低速區(qū)列車牽引系統(tǒng)的電制動力提升控制方法*

李建新 李佳耀 高 翔 蔣 威, 宋文勝

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756； 2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所 北京 100081； 3. 北京縱橫機(jī)電科技有限公司 北京 100094)

1 引言

列車牽引傳動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中包括兩個核心工況：牽引工況和制動工況。隨著列車速度的不斷提高，如何讓列車在滿足制動距離、制動舒適性以及可靠性的前提下進(jìn)行快速有效的制動成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。目前，我國軌道交通車輛的主流制動方式為電-空聯(lián)合制動[2-3]，其具體流程如下：當(dāng)列車運(yùn)行在中高速時，以電氣制動(再生制動)為主，當(dāng)列車制動至低速(10 km/h)以下時，會逐漸切除再生制動并投入空氣制動直至列車可靠停車[2]，電-空聯(lián)合制動特性曲線如圖1所示。

圖1 電-空聯(lián)合制動特性曲線

再生制動通過控制牽引電機(jī)工作在再生制動工況即可實(shí)現(xiàn)，同時再生制動還可以將減速過程中的動能轉(zhuǎn)換為電能經(jīng)牽引變流器回饋至牽引網(wǎng)[4-5]，是一種理想的電氣制動方式；但空氣制動是一種機(jī)械制動方式，通過閘瓦與制動盤間的摩擦將車輛減速過程中的能量以熱量的形式耗散掉[6]，所以電-空聯(lián)合制動有著其本身無法克服的缺點(diǎn)，如下所示。

(1) 電氣制動和空氣制動在切換時可能會引起加速度的突變，乘客舒適性下降[7]。

(2) 空氣制動可控性不強(qiáng)，響應(yīng)速度慢，電氣制動與空氣制動切換后易造成停車位置不準(zhǔn)確[7-8]。

(3) 空氣制動會造成制動盤和制動閘瓦的磨損，后期維護(hù)成本高[7-8]。

為解決電-空聯(lián)合制動所存在的問題，最早應(yīng)用在航空領(lǐng)域的電機(jī)械制動(Electromechanical brake, EMB)被應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域，EMB通過電機(jī)驅(qū)動閘瓦與制動盤摩擦，雖然在制動信號傳遞和制動力控制上都擺脫了壓力空氣等介質(zhì)，可控性有所提高，但仍是通過摩擦來實(shí)現(xiàn)列車的制動[9-10]。為充分利用牽引電機(jī)制動的優(yōu)越性，日本學(xué)者SONE等[11-12]在1998年前后提出了全電制動的概念，通過牽引電機(jī)工作在再生制動和反接制動工況實(shí)現(xiàn)了列車的全電制動，但其實(shí)現(xiàn)方式是基于恒壓頻比的標(biāo)量控制；文獻(xiàn)[13-14]對列車的全電制動技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，然而其研究重點(diǎn)是通過提高測速精度來實(shí)現(xiàn)制動工況下的準(zhǔn)確停車，對再生制動及反接制動在牽引傳動系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容研究較少。文獻(xiàn)[15]針對直線感應(yīng)電機(jī)列車的全電制動進(jìn)行了相關(guān)研究，同樣采用再生制動+反接制動的方式，并在停車前引入減速沖動率控制以提高乘坐舒適度。文獻(xiàn)[16]提到西門子的部分牽引系統(tǒng)具備電制動到零速的功能，但并未給出其具體的制動邏輯和制動方案。由以上文獻(xiàn)可知，再生制動與反接制動結(jié)合的方式或許是一種全電制動解決方案，但以上文獻(xiàn)都沒有對基于矢量控制反接制動的可控性、實(shí)現(xiàn)原理以及再生制動與反接制動結(jié)合的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。

