交流傳動電力機(jī)車的調(diào)速控制方法研究

朱亞男

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系，陜西 西安710014）

交流傳動電力機(jī)車的調(diào)速控制方法研究

朱亞男

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系，陜西 西安710014）

針對交流傳動電力機(jī)車調(diào)速受多種耦合因素影響比較困難的問題，通過系統(tǒng)地分析和介紹目前實(shí)用的交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法，包括：轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，結(jié)合交流電力機(jī)車調(diào)速的實(shí)際情況，得出矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法較轉(zhuǎn)差頻率控制方法更適用于交流電力機(jī)車調(diào)速，而矢量控制方法在低速高開關(guān)頻率區(qū)的性能則比直接轉(zhuǎn)矩控制方法更加優(yōu)越。以上結(jié)論對于進(jìn)一步理解交流電力機(jī)車調(diào)速控制方法有著重要作用。

交流調(diào)速；轉(zhuǎn)差頻率控制；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

交流傳動電力機(jī)車調(diào)速的實(shí)質(zhì)是對三相異步電動機(jī)調(diào)速，而異步電動機(jī)和直流電動機(jī)不同，它只有一個(gè)供電回路——定子繞組，致使其速度控制比較困難，不能像直流電動機(jī)那樣通過控制電樞電壓或控制勵(lì)磁電流均可方便地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，交流異步電動機(jī)的控制量只有定子電流，而定子電流的變化，不僅影響輸出轉(zhuǎn)矩，而且也會使氣隙磁鏈發(fā)生變化[1-2]。

目前，變頻調(diào)速是交流異步電動機(jī)最主要的調(diào)速控制方式。早期變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)）的控制方式，即通過在控制過程中始終保持V/F=常數(shù)，來保證定子磁鏈的恒定。這種控制策略是以電機(jī)本身穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為立足點(diǎn)，即從電機(jī)機(jī)械特性出發(fā)分析研究電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和特性，它的控制結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜。然而這種控制方式是一種開環(huán)控制，其速度動態(tài)特性很差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)（加、減速度等）還需要根據(jù)負(fù)載的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器電力電子器件開關(guān)延時(shí)的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象[3-4]。

隨著交流電機(jī)調(diào)速控制理論及技術(shù)的發(fā)展，目前實(shí)用的交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法主要有：轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[5-7]。

文中對以上幾種交流電力機(jī)車的調(diào)速控制方法做出系統(tǒng)性地分析介紹，對于進(jìn)一步理解交流電力機(jī)車調(diào)速控制方法有著重要作用。

1 轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制實(shí)際上是在V/F控制的模式上引入了速度閉環(huán)，以避免V/F控制的缺點(diǎn)，是V/F控制的改進(jìn)版。

交流傳動電力機(jī)車的電機(jī)牽引傳動系統(tǒng)屬于典型的電力拖動控制系統(tǒng)，應(yīng)服從電力拖動系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式，如式（1）所示。

式中：

Te——異步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；

TL——負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩（N·m）；

J——單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量（N·m·s2）

由電動機(jī)近似等值電路化簡，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩可近似表達(dá)為式（2）的形示：

其中：Km——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

Φm——?dú)庀洞磐ǎ╓b）；

ωs=sω1——轉(zhuǎn)差頻率（Hz），即轉(zhuǎn)差率與定子頻率的乘積；

r2——轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻（Ω）。

式（2）表明，在基頻（50 Hz）以下，如果能夠維持氣隙磁通Φm恒定，則有Te∈ωs，就和直流電機(jī)中控制電流能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的一樣?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。

上面分析所得的轉(zhuǎn)差頻率控制概念是在轉(zhuǎn)矩近似公式上得到的，當(dāng)ωs較大時(shí)，就能得到精確的轉(zhuǎn)矩公式，其轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示，當(dāng)ωs較小時(shí)且處于穩(wěn)定運(yùn)行段，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率ωs基本上成正比，當(dāng) Te達(dá)到最大值 Temax時(shí)，ωs達(dá)到 ωsmax。

從圖1可知，在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要保證ωs＜ωsmax，就可保證 Te與 ωs的正比關(guān)系，從而可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代替轉(zhuǎn)矩控制。

圖1 按恒Φm值控制的轉(zhuǎn)矩特性

目前，在電力牽引交流傳動系統(tǒng)中，大多采用脈寬調(diào)制PWM逆變器。這種逆變器最大的特點(diǎn)在于：當(dāng)控制系統(tǒng)給定電壓U1和頻率時(shí)，PWM信號生成單元控制逆變器的輸出總能保證電動機(jī)氣隙接近于恒定值，以滿足恒磁通控制的要求。轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

