基于LabVIEW語言的地鐵列車能量互饋型交流傳動仿真平臺設計＊

呂建國 胡文斌 李培偉 王勇博 吳超飛

（1.南京理工大學能源與動力工程學院，210094，南京；2.南京理工大學自動化學院，210094，南京∥第一作者，博士研究生）

為了對地鐵列車站間的牽引過程進行離線模擬，本文基于LabVIEW語言對“雙逆變器 雙電機”能量互饋型交流傳動仿真平臺進行研究。該仿真平臺運用了目前國際上較為先進的交流傳動仿真試驗方法。

本文介紹的仿真試驗平臺通過LabVIEW語言對電機進行矢量控制，通過LabVIEW設計的界面按照實際的地鐵站間運行數(shù)據(jù)控制牽引電機和負載電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，測量母線側(cè)的電流數(shù)據(jù)，分析列車牽引系統(tǒng)的節(jié)能特性，為進一步研究列車牽引策略打下基礎。

1 能量互饋型牽引系統(tǒng)的工作原理

“雙逆變器-雙電機”能量互饋型牽引系統(tǒng)由一個四象限變流器和兩個共直流母線的逆變器構(gòu)成，如圖1所示。四象限變流器整流出的直流電供給逆變器INV1和INV2。INV1控制牽引電機M1的定子頻率大于轉(zhuǎn)子頻率，運行于電動狀態(tài)，其電磁轉(zhuǎn)矩與電機旋轉(zhuǎn)方向相同，提供互饋試驗臺的牽引力。M1通過聯(lián)軸器帶動負載電機M2轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的有效傳導。INV2控制M2的定子頻率小于轉(zhuǎn)子頻率，運行于發(fā)電狀態(tài)。M2的力矩作為M1的模擬負載阻力矩，由上位機控制INV2調(diào)節(jié)負載阻力矩，使之運行于特定的負載曲線，達到模擬各種工況的目的。同時，INV2將M2發(fā)出的交流電能回饋至母線側(cè)，供給M1使用，或者通過變流器回饋電網(wǎng)，使能量得到充分利用。

2 仿真試驗平臺主要結(jié)構(gòu)

仿真試驗平臺的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 雙逆變器 雙電機能量互饋型牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 仿真試驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)電能經(jīng)過LCL（電感-電容 電感）濾波器后進入試驗系統(tǒng)。濾波電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，濾波器輸出端的扼流圈和電容用于濾除信號中的高頻分量；電網(wǎng)側(cè)與地相連的電容以及兩端跨接的電阻用于當輸入功率斷開時對電容器進行放電處理，試驗中設置的放電電阻規(guī)格為10mΩ、0.5W。

圖3 LCL濾波電路

濾波器輸出端連接四象限變流單元，仿真試驗平臺中使用主動前端（Active Front End，簡為AFE）完成四象限變流器功能。AFE無論在整流還是逆變狀態(tài)下均通過IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）開關(guān)狀態(tài)的切換來實現(xiàn)相應的功能。因此，兩種狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)的電流都是諧波很少的正弦波，功率因數(shù)也接近于1，大大減少了對電網(wǎng)的干擾［3］。AFE的拓撲為一個Boost逆變器，因此在AFE后側(cè)的母線電壓會高于電網(wǎng)電壓峰值，可以在電網(wǎng)電壓較低時或波動較大時保持直流母線電壓的穩(wěn)定［4］。

直流母線前端掛接AFE變流單元，后端掛接兩套相同的逆變裝置，分別控制兩臺異步電機。兩電機軸端接有轉(zhuǎn)矩傳感器。該傳感器可以測量軸端的機械轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號，傳感器的輸出信號均為等幅值脈沖，幅值大小為8V。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大小與輸出脈沖頻率的關(guān)系為：

式中：

T——輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；

fT——轉(zhuǎn)矩輸出脈沖頻率，kHz；

fn——轉(zhuǎn)速輸出脈沖頻率，kHz；

n——輸出機械轉(zhuǎn)速，r／min；

Z——傳感器測速齒數(shù)，此處Z取60。

由傳感器采樣到的脈沖信號經(jīng)過積分器轉(zhuǎn)換為電壓信號，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：

uT——轉(zhuǎn)矩電壓信號；

un——轉(zhuǎn)速電壓信號。

電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電壓信號范圍分別為－5V～5V和0～5V。為避免功率電路對弱電控制單元的噪聲影響，由傳感器得到的弱電信號需要經(jīng)過線性光耦隔離芯片進行隔離與整形。隔離后的信號送入NI（美國國家儀器有限公司）數(shù)據(jù)采集板卡。由轉(zhuǎn)矩傳感器得到的信號作為反饋信號送入上位機進行處理；上位機使用基于電壓偏差解耦的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略對電機進行控制。

