100%低地板車牽引變流系統(tǒng)控制技術(shù)

陳德文 董 侃 刁利軍

(1.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)春 130000;2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

100%低地板車牽引變流系統(tǒng)控制技術(shù)

陳德文1董 侃2刁利軍2

(1.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)春 130000;2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

介紹我國(guó)首列完全自主研制的100%低地板車牽引變流系統(tǒng)的組成及其牽引控制技術(shù):采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)的控制，控制性能良好;分析列車控制功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)理和相互之間的邏輯關(guān)系，給出了載荷調(diào)整、防滑/防空轉(zhuǎn)等重要的列車控制策略。給出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形，驗(yàn)證其良好的牽引控制性能。

城市軌道交通;100%低地板車;牽引系統(tǒng);矢量控制;防滑防空轉(zhuǎn)

1 輕軌車輛優(yōu)點(diǎn)

輕軌交通(light rail transport，LRT)是鐵路運(yùn)輸?shù)囊环N，又稱輕軌捷運(yùn)、輕軌鐵路，簡(jiǎn)稱“輕軌”，泛指所有在道路、街道上面或旁邊行走的電車以及多節(jié)的鐵路列車［1］。與地鐵相比，輕軌交通具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)［2－4］。人性化、建設(shè)成本低、周期短:低地板輕軌車客室的地板面低，只需要很低的站臺(tái)，可方便老人、小孩上下車，輕軌在土建成本上遠(yuǎn)低于地鐵，建設(shè)周期也短得多。噪聲低:輕軌不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生太大的影響。景觀和諧:由于基本不需要建設(shè)隧道和高架，所以不會(huì)對(duì)城市環(huán)境和景觀造成破壞，與城市建設(shè)相結(jié)合，反而給人一種和諧之美。節(jié)能:沒有因?yàn)樗淼蓝黾拥沫h(huán)控設(shè)備費(fèi)用和二次能源消耗。靈活適應(yīng)運(yùn)量變化:輕軌車“短小精悍”，可以更好地應(yīng)對(duì)高低峰時(shí)刻客流反差引起的編組變更問題。

依托國(guó)家“十一五”科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目“100%低地板車研制”，以北車長(zhǎng)春客車股份有限公司、北京交通大學(xué)、北車大連研發(fā)中心、北車永濟(jì)電機(jī)廠為主要合作單位，成功開發(fā)研制出我國(guó)首列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的100%低地板輕軌車(見圖1)，掌握了以下關(guān)鍵核心技術(shù):獨(dú)立輪動(dòng)/拖車轉(zhuǎn)向架、輕量化鋁合金車體、牽引變流器、輔助逆變器及充電機(jī)、牽引電機(jī)、列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、多模塊鉸接裝置等關(guān)鍵技術(shù)［5］。下面從系統(tǒng)組成、電機(jī)控制技術(shù)、車輛控制、運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果等方面，介紹由北京交通大學(xué)負(fù)責(zé)研制的牽引變流系統(tǒng)的控制技術(shù)。

圖1 我國(guó)首列100%低地板輕軌車

2 牽引變流系統(tǒng)

2.1 變流系統(tǒng)組成

如圖2所示，整車變流系統(tǒng)由牽引系統(tǒng)TSYS1和TSYS2組成，每個(gè)變流系統(tǒng)包括1套牽引變流器TCU(traction control unit)、1套輔助變流器。牽引變流器主要用于將直流電轉(zhuǎn)換成可變頻變壓的交流電，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行控制;牽引控制采用1個(gè)逆變器控制1個(gè)牽引電機(jī)的1C1M方式，同時(shí)完成車輛控制和電機(jī)控制功能。

2.2 變流系統(tǒng)功能

整個(gè)變流系統(tǒng)與列車獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架的縱向布置電機(jī)對(duì)應(yīng)，牽引變流系統(tǒng)采用1C1M模式，系統(tǒng)功能包括牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車輛控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等，如圖3所示。

