高速某動車牽引控制系統(tǒng)的研究與仿真

孫華 陳敬 宋偉偉 崔浪

摘 要 針對高速動車組列車，時速不低于250公里，關(guān)鍵組成部分牽引傳動系統(tǒng)關(guān)系著整車動車的數(shù)據(jù)傳輸效率以及安全性，本研究對牽引傳動系統(tǒng)進行了詳細的建模，分析系統(tǒng)中整流環(huán)節(jié)以及逆變環(huán)節(jié)兩部分控制的數(shù)學(xué)方程，再根據(jù)機車實際的運行工況以及數(shù)學(xué)方程之間的關(guān)系，選取合理控制策略，結(jié)合電機實際參數(shù)有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率，平滑電機調(diào)速控制;并利用模擬仿真環(huán)境對其進行整體模擬測試，驗證所用算法的可行性以及正確性，此后在半實物仿真平臺中實現(xiàn)算法，進一步驗證算法的可實施性與正確性。

關(guān)鍵詞 高速動車組 牽引傳動 逆變 異步電機

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0004-03

國內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展，科研不斷進步，電力機車的關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)已基本實現(xiàn)自主化生產(chǎn)研發(fā)，但是作為整車控制的核心——牽引傳動控制系統(tǒng)，我國目前的水平尚未達到世界先進水平，研究牽引控制的牽引特性進一步完善工作仍然至關(guān)重要[1]。牽引傳動系統(tǒng)對電力機車運行的控制、監(jiān)測、保護、通信等功能還需進一步的深入研究以及優(yōu)化[2]。此論文旨在開發(fā)牽引控制單元平臺以及控制系統(tǒng)，在此平臺上對整車牽引模塊單元的控制、監(jiān)測、通信等功能進行開發(fā)和測試驗證。為了實現(xiàn)對動車組有效性和安全性的控制優(yōu)化，進一步實現(xiàn)對動車組的高水平自主化研究，我國已有很多學(xué)者展開了深入的研究與實踐。學(xué)習已有的算法以及實現(xiàn)過程，分析目前某車型牽引控制系統(tǒng)的運行性能，參考對應(yīng)電機功率特性，本文從電力傳動系統(tǒng)的整流控制、逆變控制的基本原理作為出發(fā)點，在允許的試驗環(huán)境中利用半實物模擬車輛的控制平臺，對牽引的整流逆變控制進行設(shè)計與驗證，并對實驗結(jié)果進行分析。

1 牽引傳動系統(tǒng)建模

某車型動車組牽引控制系統(tǒng)采用交流、直流、交流的電傳動方式，在運行系統(tǒng)中包括受電弓、高速斷路器、整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器和交流牽引電機等關(guān)鍵設(shè)備[3]。本文描述的該車型動車組的牽引傳動系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

受電弓從電網(wǎng)接到25000V的高壓交流電，高壓運輸不安全、非常危險，需將其經(jīng)過變壓器進行降壓處理之后，輸送到整流環(huán)節(jié)進行整流處理，整流環(huán)節(jié)實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)變，將其整流，得到可控的直流電壓，再經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)電路，此時輸出的是直流電，后續(xù)逆變環(huán)節(jié)電路再將該直流電進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為交流電，輸送到控制異步牽引電機，從而實現(xiàn)電機的可調(diào)速變頻控制的目的，該系統(tǒng)的整流器由兩組構(gòu)成，且均為四象限整流。

2 四象限整流

在實現(xiàn)控制平臺搭建中，為簡化分析與建模，兩臺四象限整流器的控制策略以及輸入輸出的情況在此認為完全一致。

2.1 狀態(tài)方程

結(jié)合系統(tǒng)實現(xiàn)功能，設(shè)計牽引傳動系統(tǒng)中的整流控制部分電路，其主電路如圖2所示，該框圖較為經(jīng)典，采用雙橋IGBT控制策略。在機車運行中，整流環(huán)節(jié)從受電弓接收25000V的高壓，并將該高壓經(jīng)過變壓器降壓控制后進行整流控制轉(zhuǎn)換為直流電，降壓之后的直流電，危險性降低，經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)輸送給逆變控制，可以安全地對電機進行控制。在此過程中，四象限變頻器的整流器采用IGBT整流器，一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，另一方面可以將能量進行反饋，電能由直流側(cè)回饋到電網(wǎng)側(cè)，實現(xiàn)綠色節(jié)能。設(shè)計的算法利用率高，平穩(wěn)且可控。[4]

