高速動車組在直接轉(zhuǎn)矩控制下的機電耦合模型

陳雙喜，鄧小軍

(1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031;

2.中國中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程中心，山東 青島 266111)

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高速動車組在直接轉(zhuǎn)矩控制下的機電耦合模型

陳雙喜1,2，鄧小軍2

(1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031;

2.中國中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程中心，山東 青島 266111)

摘要:從牽引角度對高速動車組車輛動力學性能開展多學科研究，建立牽引系統(tǒng)在直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control)下動車組運行的機械電氣耦合模型。建立動車組的車輛動力學Simpack模型和牽引傳動系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制Matlab/Simulink仿真模型，通過接口模塊將2個系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)機械電氣系統(tǒng)耦合，并且給出仿真算例。研究結(jié)果表明：該模型能有效地揭示動車組運行中的機械與電氣特征變化情況。

關(guān)鍵詞：高速動車組；牽引系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制；機電耦合

Depenbrock[1]于1985年首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)理論，是繼矢量變換控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種異步電機變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上解決了矢量控制中計算復雜、特性受電機參數(shù)變化影響、實際性能難以達到理論分析結(jié)果的一些重要技術(shù)問題。該理論的核心是摒棄了矢量控制技術(shù)[2-3]中過于繁雜的解耦思想，簡單地借助三相定子電壓和電流在靜止坐標系中直接計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩，與給定值進行比較后，再通過兩點式或多點式調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)高性能的調(diào)速控制[4]。目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應用在電力機車和高速動車組牽引系統(tǒng)[5-12]。牽引工況下列車的研究往往是分專業(yè)進行的：電氣專業(yè)的學者不考慮車輛系統(tǒng)模型，而車輛專業(yè)的學者也很少考慮牽引系統(tǒng)的電氣特性及控制策略。為了充分考慮牽引電氣系統(tǒng)對列車動力學的影響，本文針對我國更高速試驗動車組，首先建立列車的車輛動力學模型，然后建立牽引傳動系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型，并通過接口模塊將2個系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)了真正的機電耦合，并給出了典型的仿真算例。

1高速動車組車輛動力學模型

首先在Simpack軟件中建立高速動車組的動力學模型，包括6個車體，每個車體包括2個構(gòu)架，4個輪對，8個軸箱，4個電機(電機軸)，4個齒輪箱(輸入輸出軸)和2個牽引拉桿，如圖1所示。齒輪箱傳動比為2。輪對、轉(zhuǎn)向架、車體和電機均有縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點頭和搖頭6個自由度；電機懸掛在構(gòu)架上；齒輪箱一端懸掛在構(gòu)架上，另一端在車軸上。整列車共計576自由度。一系二系懸掛采用彈簧單元模擬。運用彈簧單元模擬牽引拉桿連接車體和構(gòu)架；阻尼單元模擬抗蛇形減振器、橫向和垂向減振器和車間減振器。車鉤之間和橫向止擋用非線性彈簧模擬。車輪直徑0.92 m，踏面為LMA，鋼軌為中國軌道60 kg/m。

圖1　動車組車輛動力學模型Fig.1 Dynamics model of EMU

2牽引傳動系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制

高速動車組為6輛全動編組的動力分散交流傳動動車組，2個動車為一個動力單元，每個單元有獨立的牽引傳動系統(tǒng)，主要由1臺變壓器、2臺牽引變流器和8臺牽引電機組成。牽引變壓器原邊額定電壓為25 kv/50 Hz，副邊為2 121 v/50 Hz。牽引變流器輸入為四象限脈沖整流器(4QC)，2個4QC為一個共同DC連接供電，終結(jié)電容區(qū)存儲部分能量，輸出平滑的直流電。輸出端是一個PWM逆變器，將DC電壓轉(zhuǎn)化為牽引系統(tǒng)所要求的變頻變壓三相電源驅(qū)動并聯(lián)的異步牽引電機。本研究中采用DTC系統(tǒng)控制逆變和電機驅(qū)動部分。

圖2　異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖Fig.2 Induction machine DTC System diagram

