基于實(shí)物平臺(tái)電機(jī)牽引傳動(dòng)特性研究

李明華　范毅

【摘要】 ? ?高速電力機(jī)車的發(fā)展在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中起著重要作用，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)作為電力機(jī)車的關(guān)鍵組成部分，關(guān)系著列車的安全性能，是交通運(yùn)輸技術(shù)中的重要方面，本文基于控制理論詳細(xì)論述了車輛運(yùn)行中牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和控制策略;基于Matlab建立整流控制和逆變控制仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建整流和逆變電路的狀態(tài)方程，根據(jù)狀態(tài)方程編寫控制算法，設(shè)置不同運(yùn)行工況下進(jìn)行試驗(yàn)選取較好的控制策略;并將控制算法植入芯片在電機(jī)實(shí)物平臺(tái)上進(jìn)行牽引性能驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】 ? ?牽引傳動(dòng) ? ?逆變 ? ?異步電機(jī) ? 實(shí)物平臺(tái)

Abstract： The development of high-speed electric locomotive plays an important role in the development of modern society. As a key part of electric locomotive， traction drive system is related to the safety performance of the train ，and also， it is an important aspect of transportation technology. Based on the control theory， this paper discusses the working principle and control strategy of the traction drive system in vehicle operation in detail firstly;second， establishes the rectifier control and inverter control simulation system based on MATLAB， creates the state equation of rectifier and inverter circuit， compiles the control algorithm according to the state equation， sets up the test under different operating conditions， selects the better control strategy;Finally， implants the control algorithm into the chip The traction performance is verified on the real platform of the motor.

Key words： traction drive; inverter; asynchronous motor; physical platform

引言：

隨著國內(nèi)高速交通運(yùn)輸?shù)娜姘l(fā)展，電力機(jī)車以其大功率、大容量、牽引力大、速度快的特點(diǎn)在全國大范圍普及，對(duì)牽引控制的研究也愈來愈重要[1]。本文針對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，并對(duì)整流控制和逆變控制進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用Matlab仿真[2]平臺(tái)進(jìn)行狀態(tài)方程的設(shè)計(jì)以及測試，再將Matlab形成的代碼移植到芯片中，并在實(shí)物平臺(tái)上對(duì)牽引控制性能進(jìn)行驗(yàn)證，在試驗(yàn)中不斷優(yōu)化控制算法[3]。

實(shí)物平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包含可編程電源、逆變控制模塊、IGBT控制模塊以及小功率電機(jī)，可編程電源模擬整流控制單元，逆變控制模塊實(shí)現(xiàn)逆變控制算法，通過IGBT模塊發(fā)波控制電機(jī)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻啟動(dòng)以及加減載模擬工況控制，實(shí)現(xiàn)控制算法的不斷優(yōu)化。

一、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

隨著電力傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速越來越廣泛的應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域，很好的解決了交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題。傳統(tǒng)的通用變頻器通常采用的交-直-交電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。

電力動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用的是交-直-交的傳輸方式，系統(tǒng)主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器和牽引電機(jī)組成。本文分析的動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)原理是受電弓通過電網(wǎng)接入高壓交流電，經(jīng)變壓器降壓后發(fā)送給四象限整流器[4，5]，后經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)電路將直流輸送并轉(zhuǎn)換送給牽引逆變器[6，7]，后輸出的直流電由逆變系統(tǒng)輸出可調(diào)交流電給牽引電機(jī)。目前，我國電力機(jī)車均采用單相兩電平四象限變流器作為其交直變換器，本論文研究亦采用單相兩電平四象限整流控制。逆變控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略[8，9]，設(shè)計(jì)牽引控制單元如圖1所示。