為保證列車低速運(yùn)行時電制動力的有效發(fā)揮，本文詳細(xì)介紹了一種基于再生制動和反接制動的列車全電制動控制技術(shù)。首先根據(jù)矢量控制下電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系，分析不同制動方式在低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，確定了再生制動在定子角頻率大于零和反接制動在定子角頻率小于零時制動轉(zhuǎn)矩的可控性；其次，通過間接矢量控制磁場定向和直接矢量控制磁鏈觀測證明了反接制動的實(shí)現(xiàn)原理和可行性，進(jìn)而提出由再生制動自然換向至反接制動的全電制動方案；最后，通過小功率試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案的有效性。

2 異步牽引電機(jī)數(shù)學(xué)模型

目前，異步牽引電機(jī)控制以轉(zhuǎn)子磁場定向控制為主。根據(jù)磁場定向控制的基本原則，需要在按轉(zhuǎn)子磁場方向定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(MT坐標(biāo)系)下建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由于M軸與轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)方向一致，故有

式中，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；ψrM、ψrT分別為轉(zhuǎn)子磁鏈在M軸和T軸的分量；Lm為定子與轉(zhuǎn)子間的互感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；irM、irT分別為轉(zhuǎn)子電流在M軸和T軸的分量。

此時，異步電機(jī)電壓方程為

式中，UsM、UsT分別為定子電壓在M軸和T軸的分量；isM、isT分別為定子電流在M軸和T軸的分量；Rs、Ls、Rr分別為定子電阻、定子自感和轉(zhuǎn)子電阻；p為微分算子；ωs為定子角頻率，也等于同步角頻率；ωsl為轉(zhuǎn)差頻率。

由式(2)第三行和式(1)聯(lián)立可得

式中，Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。

在滿足轉(zhuǎn)子磁場定向的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩為

由式(3)和式(4)可得，通過坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。轉(zhuǎn)子磁鏈僅與定子電流的M軸分量有關(guān)；電磁轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)子磁鏈及定子電流的T軸分量有關(guān)，若控制isM使轉(zhuǎn)子磁鏈保持恒定，則通過控制isT就可以實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時控制。

由式(2)第四行和式(1)聯(lián)立可得

將式(5)代入式(4)可得

由式(6)可知，在矢量控制保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，維持轉(zhuǎn)差頻率恒定，即可維持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。

3 不同電氣制動方式分析

目前，常見的異步電機(jī)制動方式主要有再生制動、反接制動和直流制動三種。為了選取合適的制動方式以實(shí)現(xiàn)列車全電制動，現(xiàn)對三種制動方式進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。

3.1 再生制動

當(dāng)異步電機(jī)制動時，需要輸出制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩(Te＜0)。當(dāng)采用磁場定向控制方式時，由式(6)可知轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，因此轉(zhuǎn)差頻率小于零，同步轉(zhuǎn)速ns小于電機(jī)轉(zhuǎn)速nm，電機(jī)工作在再生制動狀態(tài)。此時轉(zhuǎn)差率為s=(ns-nm)/ns＜0，電機(jī)產(chǎn)生制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)減速，如圖2a所示。在再生制動工況下異步電機(jī)的電磁功率小于零，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，可以將列車制動過程中減少的動能轉(zhuǎn)化為電能并通過四象限變流器反饋回接觸網(wǎng)。

圖2 再生制動和反接制動工作示意圖

3.2 反接制動

當(dāng)異步牽引電機(jī)工作在電動狀態(tài)時，若調(diào)整定子三相電壓的相序，則電機(jī)進(jìn)入反接制動狀態(tài)。此時定子角頻率小于零，轉(zhuǎn)速大于零，因此轉(zhuǎn)差頻率小于零，轉(zhuǎn)差率大于1，產(chǎn)生制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)減速，如圖2b所示。在反接制動工況異步電機(jī)的電磁功率大于零，從直流側(cè)吸收電能，列車制動過程中減少的動能和吸收的電能在電機(jī)繞組中轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。

3.3 直流制動

直流制動又稱能耗制動，一般通用變頻器均具備直流制動功能[17]。當(dāng)異步牽引電機(jī)工作時，若使得定子電壓的頻率為零，即向定子繞組中通入直流電流，則電機(jī)進(jìn)入直流制動狀態(tài)。此時直流電流在氣隙內(nèi)形成一個固定方向的磁場，轉(zhuǎn)子由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組將切割定子磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)左手定則，可確定直流制動工況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，可以輸出制動轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)減速，如圖3所示。

