并聯電機結構對動車組黏著利用的影響

高　翔， 張　波

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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并聯電機結構對動車組黏著利用的影響

高翔， 張波

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

目前我國動車組廣泛使用多異步電機并聯供電的動力配置方案。為了傳感器和控制上的簡化，牽引系統通常將多個并聯電機等效成單個電機來處理。但當部分軸出現黏著利用問題時，控制中的電流閉環會加劇牽引電機間的力矩分配不平衡；而采用轉速平均值作為控制標準轉速，又會使已經發生空轉或滑行的電機由于轉差率的差異而出現工作異常現象。這些現象最終都有可能引起黏著利用惡化。針對并聯電機牽引系統中，傳感器簡化和電機等效對動車組黏著利用可能造成的后果進行了分析。

動車組； 黏著利用； 并聯電機

空轉和滑行等黏著利用問題是軌道車輛在運行時經常會遇到的問題。當軌面黏著狀況較差時，車輪轉速可能會嚴重偏離車體速度，無法有效傳遞牽引力或制動力，并且可能會造成輪軌接觸面破壞，列車坡停、運緩或制動距離延長等嚴重后果。

目前我國動車組廣泛使用多臺異步電機并聯供電的動力配置方案。并聯電機具有減少開關器件、降低牽引系統質量、減少傳感器、簡化控制方式等優點，可以有效降低動車組制造成本。由于牽引系統中傳感器的簡化，加之在控制中將多個并聯電機等效成單個電機來處理，當部分軸發生空轉時，磁場定向控制中的電流閉環(ACR環節)會加劇牽引電機間的力矩分配不平衡；而采用轉速平均值作為控制標準轉速，又會使已經發生空轉的軸由于轉差率的不同而出現異常工作現象。這些現象都會引起黏著利用惡化。

本文對并聯電機結構中電流閉環、標準速度選取對黏著利用造成的影響進行分析。

1　并聯電機結構分析

并聯電機結構的動車組牽引系統分為車控模式和架控模式，車控模式是指動車上的1臺變流器驅動4臺牽引電機并聯運行，而架控模式是指同一轉向架上的2臺牽引電機并聯運行，典型的車控模式電路結構如圖1所示。牽引電機上各安裝有一個轉速傳感器，每臺變流器的輸出端安裝有2個電流傳感器測量牽引電機總電流。

并聯電機控制的關鍵是使多電機協調運行并保證整個系統的穩定性。為了實現較快的系統響應，變流器控制通常采用磁場定向控制技術，并在控制中將多個并聯電機等效成單個電機來處理，因此要求并聯電機的參數相同或盡可能接近，而電機的標準轉速wr是由速度選擇器通過一定算法生成的，一般采用的平均值進行控制。

2　ACR環節加劇并聯電機力矩分配不平衡

在動車組的磁場定向控制中，控制系統根據司機手柄位置與車輛的運行速度，分別確定電機牽引轉矩和勵磁給定，計算得到電流、電壓給定向量，經過磁場定向坐標變換實現電流閉環控制，并進行電壓矢量前饋補償控制。分別控制定子電流勵磁和力矩分量可以得到穩定的電磁轉矩，從而獲得良好的動態特性，這是磁場定向控制的優點。為了使電機勵磁電流和力矩電流實現較快的電流響應，控制系統通常會加入與實際電機電流分量進行的閉環PI控制，而在高速時，PWM調制切換到1脈波調制方式后，電流閉環不再起作用，因此電流閉環計算環節將被切除。

采用并聯電機結構的動車組生產成本降低，控制模式相對簡單，只需要將多臺牽引電機看作一臺來進行控制。但當并聯電機中的一個或幾個發生空轉或滑行時，其轉子頻率已經異于其他電機，并聯電機間會出現力矩不平衡甚至于牽引電制發揮工況不一致的情況，造成輪軌間黏著利用不平衡。而由于ACR環節的存在，又會直接加劇這種不平衡。

圖2為CRH380A動車組的防空轉試驗過程數據。試驗過程中，試驗人員向軌道上噴灑減摩液制造低黏著狀態。可以看出，在Ⅰ時刻，2軸首先發生空轉，而此時動車組的黏著控制沒有動作，2軸牽引電機電流下降，其他牽引電機電流上升。緊接著4軸也發生了空轉，電機定子電流下降，1、3軸牽引電機電流繼續上升，直到Ⅱ時刻黏著控制動作，逆變器電流迅速下降，2、4軸空轉得到抑制。在Ⅲ～Ⅳ時刻也發生了同樣的情況。表1為Ⅰ～Ⅱ、Ⅲ～Ⅳ區域各電機電流與平均值對比情況。

圖1　典型車控牽引系統電路結構

表1　各時刻電機電流與平均值對比

圖2　CRH380A動車組防空轉試驗過程

定義is為定子電流，vs為定子電壓，ws為定子頻率，wr為轉子頻率，wslip為轉差頻率。為了簡化分析過程，對兩電機并聯的情況進行分析，四電機并聯的情況類似，電機1和2通過下標區分。

圖3　2軸發生空轉時電機相量圖(不含有ACR環節)