二、整流控制設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)方程

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的整流部分電路主電路如圖2所示，其中， us和is分別為網(wǎng)側(cè)輸入電壓、電流;uab為整流器輸入電壓;Udc為中間直流側(cè)電壓;LN為牽引變壓器牽引繞組的等效電感;L2和C2分別為直流側(cè)二次LC諧振濾波電路的電感和電容;S1a和S2a為a橋臂自帶反并聯(lián)二極管的IGBT功率模塊;S1b和S2b為b橋臂自帶反并聯(lián)二極管的IGBT功率模塊;Cd為直流側(cè)濾波電容。ic為流過直流側(cè)電容的電流;idc為整流器輸出電流;i2為流入二次諧振濾波電路的電流;iload為直流側(cè)輸出的負(fù)載電流，S1a、S2a、S1b、S2b構(gòu)成四象限整流系統(tǒng)的IGBT，L2、C2、Cd構(gòu)成中間直流環(huán)節(jié)。整流模塊在機(jī)車運(yùn)行中將電網(wǎng)傳輸?shù)慕涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電并提供給動(dòng)車組的逆變模塊，在此過程中算法應(yīng)控制電網(wǎng)的輸出利用率接近1，整流輸出的直流電壓大小平穩(wěn)且可控。由圖2可推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型如式1，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可設(shè)計(jì)具體的算法實(shí)現(xiàn)電壓電流的可控。

2.2 控制策略

根據(jù)兩電平整流器電路的主電路基本特性，推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和開關(guān)不同狀態(tài)是電路的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)整流模塊的控制方式如圖3所示。

本文研究整流控制采用電壓前饋控制和PI控制作為控制外環(huán)與電流PR控制作為控制內(nèi)環(huán)相結(jié)合的復(fù)合控制方式。如圖3可知四象限整流器變壓器等效的網(wǎng)側(cè)電感LN的端電壓、變壓器等效的網(wǎng)側(cè)電阻RN的端電壓，將電網(wǎng)電壓、電阻端電壓和電感端電壓作為構(gòu)成電壓控制的前饋信號(hào)，再與電壓PI控制和電流PR控制結(jié)合控制輸出。電壓外環(huán)采用PI控制和前饋控制結(jié)合，控制直流側(cè)電壓udc跟隨直流側(cè)電壓給定值，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定;電流內(nèi)環(huán)控制輸入電流in，利用鎖相環(huán)（PLL）求取電網(wǎng)的相位和頻率作為電流給定值的相位和頻率，對(duì)交流電流采用PR控制算法使得輸出的網(wǎng)側(cè)電流跟隨給定電流，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入端的單位功率因數(shù)為1。

2.3 輸出波形

根據(jù)算法設(shè)計(jì)，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，設(shè)置仿真參數(shù)為變壓器輸入電壓為25kV，變比為18：1，整流電路中電網(wǎng)電流和輸出波形如圖5所示，由圖可得電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流電壓相位幾乎一致，功率因數(shù)接近1，電網(wǎng)利用率高;諧波分析如圖6所示，由圖可得輸出電流的諧波畸變率為2.7%，值相對(duì)較小，對(duì)電網(wǎng)的損害小;直流側(cè)電壓輸出如圖4所示，仿真中給定輸出電壓為2700V，最終輸出直流電壓與給定輸出電壓一致。

三、逆變控制設(shè)計(jì)

3.1電路狀態(tài)

高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)側(cè)變流器大多采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略，矢量控制的核心是對(duì)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁場的完全解耦控制，它在異步電機(jī)空間矢量模型的基礎(chǔ)上，將電機(jī)定子電流的瞬時(shí)值分解成為控制磁通的勵(lì)磁電流分量和控制轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量正交獨(dú)立，分別進(jìn)行獨(dú)立控制。

在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中三相逆變模塊的控制是實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵，通過改變逆變器輸出的頻率和電壓電流的大小對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速，主電路如圖7所示，逆變器的數(shù)學(xué)模型如式2。由圖可知：逆變器主電路U、V和W三相橋臂組成，每相橋臂包含2個(gè)電力電子開關(guān)器件IGBT，且每個(gè)IGBT與1個(gè)二極管反向并聯(lián)，組成1個(gè)功率器件。

