國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)和吸收消化階段。如何充分利用現(xiàn)有的有利資源與良好的外界條件來(lái)發(fā)展我國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)，成為擺在我國(guó)機(jī)車研究者與“鐵路人”面前的一道難題，迫切需要在短期內(nèi)消化吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，以便為將來(lái)研制開發(fā)擁有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速動(dòng)車組做好充分的準(zhǔn)備。CRH1型動(dòng)車組是中國(guó)高速動(dòng)車組的重要組成部分，對(duì)CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，有利于對(duì)CRH1動(dòng)車組先進(jìn)技術(shù)的消化吸收，為CRH1型動(dòng)車組的技術(shù)革新及進(jìn)一步開發(fā)新型高速動(dòng)車組提供理論參考。

1 CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)概述

CRH1型動(dòng)車組由8輛車構(gòu)成1個(gè)基本編組，并分成3個(gè)基本單元，如圖1所示。其包含4種類型的車輛：①車端帶司機(jī)室的動(dòng)車（Mc1，Mc2）；②帶受電弓的中間拖車（Tp1，Tp2）；③不帶受電弓的中間拖車（帶吧臺(tái)拖車，Tb）；④中間動(dòng)車（M1，M2，M3）。

CRH1型動(dòng)車組屬于交－直－交傳動(dòng)的電力牽引。其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程，如圖2所示。受電弓從接觸網(wǎng)接受25kV、50Hz的高壓交流電能，經(jīng)過安裝在車底架上的主變壓器降成900V、50Hz交流電；降壓后的交流電經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成DC 1 650V直流電能；該直流電再由變流器轉(zhuǎn)換成頻率可變、電壓可變的三相交流電送給牽引電動(dòng)機(jī)；電能被轉(zhuǎn)換成牽引列車的機(jī)械能。

2 牽引系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器

CRH1型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器采用的是兩重四象限變流器系統(tǒng)。它由2個(gè)四象限變流器并聯(lián)而成。動(dòng)車組由高壓交流接觸網(wǎng)供電。四象限變流器主要是將已經(jīng)降低幅值的交流電壓變換為直流電壓，供逆變器－異步電機(jī)牽引使用；在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，能夠把電能反饋輸送到電網(wǎng)中去。在四象限變流器使用過程中，應(yīng)在直流側(cè)提供平直的直流電流和直流電壓，且使交流供電網(wǎng)保持很好的功率因數(shù)。四象限變流器在PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)控制下能夠很好地滿足這些要求，并且具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了使四象限變流器網(wǎng)側(cè)電流的等效干擾電流最小，一般采用多個(gè)四象限變流器并聯(lián)的方式向異步牽引電機(jī)系統(tǒng)供電。每個(gè)四象限變流器的控制調(diào)制信號(hào)的三角載波互相錯(cuò)開一定的角度，使四象限變流器的輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開，在牽引變壓器二次側(cè)電流總量中抵消部分諧波。四象限變流器系統(tǒng)主要由牽引變壓器二次側(cè)、四象限變流器、中間電路和PWM控制器等組成。

圖1 CRH1型動(dòng)車組的列車基本編組

圖2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程示意圖

為了建立網(wǎng)側(cè)變流器仿真數(shù)學(xué)模型，可不考慮IGBT（絕緣柵門極晶閘管）和二極管的換流過程，把整流元件看成理想開關(guān)，忽略其中的保護(hù)電路，分別用一個(gè)電感和一個(gè)電阻元件代替牽引變壓器的二次側(cè)漏感和電阻。簡(jiǎn)化后的網(wǎng)側(cè)變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩重四象限變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PWM信號(hào)控制下的整流元件具有不同導(dǎo)通狀態(tài)，相應(yīng)的變流器系統(tǒng)具有不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)根據(jù)PWM控制信號(hào)和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立各主電路結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。兩重四象限變流器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：iN1，iN2——變壓器二次側(cè)電流；

ud——中間直流電壓；

i2——濾波電流；

u2——濾波電感電壓；

uN——變壓器二次側(cè)電壓；

iL——中間直流負(fù)載電流；

α、β、ξ、η——數(shù)學(xué)模型內(nèi)部參數(shù)。

參數(shù)α、β、ξ、η和PWM信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

2.2 矢量控制

CRH1動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)采用矢量控制的控制方式，決定牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的是加在其上的交流電壓的頻率和幅值?？蓪⑿枰碾妷菏噶糠纸獬纱沛満娃D(zhuǎn)矩兩個(gè)分量，這兩個(gè)分量值作為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩控制器的輸入量。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩分量通過測(cè)量值和電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型（或觀測(cè)器）實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)作為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩控制器的反饋量，經(jīng)過磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩控制器的運(yùn)算后輸出一個(gè)電壓矢量基準(zhǔn)；用該基準(zhǔn)矢量對(duì)PWM進(jìn)行控制，生成變流器功率器件IGBT的觸發(fā)控制脈沖，從而實(shí)現(xiàn)完整的電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。矢量控制框圖如圖4所示。

