基于實物平臺電機牽引傳動特性研究

李明華　范毅

【摘要】 ? ?高速電力機車的發展在現代社會發展中起著重要作用，牽引傳動系統作為電力機車的關鍵組成部分，關系著列車的安全性能，是交通運輸技術中的重要方面，本文基于控制理論詳細論述了車輛運行中牽引傳動系統的工作原理和控制策略;基于Matlab建立整流控制和逆變控制仿真系統，創建整流和逆變電路的狀態方程，根據狀態方程編寫控制算法，設置不同運行工況下進行試驗選取較好的控制策略;并將控制算法植入芯片在電機實物平臺上進行牽引性能驗證。

【關鍵詞】 ? ?牽引傳動 ? ?逆變 ? ?異步電機 ? 實物平臺

Abstract： The development of high-speed electric locomotive plays an important role in the development of modern society. As a key part of electric locomotive， traction drive system is related to the safety performance of the train ，and also， it is an important aspect of transportation technology. Based on the control theory， this paper discusses the working principle and control strategy of the traction drive system in vehicle operation in detail firstly;second， establishes the rectifier control and inverter control simulation system based on MATLAB， creates the state equation of rectifier and inverter circuit， compiles the control algorithm according to the state equation， sets up the test under different operating conditions， selects the better control strategy;Finally， implants the control algorithm into the chip The traction performance is verified on the real platform of the motor.

Key words： traction drive; inverter; asynchronous motor; physical platform

引言：

隨著國內高速交通運輸的全面發展，電力機車以其大功率、大容量、牽引力大、速度快的特點在全國大范圍普及，對牽引控制的研究也愈來愈重要[1]。本文針對牽引傳動系統的基本原理和結構進行闡述，并對整流控制和逆變控制進行了算法設計，在實驗室環境中利用Matlab仿真[2]平臺進行狀態方程的設計以及測試，再將Matlab形成的代碼移植到芯片中，并在實物平臺上對牽引控制性能進行驗證，在試驗中不斷優化控制算法[3]。

實物平臺的設計主要包含可編程電源、逆變控制模塊、IGBT控制模塊以及小功率電機，可編程電源模擬整流控制單元，逆變控制模塊實現逆變控制算法，通過IGBT模塊發波控制電機，對電機進行變頻啟動以及加減載模擬工況控制，實現控制算法的不斷優化。

一、牽引傳動系統

隨著電力傳動及控制技術的發展，變頻調速越來越廣泛的應用于社會各領域，很好的解決了交流電動機的調速問題。傳統的通用變頻器通常采用的交-直-交電壓型逆變器拓撲結構，交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。

電力動車組的牽引傳動系統通常采用的是交-直-交的傳輸方式，系統主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引四象限整流器、中間直流環節、牽引逆變器和牽引電機組成。本文分析的動車組牽引傳動系統原理是受電弓通過電網接入高壓交流電，經變壓器降壓后發送給四象限整流器[4，5]，后經中間直流環節電路將直流輸送并轉換送給牽引逆變器[6，7]，后輸出的直流電由逆變系統輸出可調交流電給牽引電機。目前，我國電力機車均采用單相兩電平四象限變流器作為其交直變換器，本論文研究亦采用單相兩電平四象限整流控制。逆變控制采用轉子磁場定向矢量控制策略[8，9]，設計牽引控制單元如圖1所示。

二、整流控制設計

2.1 狀態方程

牽引傳動系統中的整流部分電路主電路如圖2所示，其中， us和is分別為網側輸入電壓、電流;uab為整流器輸入電壓;Udc為中間直流側電壓;LN為牽引變壓器牽引繞組的等效電感;L2和C2分別為直流側二次LC諧振濾波電路的電感和電容;S1a和S2a為a橋臂自帶反并聯二極管的IGBT功率模塊;S1b和S2b為b橋臂自帶反并聯二極管的IGBT功率模塊;Cd為直流側濾波電容。ic為流過直流側電容的電流;idc為整流器輸出電流;i2為流入二次諧振濾波電路的電流;iload為直流側輸出的負載電流，S1a、S2a、S1b、S2b構成四象限整流系統的IGBT，L2、C2、Cd構成中間直流環節。整流模塊在機車運行中將電網傳輸的交流電轉換為直流電并提供給動車組的逆變模塊，在此過程中算法應控制電網的輸出利用率接近1，整流輸出的直流電壓大小平穩且可控。由圖2可推導其數學模型如式1，根據數學模型可設計具體的算法實現電壓電流的可控。

