高速某動(dòng)車牽引控制系統(tǒng)的研究與仿真

孫 華 陳 敬 宋偉偉 崔 浪

（西安翔迅科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

國內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展，科研不斷進(jìn)步，電力機(jī)車的關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)已基本實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)，我國目前的水平尚未達(dá)到世界先進(jìn)水平，研究牽引控制的牽引特性進(jìn)一步完善工作仍然至關(guān)重要[1]。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行的控制、監(jiān)測、保護(hù)、通信等功能還需進(jìn)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(tái)以及控制系統(tǒng)，在此平臺(tái)上對(duì)整車牽引模塊單元的控制、監(jiān)測、通信等功能進(jìn)行開發(fā)和測試驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組有效性和安全性的控制優(yōu)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)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(shí)踐。學(xué)習(xí)已有的算法以及實(shí)現(xiàn)過程，分析目前某車型牽引控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能，參考對(duì)應(yīng)電機(jī)功率特性，本文從電力傳動(dòng)系統(tǒng)的整流控制、逆變控制的基本原理作為出發(fā)點(diǎn)，在允許的試驗(yàn)環(huán)境中利用半實(shí)物模擬車輛的控制平臺(tái)，對(duì)牽引的整流逆變控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)建模

某車型動(dòng)車組牽引控制系統(tǒng)采用交流、直流、交流的電傳動(dòng)方式，在運(yùn)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(jī)等關(guān)鍵設(shè)備[3]。本文描述的該車型動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

受電弓從電網(wǎng)接到25000V 的高壓交流電，高壓運(yùn)輸不安全、非常危險(xiǎn)，需將其經(jīng)過變壓器進(jìn)行降壓處理之后，輸送到整流環(huán)節(jié)進(jìn)行整流處理，整流環(huán)節(jié)實(shí)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(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為交流電，輸送到控制異步牽引電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)搭建中，為簡化分析與建模，兩臺(tái)四象限整流器的控制策略以及輸入輸出的情況在此認(rèn)為完全一致。

2.1 狀態(tài)方程

結(jié)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，設(shè)計(jì)牽引傳動(dòng)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(jī)車運(yùn)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(jìn)行整流控制轉(zhuǎn)換為直流電，降壓之后的直流電，危險(xiǎn)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(duì)電機(jī)進(jìn)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(jìn)行反饋，電能由直流側(cè)回饋到電網(wǎng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。設(shè)計(jì)的算法利用率高，平穩(wěn)且可控。[4]

在圖2 中：

圖2 整流器主電路

1.us為電網(wǎng)側(cè)電壓。

2.S1a、S2a、S1b、S2b是整流系統(tǒng)的四個(gè)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(jì)完成后，依據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)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(jī)以及功率因數(shù)為1的目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)發(fā)波控制。依據(jù)控制策略搭建模型，進(jìn)行初步調(diào)試，調(diào)整各個(gè)控制參數(shù)，使得輸出波形趨于正常。

2.3 輸出波形

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)，并且在仿真環(huán)境下中進(jìn)行模擬測試，搭建高速電力機(jī)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(shí)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(duì)理想狀態(tài)，利用率相對(duì)較高；模擬測試中給定輸出電壓為2680V，在測試完畢時(shí)，輸出結(jié)果與給定值接近。

2.4 半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證

在仿真平臺(tái)中實(shí)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(shí)物仿真，結(jié)合SIMULINK 搭建該車型的控制平臺(tái)電路，高壓側(cè)電流與電壓此時(shí)的相位差值幾乎為零，調(diào)制發(fā)波信號(hào)占空比根據(jù)控制信號(hào)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(dòng)，說明該整流控制策略可以達(dá)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(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)牽引控制電機(jī)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。

圖3 電路示意圖

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(gè)電力電子開關(guān)器件IGBT。

3.每個(gè)IGBT 與1 個(gè)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(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的思想，從而可以實(shí)現(xiàn)雙向控制電機(jī)，使得電機(jī)運(yùn)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(duì)電機(jī)實(shí)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(jī)參數(shù)如表1 所示。間接磁場定向控制時(shí)，電流為額定電流的1.1-1.3 倍，此時(shí)輸出的電流與算法設(shè)計(jì)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(dòng)相對(duì)?。惠敵鲛D(zhuǎn)矩與給定一致，并且按照電機(jī)給定的恒轉(zhuǎn)矩-恒功率控制方式變化。

表1 電機(jī)參數(shù)表

4 結(jié)論

本文針對(duì)某車型動(dòng)車組進(jìn)行整流、逆變控制原理分析，并在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并分析結(jié)果，后續(xù)根據(jù)牽引控制算法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，又分別在牽引控制單元硬件平臺(tái)——整流和逆變板卡的DSP 和FPGA 中實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)算法功能，在半實(shí)物仿真平臺(tái)中進(jìn)行驗(yàn)證，輸出結(jié)果顯示：牽引控制單元硬件平臺(tái)輸出給半實(shí)物仿真平臺(tái)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(shí)際的電機(jī)參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)，在牽引工況、移車工況、試驗(yàn)工況以及制動(dòng)工況下，系統(tǒng)的輸出扭矩按照給定扭矩進(jìn)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(yàn)結(jié)果可以判斷，該算法可以實(shí)現(xiàn)較好的電機(jī)控制。