表1 數(shù)學(xué)模型內(nèi)部參數(shù)與PWM信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在同步旋轉(zhuǎn)的MT直角坐標(biāo)系中，將M軸方向固定在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，因此矢量控制又稱為磁場(chǎng)定向控制。在沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的M、T同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子短路，則電壓方程矩陣可簡(jiǎn)化為：

UsM——定子電壓在M軸上的分量；

UsT——定子電壓在T軸上的分量；

isM——定子電流在M軸上的分量；

isT——定子電流在T軸上的分量；

irM——轉(zhuǎn)子電流在M軸上的分量；

irT——轉(zhuǎn)子電流在T軸上的分量；

Rs——定子的電阻；

Rr——轉(zhuǎn)子的電阻；

簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)備操作、調(diào)整技能；測(cè)繪制圖技能；液壓傳動(dòng)維護(hù)檢修技能；生產(chǎn)工藝設(shè)備操作；調(diào)整技能及產(chǎn)品質(zhì)量控制技巧等等能力。

Ls——定子的電感；

Lr——轉(zhuǎn)子的電感；

Lm——定轉(zhuǎn)子繞組間的互感；ωs——同步旋轉(zhuǎn)角速度；

ω——轉(zhuǎn)差角度頻率；

定子在M軸和T軸上的電流如下：

式中：

Tr——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，Tr＝Lr／Rr；

ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈；

Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

np——極對(duì)數(shù)。

轉(zhuǎn)差角度頻率如下：

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩只由isT決定，此時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別由isM和isT獨(dú)立控制，磁鏈與轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了解耦。

3 仿真與分析

在充分了解了CRH1型動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)與再生制動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊在整個(gè)過程中的作用之后，建立CRH1型動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)仿真模型。

3.1 仿真模型的搭建

在仿真軟件 Matlab／Simulink環(huán)境下搭建CRH1動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型（見圖5）。參數(shù)設(shè)置依照CRH1型動(dòng)車組原型［1］以及真車試驗(yàn)參數(shù)：交流電源為25kV、50Hz；變壓器原邊電壓為25kV，副邊電壓為900V；牽引電動(dòng)機(jī)的額定功率為265kW，額定電壓為1 287V，額定頻率為92Hz；定子電阻為0.098 4Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.096 4 Ω；定子漏感為0.001 73H，轉(zhuǎn)子漏感為0.001 71 H，互感為0.018 8H，極對(duì)數(shù)為2。

圖5中的網(wǎng)側(cè)變流器模塊（Grid－side converter）的仿真模型如圖6所示。

圖5 CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)CRH1型動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?變化至5 500r／min時(shí)，結(jié)果如下。

圖7為CRH1型動(dòng)車組仿真牽引過程中的網(wǎng)側(cè)變流器輸出的直流電壓ud，在時(shí)間t＝0～0.2s時(shí)，電壓抖動(dòng)比較大，隨著時(shí)間的推移，電壓始終維持在1 650V，基本符合真車試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8為CRH1型動(dòng)車組仿真牽引過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。圖8中，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200 r／min以下時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本維持恒定，為恒力區(qū)；當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200～5 500r／min之間時(shí)，牽引力受電機(jī)功率的限制，隨著速度的升高而減小，維持在恒功區(qū)。圖8的仿真曲線基本與圖9的真車試驗(yàn)曲線相符。

圖6 CRH1型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器輸出的直流電壓（仿真）

圖8 牽引過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（仿真）

圖9 牽引過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（試驗(yàn)）

圖10 再生制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（仿真）

圖10為CRH1型動(dòng)車組仿真再生制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在圖10中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在300r／min以下時(shí)，由于轉(zhuǎn)速太小，再生制動(dòng)力基本為0；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在300～1 200r／min時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本維持恒定，為恒力區(qū)；當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200～5 500r／min時(shí)，制動(dòng)力受電機(jī)功率的限制，隨著速度的升高而減小，維持在恒功區(qū)。圖10的仿真曲線基本與圖11的真車試驗(yàn)曲線相符。

圖11 再生制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（試驗(yàn)）

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于仿真軟件 Matlab／Simulink平臺(tái)，建立了CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果基本符合CRH1型動(dòng)車組的真車實(shí)驗(yàn)情況。對(duì)CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，有助于對(duì)CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并為其它新型動(dòng)車組及高速列車牽引系統(tǒng)的開發(fā)研究提供理論參考。

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