2.2 控制策略

根據兩電平整流器電路的主電路基本特性，推導其數學模型，根據數學模型和開關不同狀態是電路的工作狀態，設計整流模塊的控制方式如圖3所示。

本文研究整流控制采用電壓前饋控制和PI控制作為控制外環與電流PR控制作為控制內環相結合的復合控制方式。如圖3可知四象限整流器變壓器等效的網側電感LN的端電壓、變壓器等效的網側電阻RN的端電壓，將電網電壓、電阻端電壓和電感端電壓作為構成電壓控制的前饋信號，再與電壓PI控制和電流PR控制結合控制輸出。電壓外環采用PI控制和前饋控制結合，控制直流側電壓udc跟隨直流側電壓給定值，保持直流側電壓穩定;電流內環控制輸入電流in，利用鎖相環（PLL）求取電網的相位和頻率作為電流給定值的相位和頻率，對交流電流采用PR控制算法使得輸出的網側電流跟隨給定電流，實現網側輸入端的單位功率因數為1。

2.3 輸出波形

根據算法設計，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，設置仿真參數為變壓器輸入電壓為25kV，變比為18：1，整流電路中電網電流和輸出波形如圖5所示，由圖可得電網電壓和電網電流電壓相位幾乎一致，功率因數接近1，電網利用率高;諧波分析如圖6所示，由圖可得輸出電流的諧波畸變率為2.7%，值相對較小，對電網的損害小;直流側電壓輸出如圖4所示，仿真中給定輸出電壓為2700V，最終輸出直流電壓與給定輸出電壓一致。

三、逆變控制設計

3.1電路狀態

高速動車組牽引傳動系統中電機側變流器大多采用轉子磁場定向矢量控制策略，矢量控制的核心是對異步電機的電磁轉矩和磁場的完全解耦控制，它在異步電機空間矢量模型的基礎上，將電機定子電流的瞬時值分解成為控制磁通的勵磁電流分量和控制轉矩的轉矩電流分量，并使兩分量正交獨立，分別進行獨立控制。

在牽引傳動系統中三相逆變模塊的控制是實現牽引電機變頻調速的關鍵，通過改變逆變器輸出的頻率和電壓電流的大小對電機進行相應的調速，主電路如圖7所示，逆變器的數學模型如式2。由圖可知：逆變器主電路U、V和W三相橋臂組成，每相橋臂包含2個電力電子開關器件IGBT，且每個IGBT與1個二極管反向并聯，組成1個功率器件。

3.2 ?矢量控制

矢量控制的最初提出是針對異步電機建立動態數學模型和矢量控制方程，并對電機模型進行了轉子磁場定向的變換，使交流電機的控制具有直流電機雙閉環調速的水平，而矢量控制的控制特性也使得異步電機在控制過程中存在較大的需要改進的部分。矢量控制的優點是控制電機從零速到最大速度，調速范圍寬，可以精確控制轉矩，系統的動態響應快，電機的加速特性好。缺點則是控制模型在電機高速運行過程中會受電機參數變化的影響，因此準確的獲取電機的參數和電機動態控制模型的建立是提高電機矢量控制性能的關鍵。

異步電機轉子磁場定向矢量控制系統中，一般包括四個閉環勵磁電流內環、轉矩電流內環、磁通外環、速度外環，這四個閉環構成四個調節器。調節器的參數設置和整定是系統設計的重要環節，調節器的參數設計的好壞會直接影響整個系統的控制性能，而調節器參數的設計和電機本身參數的求取的準確性，磁鏈-轉速曲線和轉矩-轉速給定的合理型有關。結合以上對矢量控制和異步電機模型的分析，確定采用圖8基于轉子磁場的間接磁場定向的閉環控制系統，如圖8所示控制采用了前饋靜態電壓和反饋電壓控制結合的解耦方式，將dq軸的控制轉換為兩個獨立通道的單回路控制系統，系統的設計和控制更為便利，而磁鏈環和速度環則結合電機參數設計了適應電機特性的曲線。