圖3　帶滯環(huán)的雙位式控制器Fig.3 Hysteresis two-position controller

3高速動車組機電耦合模型

根據(jù)各個部分的工作原理搭建了高速動車組牽引傳動系統(tǒng)的Matlab/simulink與simpack聯(lián)合仿真模型，整個系統(tǒng)如圖4所示，包括：電源(DC)、三相逆變器(three-phase inverter)、測量單元(Measures)、異步電動機模塊(Induction machine)、直接轉(zhuǎn)矩控制模塊DTC(subsystem)、速度控制模塊(speed controller)和simpack接口模塊。因為牽引變流器輸出為DC直流電，因此模型中略去了降壓整流環(huán)節(jié)(這些環(huán)節(jié)并不影響直接轉(zhuǎn)矩控制)，直接采用變流器輸出的3 500 V直流電作為系統(tǒng)的電壓輸入。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用6個開關(guān)器件組成的橋式三相逆變器(Three-phase inverter)，該逆變器有8種開關(guān)狀態(tài)，可以得到6個互差60°的電壓空間矢量和2個零矢量。交流電動機定子磁鏈受到電壓空間矢量控制，因此改變逆變器開關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運行軌跡(磁鏈的幅值和旋轉(zhuǎn)速度)，從而控制電動機的運行。

圖4　動車組機電耦合模型Fig.4 Electromechanical coupling model of EMU

在速度控制模塊中，轉(zhuǎn)速給定N*經(jīng)過加減速限制環(huán)節(jié)，使階躍輸入時實際轉(zhuǎn)速給定有一定的上升和下降，轉(zhuǎn)速反饋N經(jīng)過了低通濾波器，得到轉(zhuǎn)速偏差(N*-N)。Proportional gain、Integral gain和discrete模塊組成帶限幅的離散PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)輸出經(jīng)過了選擇開關(guān)，根據(jù)設定的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)速控制的輸出。

直接轉(zhuǎn)矩控制模塊由轉(zhuǎn)矩給定Torque*、磁通給定Flux*，電流I_abc和電壓V_abc輸入信號都經(jīng)過采樣開關(guān)，DTC模塊包括轉(zhuǎn)矩、磁通計算、滯環(huán)控制、磁通選擇、開關(guān)表和開關(guān)控制等單元。DTC模塊是輸出三相逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

在Simpack接口模塊中，測量列車運行速度并反饋到電機模塊，同時通過自定義函數(shù)s-function input_torque(牽引特性曲線)計算給定扭矩。自定義函數(shù)s-function dj_load根據(jù)速度計算列車的運行阻力，并通過接口模塊(＄UI_load)加載到列車車體上。異步電動機模塊輸出的電磁轉(zhuǎn)矩通過接口(＄UI_tm)，作為扭矩輸入加載到車輛動力學模型中的電機轉(zhuǎn)子軸上，并經(jīng)齒輪箱傳遞到車軸上驅(qū)動列車前進。于是，整個機電耦合模型就建立起來了。

4仿真算例

電動機參數(shù)：功率600 kW，額定電壓2 730 V，額定頻率155 Hz，額定轉(zhuǎn)速4 600 rpm，中間直流電壓3 500 v和極對數(shù)4。假定列車運行在直線軌道上，暫不考慮軌道不平順。為了考慮可能出現(xiàn)的車輪打滑，假定軌道為濕軌，摩擦因數(shù)μ=0.1。給定列車首先從t=0，速度1 km/h(為了防止速度過小導致無法減速蠕滑力，速度沒有設置為0)加速到最高運行速度450 km/h，運行一段時間(t=550 s)后開始減速到400 km/h，并從t=750 s開始減速到1 km/h。轉(zhuǎn)速給定使用離散控制模型庫中的timer模塊，設定值為：t=0，550和750 s時轉(zhuǎn)速分別為5 215，5 215，4 635和12 r/min。模型采用混合步長的離散算法，基本采樣時間Ts=1e-5s，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采樣時間為140e-6s，動力學模型采樣時間為0.001s。