圖3 直流制動工作示意圖

3.4 三種制動方式低速區(qū)轉(zhuǎn)矩輸出能力對比

通過異步牽引電機(jī)輸出制動轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)列車的全電制動，需要電機(jī)在全速度范圍內(nèi)輸出可控的制動轉(zhuǎn)矩。在制動工況，此時異步電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩Te＜0，所以ωsl＜0，ωs可以表示為

式中，ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率，即轉(zhuǎn)速。

在制動工況下，當(dāng)列車速度ωm較高時，ωs＞0，為再生制動；隨著列車速度降低，ωs減小，當(dāng)車速降低至滿足np·ωm=-ωsl時，ωs=0，若維持ωs=0，則為直流制動；如果車速繼續(xù)降低，即np·ωm＜ -ωsl時，ωs＜0，則為反接制動。

已知在轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成正比，如果在低速區(qū)需要有較大的制動轉(zhuǎn)矩輸出，就必須有較大的轉(zhuǎn)差頻率。下面分析低速區(qū)不同制動方式下轉(zhuǎn)差頻率的大小，進(jìn)而判定低速區(qū)可輸出制動轉(zhuǎn)矩的大小。注意，由于制動轉(zhuǎn)矩Te＜0，以上提到的制動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率實(shí)際為制動轉(zhuǎn)矩的絕對值和轉(zhuǎn)差頻率的絕對值。

在再生制動方式下，定子角頻率ωs與轉(zhuǎn)速ωm均大于0，且ωs＜np·ωm。當(dāng)車速較高時，由圖4中0～t1階段可知轉(zhuǎn)差頻率的變化范圍較大，因此可以輸出較大的制動轉(zhuǎn)矩；隨著車速逐漸降低，如圖4所示，ωs首先在t1時刻降低至0 rad/s，而ωm仍大于零，此時再生制動結(jié)束，所以僅憑再生制動無法維持較大的制動轉(zhuǎn)矩到零速。

如果定子角頻率降為0 rad/s后繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速使得定子角頻率為負(fù)值，則進(jìn)入反接制動方式。此時轉(zhuǎn)速ωm＞0，定子角頻率ωs＜0且無大小限制，如圖4的t1～t2階段所示，所以即使在車速接近零速時，轉(zhuǎn)差頻率ωsl依然為負(fù)，且其變化范圍可調(diào)，|ωsl|可以維持較大的值，也可隨制動轉(zhuǎn)矩的需求而變化。此時，電機(jī)仍可實(shí)現(xiàn)正確的磁場定向，矢量控制結(jié)構(gòu)可正常使用。因此，在接近零速，定子角頻率小于零時，通過反接制動的方式可以實(shí)現(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩的任意可控，且再生制動和反接制動的定子角頻率是連貫的，不會發(fā)生頻率上的突變。

圖4 低速區(qū)恒轉(zhuǎn)矩制動定轉(zhuǎn)子頻率關(guān)系

直流制動方式時，ωs=0或在定子兩相繞組中通入直流電。從直流制動的基本原理可知，直流制動需要轉(zhuǎn)子繞組切割固定磁場，所以直流制動要有制動轉(zhuǎn)矩的輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速必須大于零。另外，直流制動的制動轉(zhuǎn)矩與通入定子繞組的直流電流大小有關(guān)，但通入的電流又不宜太大，否則會燒壞繞組。而且，直流制動不再滿足矢量控制的基本原理，綜合以上因素，直流制動的可控性差，可靠性低，所以不適用于大功率或頻繁啟停的應(yīng)用場合[17-18]。

在第3.2節(jié)中提到，反接制動過程中減少的動能和吸收的電能均在電機(jī)繞組中轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。但無論異步牽引電機(jī)工作在再生制動狀態(tài)還是反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子銅耗均可通過式(8)進(jìn)行計(jì)算