然而，上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律均是在電機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下分析的，在動態(tài)特性下該規(guī)律不一定適用。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)差頻率控制環(huán)節(jié)取，使頻率得以與轉(zhuǎn)速同步升降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點(diǎn)，但是如果轉(zhuǎn)速檢測信號不準(zhǔn)確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因?yàn)樗羞@些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上。

2 矢量控制

隨著現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，一種模仿直流電動機(jī)控制的矢量控制系統(tǒng)取得了重大進(jìn)展，其控制效果可以媲美直流電機(jī)速度控制。矢量控制已在許多變頻調(diào)速系統(tǒng)、鐵路干線機(jī)車（如西班牙的S252機(jī)車）和高速動車（如德國的ICE動車）上得到應(yīng)用，HXD3型電力機(jī)車調(diào)速控制也采用矢量控制方法。

圖2 轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 他勵(lì)直流電動機(jī)

圖4 異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖

矢量控制是一種高性能異步電動機(jī)控制方式，它基于電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過坐標(biāo)變換，將交流電機(jī)模型轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)模型。根據(jù)異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動機(jī)的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機(jī)應(yīng)有和直流電動機(jī)相類似的控制性能，這就是矢量控制的思想。因?yàn)檫M(jìn)行變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)。

矢量變換控制又稱磁場定向控制 （或解耦控制），其基本思想是把異步電動機(jī)經(jīng)坐標(biāo)變換等效成他勵(lì)直流電動機(jī)。然后仿照直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制，再經(jīng)過相應(yīng)的反變換來控制交流電機(jī)。

他勵(lì)直流電動機(jī)控制如圖3所示，在理想情況下，忽略電樞反壓和磁路飽和的影響，直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩表示為式（3）：

其中：Ia——他勵(lì)電機(jī)的電樞電流（A)；

If——他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電流（A)。

直流電機(jī)結(jié)構(gòu)決定了由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通與電樞電流產(chǎn)生的電樞磁通相互垂直。這些在空間上靜止的矢量彼此之間自然垂直或是解耦的。這就意味著當(dāng)通過控制電樞電流以控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，勵(lì)磁磁通不受影響，而且在勵(lì)磁磁通額定值時(shí)可以獲得快速的瞬態(tài)響應(yīng)。同理，由于彼此解耦關(guān)系，在控制勵(lì)磁電流時(shí)，也只影響勵(lì)磁磁通，而不會影響電樞磁通。

異步電動機(jī)由于內(nèi)在耦合關(guān)系，一般不會有較快的響應(yīng)。若將異步電動機(jī)經(jīng)坐標(biāo)變換，放在同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系上進(jìn)行控制，如圖4所示，異步電機(jī)模型就會變成直流電機(jī)模型：總的來說，電機(jī)接有A、B、C 三相導(dǎo)線，輸入 iA、iB、iC三相定子電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子角速度ω，屬于交流電機(jī)。分部分來看，由于坐標(biāo)變換，異步電動機(jī)變成了由電流分量iT1和 iM1作為輸入，ω作為輸出的直流電機(jī)。

異步電動機(jī)經(jīng)過矢量坐標(biāo)變換后，定子電流被分解成相互垂直的兩個(gè)量：直軸分量iM1和交軸分量iT1。直軸分量iM1用于控制轉(zhuǎn)子磁通，稱為磁通分量；交軸分量iT1用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，稱為轉(zhuǎn)矩分量。異步電動機(jī)的兩個(gè)控制變量在矢量控制下，iM1與直流電動機(jī)勵(lì)磁電流If類似，iT1與直流電動機(jī)電樞電流Ia類似。因此異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩可表示為式（4）,對比式（3），異步電機(jī)可等效為直流電機(jī)。

如果直軸分量iM1被定向在磁鏈的方向并且與交軸分量iT1相垂直。則異步電動機(jī)便可獲得類似于直流電動機(jī)的特性。這就意味著當(dāng)控制轉(zhuǎn)矩分量iT1時(shí)，只會影響實(shí)際的電流iT1而不影響磁通分量。通過異步電機(jī)一系列的坐標(biāo)變換便會獲得直流電機(jī)特性，直流電機(jī)的控制方法就可以用于交流電機(jī)，獲得直流電機(jī)調(diào)整量，再通過運(yùn)算把坐標(biāo)變回來，就實(shí)現(xiàn)了控制異步電機(jī)。因此，矢量控制的最終結(jié)果就是實(shí)現(xiàn)了定子電流分解，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁通和定子轉(zhuǎn)矩的解耦控制，提高了調(diào)速的動態(tài)性能。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制

繼矢量控制之后，1984年德國魯爾大學(xué)的Depen Brock又提出了交流電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特點(diǎn)是直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能[8]。