圖2 變流器系統(tǒng)組成

圖3 牽引變流系統(tǒng)功能

牽引變流系統(tǒng)接收司控臺(tái)的給定指令，通過先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，將750 V直流電壓變換成電壓幅值及頻率可變的交流電壓來控制牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)列車的牽引/制動(dòng)功能。通過CANOpen網(wǎng)絡(luò)與列車控制單元(vehicle control unit，VCU)配合，同時(shí)通過硬線的直接輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的邏輯控制，包括防滑控制、制動(dòng)配合等。通過以太網(wǎng)絡(luò)與電腦的通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變流系統(tǒng)的直接監(jiān)控、故障數(shù)據(jù)下載和診斷以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試功能，具有友好的人機(jī)接口。

2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)完善的電機(jī)控制、車輛控制及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，變流系統(tǒng)的控制采用雙數(shù)字信號(hào)處理器DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA結(jié)構(gòu)，軟件控制采用分層方式，如圖4所示。

1)頂層:主要由DSP1完成系統(tǒng)的監(jiān)控、診斷、顯示及其他低速控制功能，并實(shí)現(xiàn)與司控臺(tái)和VCU以及人機(jī)接口的通信，控制周期為ms級(jí)。

2)中層:由DSP2實(shí)現(xiàn)主要的電機(jī)控制算法和信號(hào)邏輯控制，采用高級(jí)語言C或C++實(shí)現(xiàn)，控制周期為幾十到幾百μs。

3)快速控制:由FPGA完成，包括系統(tǒng)級(jí)保護(hù)、數(shù)據(jù)交互、信號(hào)測(cè)量等功能，周期一般小于100 μs。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4)驅(qū)動(dòng)層:主要實(shí)現(xiàn)功率單元的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能，速度最快。

3 牽引電機(jī)控制

輕軌車采用3對(duì)極的異步感應(yīng)電機(jī)，由于其具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變等特點(diǎn)［6］，為了得到良好的控制性能，最后采用了以矢量控制策略為主的電機(jī)控制技術(shù)。

3.1 矢量控制原理

控制原理如圖5所示［7］:采樣定子兩相電流，通過三相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)的Park變換，得到定子^電流的同步旋轉(zhuǎn)dq軸分量id、iq，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子磁鏈ψr。司控器手柄給出參考牽引力，經(jīng)過列車牽引特性曲線及牽引力，由電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換后得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，經(jīng)Iqcal模塊得到轉(zhuǎn)矩分量的給定量i*q;由轉(zhuǎn)矩分量給定i*q和轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算得到給定轉(zhuǎn)差頻率，加上轉(zhuǎn)子頻率后積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈的位置角θe，作為下次旋轉(zhuǎn)變換的變換角。把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速送入弱磁單元得到轉(zhuǎn)子磁鏈給定值，對(duì)實(shí)際值進(jìn)行PI1運(yùn)算后獲得定子電流的勵(lì)磁分量給定值。將轉(zhuǎn)矩分量給定i*q和勵(lì)磁分量給定i*d分別與實(shí)際采樣值iq和id相減，經(jīng)PI3運(yùn)算后得到dq坐標(biāo)系的電壓分量 uds、uqs，與耦合分量 udcc、uqcc相加后，得到經(jīng)前饋解耦后的電壓控制信號(hào)u*ds、u*qs，送入空間矢量調(diào)制模塊，得到脈沖信號(hào)，送給電壓型逆變器進(jìn)行電機(jī)控制。

3.2 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果

圖6給出了實(shí)際列車牽引/制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)的試驗(yàn)波形，圖7給出了采用矢量控制的列車運(yùn)行波形，從圖中可以看出，牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的良好控制，列車牽引制動(dòng)穩(wěn)定。