當(dāng)車速較低時，一般采用恒轉(zhuǎn)矩控制，所以Te為恒值；且當(dāng)采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，所以ωsl也為恒值。因?yàn)榉唇又苿尤曰谑噶靠刂?，所以再生制動工況和反接制動工況的轉(zhuǎn)子銅耗相同，因此，采用反接制動不會額外造成轉(zhuǎn)子銅耗的增加。

4 再生制動+反接制動的全電制動

我國現(xiàn)有軌道交通列車牽引系統(tǒng)的制動特性曲線一般如圖1所示。為了減小閘瓦磨損，要求在車速低于10 km/h仍能使?fàn)恳姍C(jī)發(fā)揮較大的制動力，從而實(shí)現(xiàn)全電制動，不再需要空氣制動的介入。

通過以上分析可知，僅通過再生制動的方式無法使異步牽引電機(jī)制動至零速，如果配合直流制動或反接制動的方式，可以使電機(jī)在低速區(qū)仍能夠發(fā)揮出較大制動轉(zhuǎn)矩使車輛制動至零速。又加上直流制動不適用于大功率場合，因此選擇再生制動與反接制動相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)異步牽引電機(jī)的全電制動。

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制根據(jù)磁鏈觀測方式的不同可分為間接矢量控制和直接矢量控制，下面分別說明這兩種矢量控制是如何實(shí)現(xiàn)再生制動到反接制動的自然換向的。

間接矢量控制一般采用磁鏈開環(huán)，轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)的控制方式。根據(jù)參考電流、給定轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)速ωm計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的相角θ，即

在制動工況下，隨著車速的降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm不斷減小，為了保證ω*sl＜0以輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，ω*s會由大于零的狀態(tài)自行過渡至小于零的狀態(tài)，從而使電機(jī)進(jìn)入反接制動工況。其中，帶*的符號分別為對應(yīng)物理量的參考值。

直接矢量控制則采用磁鏈、轉(zhuǎn)速和電流均閉環(huán)的控制方式。直接矢量控制需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈觀測，以適用于低速區(qū)的電流模型為例進(jìn)行說明，兩相靜止坐標(biāo)系(αβ坐標(biāo)系)下轉(zhuǎn)子磁鏈電流觀測模型為

式中，ψrα、ψrβ和isα、isβ分別為轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流在α軸和β軸的分量。

經(jīng)后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)由再生制動切換為反接制動時，ψrα和ψrβ的相位會發(fā)生變化，由ψrα超前ψrβ切換為ψrβ超前ψrα，表明此時同步旋轉(zhuǎn)的方向發(fā)生了變化，同步角頻率ωs＜0，電機(jī)進(jìn)入反接制動狀態(tài)。

由以上分析可知，無論是間接矢量控制還是直接矢量控制，均可實(shí)現(xiàn)再生制動到反接制動的自然切換，所以基于磁場定向控制的再生制動+反接制動的全電制動方式在控制結(jié)構(gòu)上無需做改動，如圖5所示(以間接矢量控制為例)。

圖5 間接矢量控制結(jié)構(gòu)圖

在以上全電制動方案具體實(shí)施時，首先要解除定子角頻率大于零的限制，允許定子由正值切換為負(fù)值。在實(shí)際列車牽引傳動控制系統(tǒng)中，對電機(jī)的定子角頻率有所限制，要求其值必須大于某一正值，因此，要實(shí)現(xiàn)反接制動，必須解除該限制。

其次，需要對傳統(tǒng)電-空聯(lián)合制動特性曲線做修改，設(shè)計(jì)相應(yīng)的全電制動特性曲線。全電制動電氣制動力參考值需要按照如圖6所示的全電制動特性曲線進(jìn)行給定，低速區(qū)不再進(jìn)行如圖1所示的再生制動和空氣制動切換。