3 偏差解耦矢量控制

在保證仿真試驗平臺2臺電機中1臺處于牽引電動狀態(tài)、1臺處于負載發(fā)電狀態(tài)的基礎上，為了實現(xiàn)對仿真試驗平臺任意狀態(tài)的精準控制，需要分別對牽引電機實行轉(zhuǎn)速閉環(huán)，對負載電機實行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，并應用矢量控制算法。

3.1 感應電動機數(shù)學模型

當按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，感應電動機電壓方程［5］如下：

式中：

Rs——定子電阻；

isd——定子勵磁電流分量；

isq——轉(zhuǎn)矩電流分量；

Ls——定子自感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感；

Lm——定轉(zhuǎn)子間的互感；

ω1——旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速；

Ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈。

對應式（5）、（6）的電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖［6］如圖4所示。從圖4可以看到：動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中存在著定子勵磁電流分量isd和轉(zhuǎn)矩電流分量isq的交叉耦合，使得轉(zhuǎn)矩電流的調(diào)節(jié)受到勵磁電流的影響。

圖4 電機交叉耦合動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

感應電動機的交叉解耦可以通過計算消除d軸（直軸）與q軸（交軸）之間的交叉耦合電壓，將定子電流d、q軸分量的控制轉(zhuǎn)化成兩個獨立通道的單回路控制系統(tǒng)，以達到感應電動機的isd僅受各d軸分量影響，isq僅受各q軸分量影響的目的［7］。

3.2 基于電壓型偏差解耦算法的矢量控制

針對電動機的交叉耦合，前人提出了許多解耦方法，主要有：電壓型前饋解耦［8］、電壓型反饋解耦［9］、基于控制理論不變性原理的偏差解耦等解耦方法。

考慮到仿真試驗平臺高動態(tài)性能要求，并且實際模擬阻力的計算過程存在較大的反饋延時，引入電壓型偏差解耦矢量控制作為試驗臺的控制策略。

根據(jù)控制理論中的不變性原理，偏差解耦從電機給定電流和反饋電流的偏差處引入異步電機的外部解耦支路來抵消異步電機交叉耦合電壓項的耦合作用，消除其耦合影響［10］。其原理如圖5所示。

圖5 偏差解耦控制原理圖

根據(jù)完全解耦條件，即直軸電流isd僅受其直軸電流給定值的控制，而與異步電機的交軸電流給定值無關(guān)；交軸電流isq僅受其交軸電流給定值的控制，而與異步電機的直軸電流給定值無關(guān)。因此，可以推導得到偏差解耦型矢量控制系統(tǒng)解耦后的直軸電壓分量udjo和交軸電壓分量uqjo的關(guān)系為：

式中：

ωs——定子磁場的同步轉(zhuǎn)速。

偏差解耦算法利用電機給定電流和反饋電流之間的偏差，實時地對交叉耦合項的解耦電壓進行計算，避免了反饋解耦中等到電動機耦合影響產(chǎn)生后才進行解耦的缺陷，解決了反饋解耦中定子電流延遲對解耦電壓計算的影響；同時，實時的解耦計算，消除了前饋解耦不能根據(jù)電動機實際耦合情況對電動機進行實時解耦的缺點。

4 基于LabVIEW語言的平臺設計

仿真試驗平臺使用LabVIEW圖形化編程語言對采集來的“雙逆變器-雙電機”系統(tǒng)的軸端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號進行顯示、存儲；同時，采樣電機端三相電流數(shù)據(jù)，通過偏差解耦矢量控制方法對牽引電機和負載電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進行控制。程序流程如圖6所示。