圖5 牽引電機(jī)矢量控制原理

圖6 牽引電機(jī)矢量控制試驗(yàn)波形

圖7 列車正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)控制相關(guān)波形

圖8 TCU狀態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)換

4 車輛控制

車輛控制主要是根據(jù)司機(jī)給定指令和車輛的工況進(jìn)行控制，以維持列車穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。車輛的啟動(dòng)、運(yùn)行、關(guān)閉均由牽引控制單元(traction control unit，TCU)控制，TCU的幾種控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖8所示，各種狀態(tài)動(dòng)作如下:

1)待機(jī)(IDLE):當(dāng)直流側(cè)電壓大于500V時(shí)，輔助逆變器運(yùn)行正常，TCU進(jìn)入IDLE狀態(tài)，等待充電指令。

2)準(zhǔn)備(READY):當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓在滿足運(yùn)行范圍時(shí)(500～900 V)，檢測(cè)司控器指令;當(dāng)有充電命令時(shí)，對(duì)直流母線電容充電。充電完后，TCU進(jìn)入READY狀態(tài)，等待運(yùn)行指令。

3)運(yùn)行(RUN):充電完成后，根據(jù)司控器指令，控制列車牽引、制動(dòng)運(yùn)行，TCU進(jìn)入RUN狀態(tài)。

4)故障(TRIP):當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，TCU進(jìn)入TRIP狀態(tài)。TCU會(huì)相應(yīng)地封鎖脈沖，斷開線路接觸器，給出故障信號(hào)。TCU存儲(chǔ)故障信息后，重啟再運(yùn)行，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

考慮各種因素，可以認(rèn)為整個(gè)車輛的控制邏輯是一個(gè)由各種約束組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 車輛控制邏輯

其中，“系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)機(jī)”表示列車的行駛方向(向前、向后、無方向或方向切換)和牽引、制動(dòng)、惰行以及限速、洗車、倒行等狀態(tài)的判斷和執(zhí)行;在此基礎(chǔ)上，根據(jù)列車速度和司機(jī)給定的牽引力指令，通過“牽引特性曲線”得到初步的給定牽引力;然后考慮車輛載荷、系統(tǒng)狀態(tài)以及沖動(dòng)、防滑等因素，得到最終的給定牽引力，由牽引系統(tǒng)控制牽引電機(jī)達(dá)到期望的控制效果?！跋到y(tǒng)限制”主要考慮在系統(tǒng)異常的情況下適當(dāng)降低牽引力，以保證系統(tǒng)在異常狀態(tài)不惡化的情況下保持列車的持續(xù)運(yùn)行，主要考慮過溫(變流器、電機(jī)、空氣等過溫)、同一轉(zhuǎn)向架的輪徑差太大、超速、輪徑異常、網(wǎng)壓異常等因素的影響?！皼_動(dòng)控制”主要具有以下作用:獲得平滑的給定，限制牽引/制動(dòng)的功率突變以減小EMI，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。對(duì)于路權(quán)獨(dú)立或帶平交路口的線路，輕軌車的沖動(dòng)率一般控制在1.0 m/s3以內(nèi);而對(duì)于共享路權(quán)的線路，則可以控制在2.0～3.0 m/s3。沖動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，將通過調(diào)節(jié)牽引力或制動(dòng)力的上升/下降斜率來進(jìn)行。載荷調(diào)整及防滑/防空轉(zhuǎn)的控制原理將在后面論述。

4.1 載荷調(diào)整功能

載荷調(diào)整的主要作用是:根據(jù)實(shí)際車輛載荷的變化，適時(shí)調(diào)整給定牽引力，以保證列車牽引制動(dòng)的平穩(wěn)性，一般按照比例進(jìn)行調(diào)整，如圖10所示。

圖10 載荷調(diào)整后的車輛控制邏輯

載荷調(diào)整必須符合以下原則:每站間只進(jìn)行一次載荷修正及運(yùn)算調(diào)整;在未知載荷的情形下，默認(rèn)采用AW2載荷參與運(yùn)算;如果有隔離的或關(guān)閉的TCU模塊，將負(fù)載修正系數(shù)設(shè)置到100%，以模擬最大負(fù)荷;在高速段，由于車輛阻力存在，將負(fù)載修正系數(shù)設(shè)置到100%，以補(bǔ)償阻力。

