电力机车牵引传动系统矢量控制

电力机车牵引传动系统矢量控制

高立学

天津特优特叉车销售服务有限公司 天津 300355

摘要：为了满足我国经济发展对铁路运输不断提高的要求，电力机车已经成为铁路运输的主导力量。电力机车牵引传动系统控制性能与电力电子器件、牵引变流器硬件、电机控制等是相辅相成、互相促进的关系，准确地说，电力机车是通过对牵引电机的调速过程来实现运营的，因此牵引电机控制性能的好坏关系着整车的运行状态。在矢量控制中，要实现准确的转矩输出，必须采用转矩闭环控制。

关键词：电力机车牵引传动系统；矢量控制；

前言：对于电力机车或者动车组来说，其首要的特点就是高电压，大电流，大功率。受到散热等方面的限制，这类大功率传动系统的最高开关频率只有几百赫兹，最高不超过1kHz，而同时由于机车速度范围比较大，从而造成载波比在很大的范围内变化。通常在进入弱磁区之后，进入方波控制。这就需要研究电力机车这样的大功率传动系统的调制算法，以满足其低开关频率、宽速度范围运行的需要。

1. 电力机车的工作原理

日本从60年代中期开始采用交流电源经由整流器对直流串励电动机供电的电力机车。这种方式同以前的直流电力机车不同,其空转车轮具有自然的再粘着特性,这已得到了试验验证和理论解释。此种再粘着现象当时已弄清楚, 并对电力机车进行过分析。此种再粘着现象与电动机电路电感、电阻所决定的电气时间常数和轮轴、电枢等传动系统惯性矩所决定的机械时间常数有关。如果设定的电气时间常数 超过机械时间常数 ,电动机电流就适当振荡而再粘着。电动机电流不振荡时,会出现持续空转。另外,产生再粘着的条件是,电动机转矩的变化率比电动机转速的变化大,电压变化率小于整流器电路输出电流的。通过分析，电机的反电势定向也能实现交流电机的磁场电流与力矩电流解耦，并对电机参数的依赖性很小。在矢量控制状态下，为了输出所要求的转矩，扭矩电流矢量和激磁电流矢量(通过分解电机电流而得到的)是单独控制的。作为电源柜的一个重要组成部分，主要由整流部分、变流充电部分和斩波配电部分组成。其中支撑电容将整流过的电压进一步滤波并使之变成更平滑的直流电。过压过流保护部分是指当电路的被测点电压或者电流超过规定的正常值时，断开中间回路直流母线的开关，切断充电回路，以保证电路免受故障影响。逆变器的上下开关之间必须加入一段互锁时间，即死区时间，以保证管子的开通延时。互锁时间的加入，使实际输出的电压比控制要求增加（电流为负时）或减少（电流为正时）互锁使得电流发生不同程度的畸变，而且在低频更加严重，很大程度上影响了电机的启动力矩。

2. 电力机车牵引传动系统矢量控制

1.电池。在充电装置的直流输出端始终并接着蓄电池和负载，以恒压充电方式工作。正常运行时，充电装置在承担正常负荷的同时向蓄电池补充充电，以补偿蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量的状态处于备用。充电机模块故障主要表现为控制电路中间直流回路支撑电容炸裂。并具有以下特点。1) 模块故障的地域性差异比较突出，特定区域故障率更高。2) 模块故障和模块工作温度关联性很强，夏季高温天气下模块故障率迅速上升。此外，在机车实际运行中，还伴有蓄电池电池壳体变形和亏电等情况。在电源模块的预充电电路中增加过压保护继电器。当充电机模块投入后，当充电机控制电路检测到充电机交流输入超过了设定的过压保护值，继电器将自动断开，保护母线电容可能承受过压的风险。当检测电压恢复到正常范围内时，继电器重新启动，模块重新恢复到正常工作状态。此方案通过电源柜控制电路动态检测充电机模块输入电压，实现对继电器断开与恢复的动态控制，隔离输入过电压，在一定程度上实现了对母线电容的保护。但是，该方案在一定程度上降低了充电机供电的时间，增加了蓄电池直接为负载供电的可能性。在高网压和谐波含量丰富的特定区段，可能出现蓄电池荷电量不足的情况。同时，过压值的选择也需根据实际情况及时进行适应性调整。

