基于Matlab/Simulink的CRH3型動車組牽引電機的仿真研究

王海洋， 張文濤， 宮煒南

(1.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院， 河北 石家莊 050043；2.國網冀北電力有限公司 承德供電公司， 河北 承德 067000)

隨著現代科技的不斷進步，交流電機控制理論和現代電力電子技術取得了突破性的進步，現代控制理論產生了很多分支[1]。其中，矢量控制理論是最具代表意義的理論之一。矢量控制理論是在上個世紀70年代，由德國西門子公司的工程師F.Blaschke提出的用于解決交流電機轉矩控制問題的一套理論。矢量控制理論是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，將定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量并分別進行控制，模擬直流電機進行控制[2]。利用矢量控制可以在交流異步電動機控制中，獲得良好的靜態和動態調速特性。本文在分析CRH3型高速動車組牽引傳動系統特性的基礎上，結合異步電動機矢量控制的控制方式，建立基于Matlab/Simulink的矢量控制系統仿真模型，對CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況進行了仿真。驗證了建立的矢量控制仿真模型方法的可行性和有效性，凸顯Matlab軟件的強大功能。

1 CRH3型動車組牽引傳動系統

1.1 動車組牽引傳動系統主電路結構圖

國內現有的“和諧號”系列高速動車組的牽引傳動系統的特點歸納為：采用AC-DC-AC型牽引傳動系統，主回路電路包括受電弓、機車主斷路器、機車牽引變壓器、整流電路、中間環節電路和逆變電路等部分[3]。CRH系列高速動車組的牽引傳動系統主電路結構如圖1所示。

1.2 CRH3型動車組組成及運行特性

我國CRH系列動車組由4動4拖共8輛編組的動力分散交流牽引傳動電力動車組。CRH3型高速動車組的牽引電機的參數如表1所示[4]。

2 搭建仿真圖

2.1 仿真模型結構圖

表1 牽引電機參數

2.2 各模塊內部結構圖

2)轉速調節器。轉速調節器的作用是將反饋的轉速值與設定值經過轉換得到的轉速值作差，該差值再經過放大和積分環節，最終得到設定轉矩輸出值。內部仿真結構圖如圖4所示。

4)Park變換模塊。Park變換模塊是將dq軸電流值和夾角值進行變換運算，經過變換后得到abc三相的電壓值。

3 實驗結果分析

3.1 牽引啟動工況結果分析

在t=0～1 s內，在牽引電機最大轉速范圍內，選定CRH3型動車組的額定轉速值4 100 r/min作為模擬電機的額定啟動轉速值，模擬牽引啟動的運行特性。

圖6表示轉速的變化波形圖。大約經過0.3 s的啟動時間，電機轉速的值穩定在4 100 r/min。在之后的加載時間段內，牽引電機的轉速并未產生特別明顯的變化趨勢。由電機轉速的波形圖可以看出，轉速波形響應迅速且變化趨勢平穩。

圖7表示在牽引工況時牽引異步電機的電磁轉矩變化情況。電機在啟動過程中轉矩迅速提高，經過很短的時間保持在120附近；然后進行恒轉矩加載，達到額定轉速后轉矩降。在0.6 s的短時間加載，轉速隨之增加上升，最終負載轉矩的值維持在70.7附近。

圖9表示在牽引工況時牽引異步電機的轉子磁鏈軌跡的變化狀況。從零時刻電機啟動開始，建立磁場，在磁場未穩定之前磁鏈的軌跡呈現不規則的形狀；磁場的不規則會影響電機的轉矩的變化，從0.5 s時刻開始，磁場呈現為有規則的圓形，磁鏈軌跡也呈現為規則的圓形。隨著磁場建立完成，異步電機的轉矩趨于穩定。

3.2 制動工況結果分析

在t=0～1 s時，模擬牽引工況運行狀態，仿真結果如圖10～13所示。

圖11表示在制動工況時牽引異步電機的轉速的變化狀況。在0.3 s時間內，轉速基本上保持不變的狀態；在0.3 s～0.75 s內開始進入制動狀態，電機的轉速呈現平穩下降的趨勢；在0.75 s～1 s內電機的轉速基本保持不變。

圖11表示在制動工況時牽引異步電機的電磁轉矩變化情況。開始階段電機的轉矩基本上保持平衡轉動狀態；在0.3 s開始，轉矩發生了明顯的變化，急劇的下降，波動比較大，在此階段會出現負的電磁轉矩；自0.9 s開始，轉矩基本維持在0值附近，即完成了機車的制動過程。

圖12表示在制動工況時牽引異步電機的三相定子電流的變化狀況。一開始的時候定子電流的值比較大，之后定子電流經歷制動過程開始逐漸變小，最終定子電流維持在0值附近。

圖13表示在制動工況時牽引異步電機的轉子磁鏈軌跡的變化狀況。從零時刻電機啟動開始，建立磁場，在磁場未穩定之前磁鏈的軌跡呈現不規則的形狀；從0.5 s開始，磁場呈現為有規則的圓形，磁鏈軌跡也呈現為規則的圓形。

3.3 牽引啟動和制動停止的仿真結果分析

從仿真結果來看，通過矢量控制的方式實現對牽引傳動系統的控制，將定子電流分解為轉矩分量和勵磁分量分別進行相互獨立的控制，這樣控制的優點體現在圖8和圖12的牽引電動機輸出的電磁轉矩響應速度很快，圖7和圖11的牽引電機轉速波形平穩，具有良好的調速特性等方面。當電機轉速發生變化時，電機很快會恢復至穩定運行狀態，可以看出矢量控制方法可以使電機動態反應迅速。矢量控制方式對牽引電機控制的性能良好，具有很好的抗干擾能力，磁鏈呈現出規則的變化形狀。在恒速控制思想的基礎上，引入控制系數，就會得到一個牽引電機轉矩指令：

(7)

4 結語

本文建立了基于Matlab/Simulink的矢量控制系統仿真模型，該模型的建立凸顯了Matlab軟件直觀、方便、無需編程、簡單等優點。通過對CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況的仿真，仿真結果驗證了矢量控制在交流異步電機控制領域的可行性和有效性，與真實情況相仿，說明了矢量控制在交流異步電動機控制中，具有良好的動態和靜態特性。