在圖2中：

1.us為電網(wǎng)側(cè)電壓。

2.S1a、S2a、S1b、S2b是整流系統(tǒng)的四個IGBT整流器。

3.L2、C2、Cd構(gòu)成系統(tǒng)中間直流環(huán)節(jié)。

4.LN、RN為自感和電阻。

2.2 控制策略

整流器控制電路設(shè)計完成后，依據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計該系統(tǒng)的控制策略，控制采用雙閉環(huán)控制，即電壓電流雙閉環(huán)控制，為了平穩(wěn)可控電機以及功率因數(shù)為1的目標，系統(tǒng)的電壓電流控制中電流環(huán)、電壓環(huán)分別采用PR控制策略和PI前饋控制策略，并使用SPWM調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)發(fā)波控制。依據(jù)控制策略搭建模型，進行初步調(diào)試，調(diào)整各個控制參數(shù)，使得輸出波形趨于正常。

2.3 輸出波形

實現(xiàn)系統(tǒng)的算法設(shè)計，并且在仿真環(huán)境下中進行模擬測試，搭建高速電力機車仿真模型，設(shè)置仿真參數(shù)的起始值，變壓器前端輸入電壓為25000V，此時僅僅是變壓以及整流，相位并不發(fā)生變化，經(jīng)過模擬輸出，發(fā)現(xiàn)畸變率小于2.5%，該值較小，說明電網(wǎng)處于相對理想狀態(tài)，利用率相對較高;模擬測試中給定輸出電壓為2680V，在測試完畢時，輸出結(jié)果與給定值接近。

2.4 半實物仿真平臺驗證

在仿真平臺中實現(xiàn)以上算法后，分析修改并在DSP處理器芯片中寫入相應(yīng)的控制算法，經(jīng)過半實物仿真，結(jié)合SIMULINK搭建該車型的控制平臺電路，高壓側(cè)電流與電壓此時的相位差值幾乎為零，調(diào)制發(fā)波信號占空比根據(jù)控制信號給定有規(guī)律變化，輸出的中間直流電壓在給定電壓上下波動，說明該整流控制策略可以達到控制的目的。

3 逆變系統(tǒng)

3.1 電路狀態(tài)

在車輛控制中，電機的運行性能是整車的控制關(guān)鍵，且是調(diào)速的關(guān)鍵，逆變模塊作為實現(xiàn)牽引控制電機變頻調(diào)速的控制核心尤為重要，系統(tǒng)的逆變控制主電路如圖3所示。

由圖3可知：

1.逆變器主電路U、V和W三相橋臂組成。

2.每相橋臂包含2個電力電子開關(guān)器件IGBT。

3.每個IGBT與1個二極管反向并聯(lián)。

3.2 矢量控制

在本文中，逆變控制環(huán)節(jié)采用矢量控制。矢量控制是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制的思想，從而可以實現(xiàn)雙向控制電機，使得電機運行更加平穩(wěn)。在該系統(tǒng)中逆變控制采用電流環(huán)、速度環(huán)雙環(huán)閉環(huán)控制的思路，外環(huán)為轉(zhuǎn)速、電流為內(nèi)環(huán)。調(diào)制算法采用SVPWM技術(shù)。為了對電機實現(xiàn)全速域的控制，發(fā)波方式采用同步、異步混合SVPWM調(diào)制算法。

3.3 輸出波形

逆變模塊電路電機參數(shù)如表1所示。間接磁場定向控制時，電流為額定電流的1.1-1.3倍，此時輸出的電流與算法設(shè)計中的頻率變化比較一致，而且上升趨勢較為緩慢;磁鏈的輸出圖形為橢圓形，比較輸出電流和電壓，波動相對小;輸出轉(zhuǎn)矩與給定一致，并且按照電機給定的恒轉(zhuǎn)矩-恒功率控制方式變化。

4 結(jié)論

本文針對某車型動車組進行整流、逆變控制原理分析，并在仿真環(huán)境中實現(xiàn)并分析結(jié)果，后續(xù)根據(jù)牽引控制算法實現(xiàn)設(shè)計，又分別在牽引控制單元硬件平臺——整流和逆變板卡的DSP和FPGA中實現(xiàn)所設(shè)計算法功能，在半實物仿真平臺中進行驗證，輸出結(jié)果顯示：牽引控制單元硬件平臺輸出給半實物仿真平臺的PWM分別為整流板卡輸出的SPWM波形和逆變板卡輸出的SVPWM波形，修改實際的電機參數(shù)，并進行試驗，在牽引工況、移車工況、試驗工況以及制動工況下，系統(tǒng)的輸出扭矩按照給定扭矩進行跟隨閉環(huán)控制，系統(tǒng)的輸出電流跟隨車工況模式的變化而變化，PWM波形控制較好。通過試驗結(jié)果可以判斷，該算法可以實現(xiàn)較好的電機控制。

參考文獻：

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[3] 劉長清，郭平華，黃長強，等.電力機車四象限輔助變流器的研制[J].電力機車與城軌車輛，2003（06）：18-20.

[4] 崔恒斌，馬志文，韓坤，等.電動車組牽引傳動系統(tǒng)的實時仿真研究[J].中國鐵道科學(xué)，2011（06）：96-103.CD2F8B27-83E8-48A9-AF71-41A742A552CD