圖6 LabVIEW軟件控制流程圖

圖6左側(cè)所示為數(shù)據(jù)給定流程，右側(cè)所示為數(shù)據(jù)采樣、控制和存儲流程。

數(shù)據(jù)給定的基本過程為：將列車自動駕駛曲線所用到的速度數(shù)據(jù)以文本形式存入計算機中，程序操作者通過指定路徑可以讀出該數(shù)據(jù)。文本中的數(shù)據(jù)包括兩列，一列為時間，一列為速度。程序以二維數(shù)組格式讀入所有數(shù)據(jù)，再通過索引函數(shù)將時間數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)分離；時間數(shù)據(jù)作為For循環(huán)的循環(huán)間隔，速度數(shù)據(jù)在循環(huán)程序中給定輸出通道，進入逆變器接口。同時，程序需要給定負載電機的轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩即牽引電機所承受的牽引力矩。程序中使用Alstom公司阻力公式結(jié)合列車慣性給出了負載電機的阻力轉(zhuǎn)矩特性：

式中：

T——負載電機給定轉(zhuǎn)矩，Nm；

M——一列車的總質(zhì)量，kg；

R——車輪半徑，m；

d v／d t——列車速度變化率；

f——列車阻力，kN；

C——齒輪傳動比；

η——機械傳動效率。

數(shù)據(jù)采樣存儲過程為：該部分采樣電機軸端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電機電流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)先經(jīng)過軟件濾波。其中，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號需要根據(jù)式（1）～式（4）所示的數(shù)據(jù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為原始轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值，再進入存儲顯示模塊，可以按照一定的格式保存到文本文件中，也可以直接在操作界面中實時觀測數(shù)據(jù)和波形。電機電流信號進入偏差解耦控制模塊得到逆變器控制脈沖，并寫入逆變器接口。

圖7為該仿真試驗平臺設計的操作界面。

5 動態(tài)負載模擬牽引系統(tǒng)仿真分析

為驗證方案的可行性，使用MABLAB7.1仿真軟件中的simulink對實際列車上的“雙電機雙逆變器”交流傳動進行仿真分析。

圖7 動態(tài)負載模擬操作界面

為模擬實際交流傳動系統(tǒng)，仿真中使用的電機參數(shù)與實際使用的參數(shù)完全一致，如表1所示。

表1 電機參數(shù)表

電機軸端轉(zhuǎn)速給定為100rad／s，負載電機給定轉(zhuǎn)矩由－300Nm切換到300Nm，切換時刻為0.2s。圖8所示為牽引電機和負載電機輸出轉(zhuǎn)矩波形；圖9所示分別為牽引逆變器和負載逆變器輸入電流波形。

圖8 兩電機輸出轉(zhuǎn)矩

圖9 兩逆變器輸入電流

從圖8可以看出，牽引電機是主動運動，而負載電機是被動運動。因此，牽引電機在啟動過程，轉(zhuǎn)矩較大，需要的輸入電流較大。當負載電機輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定為－300Nm時，向母線側(cè)輸出電流，即釋放能量；此時，牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定為300Nm，從母線吸收能量。這說明牽引電機處于電動狀態(tài)，而負載電機處于發(fā)電狀態(tài)，且能量在兩電機之間流動。當?shù)竭_0.2s切換點時，兩電機的運行狀態(tài)顛倒。

以上圖8、圖9的仿真波形說明了能量在直流母線側(cè)實現(xiàn)了互饋，且可以保證兩電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，驗證了試驗方案的可行性，為實物平臺的試驗奠定了理論基礎。

6 動態(tài)負載模擬交流傳動試驗

根據(jù)以上理論建立了基于“雙逆變器-雙電機”的動態(tài)負載模擬交流傳動試驗平臺。該平臺使用2臺完全相同的11kW三相交流異步電機。其額定工作頻率為50Hz，額定輸出扭矩為50Nm，額定輸出功率為11kW，定子繞組采用380V三角形接法，額定電流為21.7A，功率因數(shù)為0.88，額定轉(zhuǎn)速為2930r／min。

如圖2所示，2電機用2臺共直流母線結(jié)構(gòu)逆變器控制，公共母線側(cè)電壓基本穩(wěn)定在546V，逆變器通過LabVIEW進行偏差解耦矢量控制，并進行顯示、存儲等界面管理。

試驗中用于給定電機的轉(zhuǎn)速為南京地鐵1號線某區(qū)間列車運行的實際速度數(shù)據(jù)。由于仿真試驗平臺所用電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的最大值為50Nm，由式（9）計算出的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)需要縮小40倍后給定電機。