4.2 防滑/防空轉(zhuǎn)控制

牽引系統(tǒng)的防滑/防空轉(zhuǎn)模塊用在不利的軌道條件下，以提高加速和減速的性能，具有以下任務(wù):充分利用輪軌黏著力;防止?fàn)恳龝r(shí)驅(qū)動(dòng)軸的空轉(zhuǎn)，以及制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的滑行;減少車輪和軌道的磨耗。

防滑/防空轉(zhuǎn)保護(hù)由TCU執(zhí)行，且此控制功能僅對(duì)動(dòng)車施加，制動(dòng)時(shí)拖車的滑行保護(hù)由制動(dòng)控制單元BCU執(zhí)行，其基本原理如圖11所示。對(duì)動(dòng)車兩個(gè)電機(jī)的速度和拖車速度進(jìn)行測(cè)量，并將其傳輸?shù)絋CU牽引控制單元中，再對(duì)測(cè)量值進(jìn)行比較，以獲得參考車速;TCU連續(xù)監(jiān)控參考速度和動(dòng)車電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，如果有差值，則牽引力就自動(dòng)減少，以滿足輪軌黏著力;如果軌道條件變好，摩擦系數(shù)變高，那么牽引力將按照一定的斜率(可調(diào)節(jié))提高到輪軌黏著力。這種通過限制牽引力矩來抵消滑行和空轉(zhuǎn)的方法，被廣泛應(yīng)用于輕軌系統(tǒng)。

圖11 防滑/防空轉(zhuǎn)基本原理

當(dāng)TCU無法獲取參考車速時(shí)，使用無參考速度的防滑/防空轉(zhuǎn)模塊，將根據(jù)動(dòng)車電機(jī)的加速度進(jìn)行保護(hù)。

為了驗(yàn)證列車防滑/防空轉(zhuǎn)的控制效果，將肥皂液或混合劑灑在列車前進(jìn)方向側(cè)車輪踏面的軌面上，使受試車輛具備產(chǎn)生空轉(zhuǎn)或滑行的條件。測(cè)試時(shí)，使用最大牽引級(jí)位，使列車達(dá)到40～70 km/h的速度，然后使用最大制動(dòng)力停車，獲得的試驗(yàn)波形如圖12所示。可以看出，被控電機(jī)速度與參考速度的差異較小，控制效果良好。

圖12 防滑/防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)波形

5 結(jié)語

我國(guó)第一列100%低地板車已在長(zhǎng)春輕軌正線完成了5 000 km的中試試驗(yàn)，充分說明了所研制的牽引變流系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有良好的電機(jī)控制和車輛控制性能，為車輛的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了重要保障，也為我國(guó)完全自主創(chuàng)新、自主研發(fā)的低地板車技術(shù)裝備的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)提供了有力的支持。

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Control Technologies of Traction Converter for 100%Low－Floor Vehicles

Chen Dewen1Dong Kan2Diao Lijun2
(1.Changchun Railway Group Co.，Ltd，Changchun 130000;2.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:This paper introduces the composition and traction control functions of the traction converter system for the first domestic 100%low-floor vehicles,which were innovated by ourselves with the complete proprietary intellectual property right.Advanced vector control was adopted for motor control of independent-wheel bogie with good performance achieved.The train control theory and logic relation were also analyzed,such as load regulation,anti-slip/slide control,etc.The onsite experimental wave forms validated the good performance of traction control.

Key words:urban rail transit;100%low-floor vehicle;traction system;vector control;anti-slip/slide

U266.2

A

1672－6073(2012)04－0111－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2012.04.027

收稿日期:2011－07－02

2011－08－1

作者簡(jiǎn)介:陳德文，男，副經(jīng)理，工程師，從事城市軌道交通電力牽引及電力電子技術(shù)與傳動(dòng)研究，ljdiao@bjtu.edu.cn

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2006BAG02B00);北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D101100049610001)

(編輯:郭 潔)