基于電力機(jī)車牽引電機(jī)在全速度范圍的控制策略研究

摘要：眾所周知，電力機(jī)車中牽引電機(jī)的控制性能一直以來(lái)都是電力機(jī)車最為核心技術(shù)的部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系著電力機(jī)車的平穩(wěn)運(yùn)行。本文主要以電力機(jī)車為著力點(diǎn)，對(duì)電力機(jī)車電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)以及電力機(jī)車牽引電機(jī)在全速度范圍的控制策略進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車;牽引電機(jī);矢量控制;策略

我們知道，軌道牽引動(dòng)力機(jī)車作為一種運(yùn)載工具大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，分別是蒸汽機(jī)車階段、內(nèi)燃機(jī)車階段以及電力機(jī)車階段。說(shuō)到電力機(jī)車，相較于之前的蒸汽機(jī)車與內(nèi)燃機(jī)車來(lái)說(shuō)，由于具有功率大，過(guò)載能力強(qiáng)、速度快、牽引力大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，更是成為現(xiàn)在運(yùn)輸工具中的主流，為人們所青睞。然而，相較于世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)電力機(jī)車的發(fā)展就顯得不那么成熟，仍然處于電力機(jī)車發(fā)展剛起步的階段，在電力機(jī)車牽引方式上，我國(guó)大多使用的是直流牽引，而國(guó)外在很早之前就已經(jīng)開(kāi)始大量使用交流傳動(dòng)。當(dāng)然，為了緩解與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)上的這些差距，我們的科研工作人員在正走在努力研究電力機(jī)車的道路上。那么下面，我們就電力機(jī)車來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)要的敘述。

1.關(guān)于電力機(jī)車以及電力機(jī)車電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)述

1.1對(duì)于電力機(jī)車的簡(jiǎn)要敘述

一般情況下，電力機(jī)車的運(yùn)行性能與整個(gè)鐵路能否平穩(wěn)運(yùn)輸是息息相關(guān)的，因?yàn)椴还苁菍?duì)于高速鐵路，城市軌道交通還是重載鐵路來(lái)說(shuō)，最終完成乘客運(yùn)輸或者貨物運(yùn)輸?shù)妮d體仍然是電力機(jī)車，可以說(shuō)電力機(jī)車在我國(guó)的交通運(yùn)輸體系中扮演的角色越來(lái)與重要。

說(shuō)到電力機(jī)車，顧名思義就是指用牽引電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)車，依靠外界的電力作為能源驅(qū)動(dòng)，電源主要包括架空電纜、第三軌、電池等，是一種非自帶能源的機(jī)車。使用電力機(jī)車牽引車列，對(duì)于列車運(yùn)行速度與承載重量的提高，作用是至關(guān)重要的，不僅如此，由于電力機(jī)車的啟動(dòng)加速非常快，且有很強(qiáng)的的爬坡能力，工作不受天氣影響，運(yùn)行時(shí)無(wú)污染，所以說(shuō)對(duì)于整個(gè)鐵路運(yùn)輸質(zhì)量與通過(guò)能力的提高都起著不容小覷的影響力。

1.2簡(jiǎn)要分析電力機(jī)車電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

在交通運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，車輛牽引的電氣傳動(dòng)部分是依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)滿足的，也就是我們所說(shuō)的電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。它是將牽引電機(jī)作為控制的對(duì)象，進(jìn)而去調(diào)節(jié)電機(jī)的牽引力和速度，以適應(yīng)車輛牽引與制定特性的最終要求。隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的提高，電力電子器件、牽引電機(jī)等硬件的發(fā)展，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能也隨之得到了一定的提高，在技術(shù)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，譬如磁懸浮列車就是采用的電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。

1.3關(guān)于電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引電機(jī)控制策略的淺要分析

要想完成電力機(jī)車的所有運(yùn)輸過(guò)程，最重要的就是要通過(guò)對(duì)牽引電機(jī)的調(diào)速過(guò)程，故而機(jī)車整體的運(yùn)行性能是受到牽引電機(jī)控制性能好壞影響的。我們說(shuō)到牽引電機(jī)的控制策略，可以分為電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制策略，矢量控制技術(shù)以及直接轉(zhuǎn)矩控制這三個(gè)方面。在這里我們不進(jìn)行深入的描述，只簡(jiǎn)單的了解就可以了。