圖6 全電制動特性曲線

同時，為滿足不同減速度的制動要求，全電制動特性曲線會有所不同，由第3.4節(jié)有關(guān)反接制動的論述可知，反接制動可以實(shí)現(xiàn)在低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩任意可控，所以通過再生制動+反接制動的全電制動方式可滿足不同減速度的制動要求。

此外，反接制動在速度達(dá)到零之后，可能會發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，帶來安全隱患。因此，當(dāng)列車速度降低至接近零速時，需要及時施加停放制動，從而實(shí)現(xiàn)列車的可靠停車。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證基于再生制動+反接制動的異步牽引電機(jī)全電制動方式的有效性，在小功率異步電機(jī)(Induction motor，IM)-永磁同步電機(jī)(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)對拖試驗(yàn)平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證，平臺參數(shù)如表1所示，其中電機(jī)參數(shù)均為異步電機(jī)參數(shù)；試驗(yàn)平臺主電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，試驗(yàn)平臺實(shí)物圖如圖8所示。

表1 試驗(yàn)平臺參數(shù)

由圖7可知，兩組三相兩電平逆變器分別驅(qū)動IM和PMSM，其中IM是被試電機(jī)，PMSM為陪試電機(jī)(負(fù)載電機(jī))。IM采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制方式，采用旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，PMSM采用連續(xù)集模型預(yù)測控制方法，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，直接給定轉(zhuǎn)矩，盡可能為IM提供準(zhǔn)確的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖7 試驗(yàn)平臺主電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 IM-PMSM試驗(yàn)平臺

由于IM和PMSM呈對拖形式，所以兩者轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的正方向相反，規(guī)定圖7中兩個箭頭的方向分別為IM和PMSM轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的正方向，若其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與參考正方向相反，則為負(fù)值。當(dāng)IM給定正向轉(zhuǎn)速并采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，且PMSM提供負(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，為平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，IM輸出制動轉(zhuǎn)矩，因此，IM工作在制動狀態(tài)。

5.1 反接制動轉(zhuǎn)矩輸出能力驗(yàn)證

首先，通過對拖試驗(yàn)驗(yàn)證反接制動低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的可控性。通過PMSM分別為IM提供-12.5 N·m、-15 N·m、-20 N·m和-22.5 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，IM給定轉(zhuǎn)速為10 r/min，圖9a～9d分別給出了以上各轉(zhuǎn)矩下IM的A相定子電流、轉(zhuǎn)速、IM制動轉(zhuǎn)矩和PMSM所提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)波形。

圖9 反接制動轉(zhuǎn)矩輸出能力驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知，IM轉(zhuǎn)速均達(dá)到給定轉(zhuǎn)速10 r/min。不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，IM輸出制動轉(zhuǎn)矩依次對應(yīng)為-12.5 N·m、-15 N·m、-20 N·m和-22.5 N·m， 與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下依次對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率為-4.5 rad/s、-5.4 rad/s、-7.2 rad/s和-8.1 rad/s，定子角頻率分別為-2.4 rad/s、-3.3 rad/s、-5.1 rad/s和-6.0 rad/s。由于定子角頻率小于零，所以電機(jī)工作在反接制動狀態(tài)。由試驗(yàn)結(jié)果得，IM在反接制動時可輸出不同大小的制動轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，從而驗(yàn)證了反接制動可以實(shí)現(xiàn)在低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的任意可控。

5.2 不同轉(zhuǎn)速下電氣制動轉(zhuǎn)矩輸出能力驗(yàn)證

為了測試不同轉(zhuǎn)速下異步電機(jī)輸出大轉(zhuǎn)矩的能力，PMSM為IM提供-20 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，圖10依次給出了轉(zhuǎn)速為60 r/min、50 r/min、20 r/min和10 r/min時的試驗(yàn)波形。

由圖10可知，IM均達(dá)到了給定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行；在不同轉(zhuǎn)速下，IM制動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，IM的轉(zhuǎn)差頻率均為-7.2 rad/s，定子角頻率分別為5.4 rad/s、3.3 rad/s、-3.0 rad/s和-5.1 rad/s，表明當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 r/min和50 r/min時，IM工作在再生制動狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min和10 r/min時，ωs小于零，IM工作在反接制動狀態(tài)，且定子角頻率的絕對值隨轉(zhuǎn)速降低而增大。