和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單的通過電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中用異步電機(jī)定子側(cè)參數(shù)計(jì)算出磁通和轉(zhuǎn)矩，采用PWM信號直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，對異步電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行自調(diào)整控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制的思路是將逆變器和電動機(jī)作為一個(gè)整體來考慮，它包含兩層含義：一是保持定子總磁鏈基本恒定；二是對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。通過對逆變器的開關(guān)控制，一方面實(shí)現(xiàn)磁鏈的幅值控制，另一方面實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制。

異步電動機(jī)定子磁鏈控制是通過控制電動機(jī)輸入電壓來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)在三相異步電動機(jī)的定子繞組中通入對稱的三相正弦交流電壓時(shí)，將在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生圓形軌跡的旋轉(zhuǎn)磁場。如果牽引電動機(jī)通過三相逆變器供電時(shí)利用空間矢量概念，建立起逆變器開關(guān)模式及其輸出電壓與電動機(jī)磁鏈之間的關(guān)系。根據(jù)要跟蹤的磁鏈空間矢量運(yùn)動軌跡，選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器輸出適當(dāng)波形的電壓。

空間矢量PWM是通過對電壓矢量進(jìn)行適當(dāng)?shù)那袚Q控制，用盡可能多的多邊形磁通軌跡來接近理想的磁通圓形軌跡。在空間矢量PWM控制下，電動機(jī)的輸入電壓完全取決于逆變器的開關(guān)動作狀態(tài)模式，而電動機(jī)的磁通僅取決于電壓模式。

直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖如圖5所示，在實(shí)際控制過程中，將測得的電機(jī)三相電壓Us和三相電流Is送入計(jì)算器，計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈Ψs和電磁轉(zhuǎn)矩T，分別與給定值Ψ*s和T*相比較，然后選擇開關(guān)模式，確定PWM逆變器的輸出。

圖5 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)之一就是建立磁鏈和逆變器開關(guān)模式之間的關(guān)系，通過逆變器開關(guān)的空間矢量脈寬調(diào)制控制，或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)，使電動機(jī)獲得一個(gè)準(zhǔn)圓形的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場。磁通軌跡越接近于圓形，引起的電流、轉(zhuǎn)矩波動就越小，諧波損耗也越小。異步牽引電機(jī)的運(yùn)行性能也就越好。

直接轉(zhuǎn)矩控制方法控制思想簡單，控制系統(tǒng)簡潔明了，其控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能優(yōu)良。

4 結(jié) 論

以上幾種電力機(jī)車變頻調(diào)速的控制方法各有優(yōu)劣，其中轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的被控制量是異步電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，并未最終實(shí)現(xiàn)像直流電動機(jī)一樣能對其轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值實(shí)行有效控制的目的，因此不太適用于電力機(jī)車的調(diào)速控制。

矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法則具有更多的優(yōu)勢，不同交流傳動機(jī)車對這兩種方法都各有應(yīng)用，比如 HXD1、HXD1B、HXD2、HXD3 型電力機(jī)車等以及動車都采用矢量控制作為感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機(jī)車驅(qū)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率控制相比，矢量控制能夠把感應(yīng)電機(jī)的輸出扭矩迅速地控制在目標(biāo)值，從而提高對瞬時(shí)現(xiàn)象（如空轉(zhuǎn)、滑行）的反應(yīng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制方法簡單直接，控制思想新穎特別，控制響應(yīng)迅速，是一種高靜態(tài)且動態(tài)性能優(yōu)良的交流調(diào)速方法。但其在低速高開關(guān)頻率區(qū)的性能比矢量控制差，目前我國開發(fā)的 HXD1C、DJ1、DJ2、AC4000、“中華之星”、“中原之星”、DF8BJ 等機(jī)車、動車和內(nèi)燃機(jī)車都應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。

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The research on the AC drive electric locomotive speed control method

ZHU Ya-nan
（Dept.of Traction Power，Xi'an Railway Vocational&Technical Institute，Xi'an 710014，China）

In order to solve the difficulty that caused by various coupling factors of the AC drive electric locomotive speed control，this thesis system analysis and presentation of the practical AC speed regulation control method，including:slip frequency control，vector control and direct torque control.Consider with the actual situation of the AC locomotive speed control，analysis of the control mode suitable for AC locomotives:The vector control and the direct torque control method are superior to the slip frequency control method，and the performance of vector control method in low speed and high switching frequency region is more advantageous than the direct torque control method.It is very important for further understanding of AC electric locomotive speed control method.

AC speed regulation； slip frequency control； vector control； direct torque control

TN710

：A

：1674－6236（2017）14-0152-04

2016-06-22稿件編號：201606170

朱亞男（1986—），女，甘肅慶陽人，碩士，助教。研究方向：智能測控，電力電子技術(shù)。