3.2 ?矢量控制

矢量控制的最初提出是針對(duì)異步電機(jī)建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和矢量控制方程，并對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)子磁場定向的變換，使交流電機(jī)的控制具有直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速的水平，而矢量控制的控制特性也使得異步電機(jī)在控制過程中存在較大的需要改進(jìn)的部分。矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是控制電機(jī)從零速到最大速度，調(diào)速范圍寬，可以精確控制轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，電機(jī)的加速特性好。缺點(diǎn)則是控制模型在電機(jī)高速運(yùn)行過程中會(huì)受電機(jī)參數(shù)變化的影響，因此準(zhǔn)確的獲取電機(jī)的參數(shù)和電機(jī)動(dòng)態(tài)控制模型的建立是提高電機(jī)矢量控制性能的關(guān)鍵。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般包括四個(gè)閉環(huán)勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)、磁通外環(huán)、速度外環(huán)，這四個(gè)閉環(huán)構(gòu)成四個(gè)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，而調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)和電機(jī)本身參數(shù)的求取的準(zhǔn)確性，磁鏈-轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速給定的合理型有關(guān)。結(jié)合以上對(duì)矢量控制和異步電機(jī)模型的分析，確定采用圖8基于轉(zhuǎn)子磁場的間接磁場定向的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖8所示控制采用了前饋靜態(tài)電壓和反饋電壓控制結(jié)合的解耦方式，將dq軸的控制轉(zhuǎn)換為兩個(gè)獨(dú)立通道的單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制更為便利，而磁鏈環(huán)和速度環(huán)則結(jié)合電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)了適應(yīng)電機(jī)特性的曲線。

考慮交流異步電機(jī)在運(yùn)行過程中磁鏈越接近圓形則控制性能越好，而SVPWM可通過交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)磁鏈軌跡的控制，再考慮全速域控制中電機(jī)特性的變化，為了獲得較好的調(diào)速性能調(diào)制方式采用異步、同步、方波的多模式混合SVPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)方式如圖9，低速域采用異步調(diào)制，中高速域采用多個(gè)同步模式切換，高速域采用方波控制。

3.3 仿真輸出波形

異步電機(jī)的選型如表1，結(jié)合電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)在仿真中設(shè)計(jì)相應(yīng)的磁鏈環(huán)的速度環(huán)，仿真波形如圖10、11所示，間接磁場定向控制使得電機(jī)的啟動(dòng)電流小，輸出的轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩一致。

3.4實(shí)物平臺(tái)驗(yàn)證

根據(jù)以上算法在芯片中寫入逆變控制算法，并聯(lián)合電源模塊、IGBT逆變模塊、小功率電機(jī)搭建牽引控制平臺(tái)硬件電路，算法按照電機(jī)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

在電機(jī)滿負(fù)載的工況下，逆變模塊的扭矩輸出圖如圖12所示（此處轉(zhuǎn)矩的為對(duì)比按照機(jī)車轉(zhuǎn)矩值給定與反饋，實(shí)際應(yīng)用按需求縮減），逆變器輸出電流為三相平衡的正弦波，輸出轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩一致，輸出電流如圖13所示，輸出電流隨模式的不同切換，且啟動(dòng)電流為額定電流的1.2倍，波形質(zhì)量相對(duì)較好。

四、結(jié)束語

本文參照電力機(jī)車動(dòng)車組的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的整流和逆變控制算法。整流控制算法考慮諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和系統(tǒng)對(duì)中間直流環(huán)節(jié)電壓的需求，設(shè)計(jì)了電壓電流混合控制的方式使得電網(wǎng)輸出電流和電壓相位保持一致，輸出直流母線電壓與機(jī)車所需電壓一致且擾動(dòng)小;逆變算法控制考慮大功率異步電機(jī)的機(jī)械特性和牽引特性存在啟動(dòng)電流大、開關(guān)頻率小、運(yùn)行中受制于電機(jī)參數(shù)變化的問題，采用間接磁場定向控制和多模式調(diào)制算法控制電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行方式為恒轉(zhuǎn)矩-恒功率，輸出諧波小且輸出于給定跟隨性好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。通過仿真與實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法對(duì)當(dāng)前牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制的正確性。

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李明華，1982年5月，男，山西省夏縣，漢族，大學(xué)本科，工程師，高可靠嵌入式系統(tǒng)。