由圖9、10可知，在不同轉(zhuǎn)速及不同負(fù)載工況下，IM通過工作在再生制動及反接制動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定可控輸出。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下電氣制動轉(zhuǎn)矩輸出能力驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5.3 再生制動自然換向至反接制動驗(yàn)證

為了驗(yàn)證異步電機(jī)全電制動方式下的再生制動與反接制動的平滑過渡，逐漸降低IM的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)再生制動至反接制動的自然換向。利用PMSM為IM提供-20 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，圖11a給出了轉(zhuǎn)速由60 r/min以10 (r/min)/s的減速度逐漸減速至5 r/min時IM的三相定子電流和轉(zhuǎn)速，圖11b給出了IM的三相定子電流和轉(zhuǎn)矩。

首先，由圖11a、11b三相定子電流相序可得，在制動減速過程中，定子電流相序發(fā)生了變化，說明IM實(shí)現(xiàn)了由再生制動至反接制動的切換。從定子頻率的正負(fù)也可知，此減速過程包含再生制動和反接制動兩個階段。由圖11c可知，34 r/min左右為定子頻率過零點(diǎn)，即再生制動與反接制動間的切換點(diǎn)，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速約為34 r/min時，再生制動結(jié)束，繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速便會進(jìn)入反接制動，僅通過再生制動無法實(shí)現(xiàn)制動至零速。同時，由圖11a可知，正是在大約34 r/min時定子電流相序發(fā)生了變化。

圖11 再生制動自然換向至反接制動試驗(yàn)結(jié)果

圖11c給出了間接矢量控制時IM的A相定子電流、轉(zhuǎn)速、定子角頻率和轉(zhuǎn)差頻率。由圖11c可知，在整個制動減速階段，轉(zhuǎn)差頻率始終保持為-7.2 rad/s，在再生制動與反接制動的切換點(diǎn)未發(fā)生電流沖擊、轉(zhuǎn)矩沖擊或不穩(wěn)定現(xiàn)象，整個制動減速過程，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)無沖擊。

圖11d給出了采用直接矢量控制時該制動減速過程中αβ坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈的波形。從轉(zhuǎn)子磁鏈α軸、β軸分量的相位來看，再生制動時，α軸分量超前β軸，而反接制動時，β軸分量超前α軸，正是由于轉(zhuǎn)子磁場定向的改變，實(shí)現(xiàn)了再生制動向反接制動的切換。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，基于再生制動自然換向至反接制動的全電制動方式可以實(shí)現(xiàn)異步牽引電機(jī)低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定可控輸出，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)列車的全電制動。

6 結(jié)論

本文以異步牽引電機(jī)為研究對象，詳細(xì)分析了一種基于再生制動和反接制動的列車牽引系統(tǒng)全電制動方式，旨在僅通過牽引電機(jī)的電氣制動方式實(shí)現(xiàn)列車制動至零速。首先，從轉(zhuǎn)差頻率的角度分析了幾種不同電氣制動方式在低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩輸出能力；其次，從轉(zhuǎn)子磁場定向和磁鏈觀測的角度分析了矢量控制下反接制動的實(shí)現(xiàn)原理；最后，確定了由再生制動自然換向至反接制動的全電制動方式，以實(shí)現(xiàn)低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的任意可控輸出，進(jìn)而滿足列車不同減速度的制動需求。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該全電制動方式的可行性和有效性，并得出以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)ωs＜0時，異步電機(jī)進(jìn)入反接制動方式，且制動轉(zhuǎn)矩的大小完全可控。

(2) 當(dāng)ωs＜0時，即反接制動工況下，基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制仍適用。

(3) 基于再生制動自然換向至反接制動的全電制動方式，可實(shí)現(xiàn)低速區(qū)制動轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定可控輸出。