而當牽引控制中有ACR環節，假設2軸發生空轉，1軸黏著狀態不變。定子電流矢量is不變。由于磁通變化很小，電流矢量的差值△is與無ACR環節的矢量控制電流發生的變化相同。這意味著沒有發生空轉的1電機轉矩電流is-q_1增加而發生空轉的2電機的轉矩電流is-q_2減小。

可以看到，并聯電機中的一臺發生空轉后，如果不進行有效控制，牽引控制中ACR環節會加劇牽引電機間的力矩分配不平衡，未發生空轉的電機力矩增加可能突破黏著極限，發生黏著破壞。

圖4　2軸發生空轉時電機相量圖(含有ACR環節)

3　標準轉速選取導致并聯電機異常工作

牽引系統在控制中將并聯電機等效成單個電機來處理，標準轉速wr一般會選取各電機轉速平均值。當動車組施加制動，動車出現滑行時有可能各電機轉速不一致，引起電機轉子轉速超過同步轉速，導致并聯電機出現異常工作現象。

某型采用車控牽引系統的動車組在進行防滑行試驗時，發現同一動車上并聯的4個異步電機功率發揮存在異常工作的現象。如圖5所示，試驗中動車組施加7級復合制動，初速度為160 km/h，同時試驗人員向軌道上噴灑減摩液制造低黏著狀態。從圖5中可以看到，動車組3、4位電機工作在再生制動工況，而1、2位電機卻工作在牽引工況。

圖5　動車組施加7級制動時電機輸出功率

從一車和三車的變流器輸出功率來看，動車組在Ⅰ處施加7級復合制動后，控制系統在Ⅱ處監控到了滑行現象，立即動作降低變流器輸出功率，抑制滑行的發生。此時3、4位電機發揮電制動，1、2位電機處于牽引工況。圖5中Ⅱ、Ⅲ處同步頻率和各軸轉子頻率結果如表2，可見1、2位電機的轉差率為正，3、4位電機的轉差率為負。

由于動車組制動時空氣制動和電制動同時參與，各動軸的黏著利用狀況又不同，各軸的轉速可能有很大差異。考慮不同轉速差對各軸電機輸出轉矩的影響，圖6所示為異步電機電機轉矩-轉差率特性曲線，電機的機械特性曲線是指三相異步電機在輸入電壓與頻率一定的情況下電磁轉矩T與轉差率s之間的關系曲線T=f(s)。圖中，s在[0,1]區間時，電機處于牽引工況；s<0時，電機處于再生制動工況。

表2　各時刻同步頻率和各軸轉子頻率

圖6　異步電機電機轉矩-轉差率特性曲線

假定并聯電機特性相同，當各電機的轉子頻率由于滑行出現差異時，轉差頻率也不相同，則相應的電機轉矩也不相等。可以看出，由于并聯電機結構的牽引系統在控制中采用了平均值作為標準轉速，在轉子頻率相差不大的情況下，各軸功率發揮差距不明顯；當轉子頻率相差較大時，則可能會出現滑行程度較大的軸轉子頻率小于同步頻率we的情況，此時電機轉差率有正有負，必然導致牽引電機有些處于牽引工況，有些處于再生制動工況，功率發揮不一致。

4　結　論

動車組的牽引系統必然向著功率大、體積小、質量輕、可靠性高和低成本方向發展。具有并聯電機結構的牽引系統在控制動車組成本、降低整車質量、減少傳感器、簡化控制方式等方面具有很大優勢。

針對并聯電機牽引系統中，傳感器簡化和電機等效對動車組黏著利用可能造成的后果進行了分析。并聯電機控制的關鍵是多電機協調運行，傳統的并聯電機控制策略簡單、易于實現，但在動車組出現空轉滑行時，可能會加劇電機間的力矩不平衡甚至出現異常工作現象，造成黏著惡化。因此，在保證并聯電機結構盡可能簡單的前提下，提高牽引系統動態性能，實施更加準確的控制，更有效利用黏著是今后需要探索和研究的問題。

[1]Michihiro YAMASHITA, Dr.Eng, Tomoki WATANABE.Re-adhesion Control Method without Speed Sensorsfor Electric Railway Vehicles[J]．QR of RTRI, 2005， 46(2)：85-89．

Influence Analysis of the Parallel Connected Motors Structure to EMU Adhesion Utilization

GAOXiang，ZHANGBo

(Locomotive & Car Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081, China)

At present, China EMU widely use the parallel multiple motors in power arrangement configuration. To simplify the sensors and control in the traction system, the parallel motor saretypically equivalent to a single motor. But when some axes haveadhesionutilization problems, the automaticcurrent regulation will exacerbate unbalance betweentraction motors torque distribution. Duetothe use of the average speed as a standard speed, themotorswill work in abnormal condition because of the slip difference when the adhesion utilization problem shave already occurred.These phenomena are likely to eventually lead to the deterioration of adhesion utilization. In this paper, the possible consequences of the sensors simplified plan and motor equivalent to EMU adhesion utilization are analyzed in parallel motor traction system.

adhesion utilization; parallel motors

1008-7842 (2016) 03-0130-04

男，助理研究員(

2015-12-18)

U264.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.29