2.電力機(jī)車牽引電機(jī)在全速度范圍的控制策略

2.1淺析電力機(jī)車牽引電機(jī)在進(jìn)入方波弱磁區(qū)之前的矢量控制策略

我們可以意識(shí)到的是，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)電力機(jī)車來(lái)說(shuō)，是進(jìn)行其全部系統(tǒng)控制的核心，控制性能的優(yōu)劣直接影響著電機(jī)機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性。那么談到牽引電機(jī)，我們不得不說(shuō)一下矢量控制，它是在牽引電機(jī)中應(yīng)用最廣泛最普遍的一種高性能的控制策略，就例如現(xiàn)在我國(guó)的動(dòng)車組多數(shù)就是采用矢量控制這種策略。

我們說(shuō)到對(duì)于矢量控制的研究，在現(xiàn)有條件下都是圍繞三個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)研究的。分別是要求轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際數(shù)值與指令數(shù)值相等;定向角度務(wù)必精確（即同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸角度與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕嵌纫笙嗟龋?電機(jī)實(shí)際電流對(duì)指令電流的跟蹤做到快速且無(wú)靜差。

2.2淺析電力機(jī)車在方波工況下的控制策略

在對(duì)于電力機(jī)車牽引電機(jī)在方波工況下的控制策略研究時(shí)，我們要注意以下幾個(gè)方面。

2.2.1電機(jī)在方波工況下運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)逆變器輸出電壓過(guò)大而導(dǎo)致電流控制器失效的狀況，針對(duì)這種現(xiàn)象，我們可以從電流開(kāi)環(huán)控制入手，進(jìn)行矢量控制方案的改進(jìn)，取消電流控制器，使得電壓指令可以直接由電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)方程計(jì)算得到，從而確保在方波下對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制能夠繼續(xù)通過(guò)矢量控制得到。

2.2.2一般電機(jī)進(jìn)入弱磁區(qū)，就意味著電機(jī)在運(yùn)行于方波時(shí)電壓達(dá)到了最大數(shù)值，此時(shí)就可以通過(guò)對(duì)電機(jī)電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)去實(shí)現(xiàn)弱磁，實(shí)現(xiàn)方波下的最大轉(zhuǎn)矩控制。

2.2.3可以在方波下通過(guò)改進(jìn)矢量控制實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的定向矯正。

2.3淺析電力機(jī)車在全速度范圍內(nèi)的調(diào)制策略

一般情況下，在電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)等一些大功率的場(chǎng)合，最高開(kāi)關(guān)由于受到散熱條件的限制等情況的影響，頻率比較低。在低載波比的情況下，傳統(tǒng)的規(guī)則采樣調(diào)制就顯示出了一定的不適應(yīng)性，這就需要在對(duì)從平滑過(guò)渡到方波的過(guò)程中采取特殊的同步調(diào)制方式。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)前面的敘述，我們可以看到電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能對(duì)于整個(gè)電力機(jī)車的平穩(wěn)安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。然而到目前為止，我國(guó)在電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能、安全性能方面較國(guó)外的一些國(guó)家來(lái)說(shuō)還有一定的欠缺。為了縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家電力機(jī)車水平之間的差距，使電力機(jī)車的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展相適應(yīng)，這就給我們科研工作者們?cè)趯?duì)于電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能上提出了一定的要求，要努力進(jìn)行科學(xué)研究與實(shí)踐，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，取其精華、揚(yáng)長(zhǎng)避短，完善我國(guó)電力機(jī)車技術(shù)，促使我國(guó)的交通運(yùn)輸可以跨上一個(gè)新的歷程。

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作者簡(jiǎn)介：崔衛(wèi)東（1969.4-），男，河南林州人，中國(guó)北車集團(tuán)太原軌道交通裝備有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，本科學(xué)歷，研究方向?yàn)殡娏C(jī)車牽引電機(jī)及變壓器技術(shù)。