如圖5~10所示，在低速段，列車根據(jù)牽引特性曲線以恒定轉(zhuǎn)矩加速，列車以大于0.5 m/s2啟動加速。在直接轉(zhuǎn)矩控制下，系統(tǒng)表現(xiàn)了良好的速度和轉(zhuǎn)矩跟蹤響應，由于DTC采用兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號，在加快轉(zhuǎn)矩響應的同時必然增加了轉(zhuǎn)矩的脈動。雖然啟動扭矩較大，電機牽引力仍然小于黏著力，黏著飽和度0.9，即列車雖然在濕軌條件下啟動，車輪并沒有發(fā)生打滑。隨著速度提高，縱向蠕滑力和橫向蠕滑力均有所減小，黏著飽和度降低。當速度達到約220 km/h后，電機進入恒功率運行階段。隨著轉(zhuǎn)矩的降低和阻力的增大，列車前進加速度不斷減小。運行約420 s后，列車速度達到450 km/h，電機輸出轉(zhuǎn)矩與運行阻力平衡，列車以恒定速度運行，車輪縱向蠕滑力和橫向蠕滑力、黏著飽和度、列車縱向振動速度均保持不變。運行550 s后，列車按照給定速度開始減速，電機扭矩反向，車輪縱向蠕滑力反向，而橫向蠕滑力絕對值有所減小，黏著飽和度增大，列車縱向加速度也為較大的負值。當速度達到400 km/h后，蠕滑力和縱向加速度再次保持穩(wěn)定。運行750 s后，電機扭矩再次反向，車輪縱向蠕滑力再次反向，黏著飽和度大幅增加并接近1，車輪接近打滑，而列車再次以較大的加速度減小到1 km/h。

圖5　轉(zhuǎn)矩控制曲線Fig.5 Torque control curve

圖6　速度控制曲線Fig.6 Speed control curve

圖7　縱向蠕滑力Fig.7 Longitudinal creep force

圖8　橫向蠕滑力Fig.8 Lateral creep force

圖9　黏著飽和度Fig.9 Saturation of adhesion

圖10　車體縱向振動加速度Fig.10 Longitudinal acceleration of car body

除了車輛動力學響應，我們也可以得到電氣系統(tǒng)的響應。圖11給出了牽引電機定子電流波形圖，可以看出列車在直接轉(zhuǎn)矩控制下牽引電機電流在小于400 A，除了減速階段有所增加，全程運行正常。

圖11　牽引電機定子電流Fig.11 Stator current of asynchronous machine

5結(jié)論

1)本模型真正實現(xiàn)了電氣與機械系統(tǒng)的耦合，能更真實模擬列車啟動到穩(wěn)定運行全過程列車的動力學響應。文獻[8]和[9]等研究中假定列車從0加速到300 km/h僅需幾秒鐘時間并不符合真實運行工況，且只能得到速度跟蹤曲線以及電氣特性變化情況，無法考察輪對黏著特性，更無法得到列車振動尤其是縱向的振動特性。

2)本模型與其他動力學模型的區(qū)別在于：在matlab中而非在simpack動力學軟件中定義牽引特性曲線、給定扭矩和列車的運行阻力，因此能更方便地定義各種復雜的數(shù)學曲線。

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(編輯蔣學東)

《鐵道科學與工程學報》變更刊期公告

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《鐵道科學與工程學報》編輯部2015 -11-26

Electromechanical coupling model of high-speed EMU with direct torque control

CHEN Shuangxi1,2，DENG Xiaojun2

(1.College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；

2.National Engineering Center, CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd, Qingdao 266111,China)

Abstract:In order to study the dynamic performance of high-speed EMU from traction drive angle, a electromechanical coupling model of traction drive system for high-speed EMU with direct torque control was developed.Firstly, the vehicle dynamics model of EMU was built in Simpack and the direct torque control simulation model of traction drive system was built in Matlab/Simulink.Then they were linked by Simpack co-simulation interface model.Consequently, a full electromechanical coupling model of EMU was developed.A simulation example was also given.Result indicates that this model can effectively reveal the change of mechanical and characteristics of running EMV.

Key words：high-speed EMU; traction drive system; direct torque control; electromechanical coupling

通訊作者：陳雙喜(1982-),男，四川宜賓人，博士，從事車輛動力學與信號處理；E-mail：chshxi@qq.com

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(SWJTU10ZT04)

收稿日期：2015-04-21

中圖分類號：U270.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1277-06