圖10和圖11分別模擬地鐵單區(qū)間線路時兩電機軸端轉(zhuǎn)速曲線和牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線。該數(shù)據(jù)是從圖7所示的LabVIEW顯示管理界面讀取的。

圖10 電機軸端轉(zhuǎn)速曲線

圖11 牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖11可以看出，列車啟動過程經(jīng)歷了恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的過程，電機啟動后列車基本勻速運行，因此施加在牽引電機上的轉(zhuǎn)矩較小，基本為零；列車制動時以最大制動力快速制動。因此，得到的試驗轉(zhuǎn)矩波形符合實際地鐵的運行過程。轉(zhuǎn)速峰值約為2700r／min，轉(zhuǎn)矩峰值約為40Nm。

圖12和圖13分別為牽引電機和負載電機輸入電流的波形。加速起動過程中，圖12牽引電機吸收電流的峰值約為17.45A，此時圖13中負載電機回饋電流約為－12.58A，這說明交流傳動仿真平臺在加速起動過程實際從電網(wǎng)中吸收的電流僅為4.87A。又母線側(cè)電壓穩(wěn)定在546V，因此，交流傳動仿真平臺在加速起動階段最大耗能只有2.659 kW。對于制動過程，牽引電機回饋電流的峰值約為－15.98A，負載電機吸收電流峰值約為20A。這說明交流傳動仿真平臺實際吸收的電流最大僅為4.02A，耗能為2.19kW。由于整個過程中電機的最大轉(zhuǎn)速已接近額定轉(zhuǎn)速，說明兩臺電機都已接近額定運行狀態(tài)，即輸出功率11kW，但交流傳動仿真平臺實際從電網(wǎng)中吸收的功率遠小于該值，說明了“雙逆變器-雙電機”交流傳動仿真試驗平臺的特點。

圖14為交流傳動仿真平臺母線的電流波形。該波形說明了交流傳動仿真平臺在加速起動和減速制動過程中從電網(wǎng)吸收的功率變化情況。從圖14也可以看出，交流傳動仿真平臺的實際消耗功率遠小于電機的額定功率。

圖12 牽引電機輸入電流波形

圖13 負載電機輸入電流波形

圖14 母線電流波形

圖15為牽引電機轉(zhuǎn)速為2800r／min時，負載電機的轉(zhuǎn)矩與回饋能量的關(guān)系。由圖15可以看出，隨著負載的增加，交流傳動仿真平臺回饋能量的效率逐漸提高，最大轉(zhuǎn)矩35Nm情況下交流傳動仿真平臺的能量回饋值達到95%。

圖15 回饋效率與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

7 結(jié)語

本文采用“雙逆變器－雙電機”方案，通過牽引電機和負載電機共直流母線結(jié)構(gòu)模擬軌道交通交流傳動牽引系統(tǒng)，利用LabVIEW對電機進行矢量控制，并制作相關(guān)界面，完成采樣、給定和存儲等功能。這對于研究列車的節(jié)能牽引策略具有一定的參考意義。

［1］李偉，張黎.鐵道牽引交流傳動試驗臺的發(fā)展［J］.鐵道機車車輛，2008（S1）：121.

［2］張林德.異步牽引電機互饋實驗系統(tǒng)的研究［D］.成都：西南交通大學，2005.

［3］黃全，李宇成.AFE裝置在提升機械的應用［J］.電氣時代，2010（8）：62.

［4］龔水遷.AFE在港口起重機中的應用［J］.發(fā)電技術(shù)，2010（4）：96.

［5］鄭瓊林.交流傳動互饋實驗臺與磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的比較［J］.電力電子，2004，2（2）：18.

［6］鄧永紅.電力牽引交流傳動互饋試驗臺系統(tǒng)的研究［D］.北京：北方交通大學，2005.

［7］周淵深.感應電動機交叉耦合電壓的內(nèi)模解耦研究［J］.機床與液壓，2008，36（7）：357.

［8］郭可忠，徐若穎.永磁同步電機的滑模變結(jié)構(gòu)控制［J］.中小型電機，1997，24（5）：13.

［9］舒志兵.交流伺服運動控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［10］胡文斌，丁晨，吳軍基.基于偏差解耦矢量控制的地鐵牽引試驗臺設計［J］.電氣傳動，2009，39（10）：52.