2.电控系统。传统电控系统有以下不足：传统电机车牵引电机采用变频驱动器一拖二控制方式，变频器输出给牵引电机的电压和频率一致，每台牵引电机的速度理论上基本相同。但是在牵引电机实际运行过程中，无法保证每个轮对的受力相同，只能通过牵引电机自身转速差的调整平衡负载。牵引电机负载不平衡会导致出现烧电机的情况。在零速电制动时通过输出直流方式给牵引电机提供阻力矩。电机轴伸侧安装了旋转变压器作为速度反馈。每台牵引电机由一台变频驱动器提供电源，变频驱动器采用了闭环矢量控制方式。变频驱动器之间通过CAN 总线进行数据传输，实现速度跟随及负荷平衡。司控器的控制信号发送给PLC，PLC 通过总线把运行命令发送给变频驱动器。变频驱动器的运行速度、电流、电压等状态信息通过PLC 发送给人机界面，通过人机界面可以直观的了解车辆运行状况。电机车所处工作环境振动、冲击大，环境湿度高，为提高电机车的可靠性，选择环境适应性较强的旋转变压器作为速度反馈装置。速度反馈装置是变频驱动器闭环矢量控制的核心组成，一旦故障，牵引电机将无法正常运行。为避免以上情况的发生，当出现旋转变压器或线路异常的情况时，司机可通过人机界面把电机车切换到开环模式下继续运行，提高运行可靠性。变频驱动器一拖一的控制方式，可实现牵引电机过流保护、过压保护、缺相保护、过载保护、对地短路保护及掉载保护等功能，从保护机制上避免烧损电机等情况。

3.空反转校正。矢量控制中实现转矩和磁链的解耦控制的关键在于准确的转子磁场定向，即转子磁链的方向和轴电流的方向一致，轴磁链为零。这首先就需要控制算法中使用的电机参数和实际参数完全一致，然而由于电机温度的变化以及磁饱和等因素的影响，实际很难实现准确的磁场定向。会造成实际磁链在轴上有一个负的分量，反之则会有一个正的分量，因此可以利用q轴磁链来对定向角度进行校正。如有效校正由于转子电阻参数变化等各种因素造成的间接矢量控制系统的转差频率误差，从而保证对转子磁场的准确定向。电流控制器保证电机电流能够快速且无净差地跟随指令值的变化，对转矩的精确控制以及动态响应具有重要影响。对于电力机车等牵引传动系统来说，为了充分利用直流母线电压，在高速下通常进入方波运行工况。对于传统的矢量控制，通过对电压的幅值和相位的调节来控制电机的磁链和转矩，而进入方波工况后，系统已经失去了对电压幅值的控制，仅仅通过相位的控制无法同时使磁链和转矩都等于参考指令。因此传统的矢量控制方案已经无法使用。在电机转速变化的过程中，不同调制方式之间的切换平滑，没有电流冲击。将传统的间接矢量控制和多模式调制策略结合，并采用上面提出的各种控制策略和补偿策略，分别在转速为300r/min 异步调制， 900r/min 同步调制和优化PWM 时进行了转矩的突加 或者突减 (30～10N·m)，即使开关频率较低，转矩的阶跃响应无论是稳态下的精度还是动态响应速度都比较理想。随着脉冲数的减少，动态响应速度有一定的下降这是不可避免的。通过磁链控制器和定向角度矫正器的作用，在动态过程中，转矩控制平稳，无传统的 控制下动态过程中转矩的振荡过程。

结束语：本文中对交流牵引电力机车或者高速动车组等大功率牵引传动系统的特点进行了分析，使牵引电机在不同的调制策略以及参数变化等各种不利情况下都精确地输出转矩。针对方波工况下电压不能调节的特点，研究了方波工况下的控制方法。仿真和实验结果证明了各方法的有效性。

参考文献：

1张江田，杨俊杰，张运伟．HXD2 型交流传动电力机车车体［J］．机车电传动，2019，( 2) : 8—10．