考慮交流異步電機在運行過程中磁鏈越接近圓形則控制性能越好，而SVPWM可通過交替使用不同的電壓空間矢量實現磁鏈軌跡的控制，再考慮全速域控制中電機特性的變化，為了獲得較好的調速性能調制方式采用異步、同步、方波的多模式混合SVPWM調制，實現方式如圖9，低速域采用異步調制，中高速域采用多個同步模式切換，高速域采用方波控制。

3.3 仿真輸出波形

異步電機的選型如表1，結合電機參數設計在仿真中設計相應的磁鏈環的速度環，仿真波形如圖10、11所示，間接磁場定向控制使得電機的啟動電流小，輸出的轉矩與給定轉矩一致。

3.4實物平臺驗證

根據以上算法在芯片中寫入逆變控制算法，并聯合電源模塊、IGBT逆變模塊、小功率電機搭建牽引控制平臺硬件電路，算法按照電機參數進行參數設置。

在電機滿負載的工況下，逆變模塊的扭矩輸出圖如圖12所示（此處轉矩的為對比按照機車轉矩值給定與反饋，實際應用按需求縮減），逆變器輸出電流為三相平衡的正弦波，輸出轉矩與給定轉矩一致，輸出電流如圖13所示，輸出電流隨模式的不同切換，且啟動電流為額定電流的1.2倍，波形質量相對較好。

四、結束語

本文參照電力機車動車組的基本結構設計了牽引傳動系統的整流和逆變控制算法。整流控制算法考慮諧波對電網的影響和系統對中間直流環節電壓的需求，設計了電壓電流混合控制的方式使得電網輸出電流和電壓相位保持一致，輸出直流母線電壓與機車所需電壓一致且擾動小;逆變算法控制考慮大功率異步電機的機械特性和牽引特性存在啟動電流大、開關頻率小、運行中受制于電機參數變化的問題，采用間接磁場定向控制和多模式調制算法控制電機，電機運行方式為恒轉矩-恒功率，輸出諧波小且輸出于給定跟隨性好，系統的動態響應快。通過仿真與實物平臺實驗驗證了所提算法對當前牽引傳動系統控制的正確性。

參考文獻

[1]蔣濟雄.我國軌道交通牽引機車振動研究現狀分析[J].機械工程師，2015（05）：139-141.

[2]武彥.CRH2型動車組牽引傳動控制系統仿真研究[J].電腦知識與技術，2015，11（18）：192-194+202.

[3]馬志文，鄭雪洋，殷振環.動車組牽引電機矢量控制系統幾項關鍵技術[J].鐵道機車車輛，2014，34（05）：1-5+38.

[4]韓坤，馮曉云，葛興來，孫鵬飛.動車組牽引電動機全速域控制的研究與仿真[J].電工技術學報，2011，26（S1）：297-302.

[5]李林，徐海，耿路，顏偉，邱冬梅，高翔.動車組牽引傳動系統瞬態電流控制策略對電網沖擊的影響研究[J].南京師范大學學報（工程技術版），2017，17（02）：1-12.

[6]劉長清，郭平華，黃長強，蹇芳.電力機車四象限輔助變流器的研制[J].電力機車與城軌車輛，2003（06）：18-20.

[7]齊龍.基于電壓控制器的轉子磁場準確定向方法研究[J].鐵道機車車輛，2017，37（01）：43-46+81.

[8]彭仁勇，陳鵬，陳美遠，劉亞男.基于MATLAB/SIMULINK的異步主軸電機弱磁運行仿真[J].科技視界，2017（04）：17-18.

[9]韋文祥，劉國榮.間接矢量控制中的轉子電阻辨識方法研究[J].控制工程，2014，21（06）：838-842.

[10]馬建輝，高佳，周廣旭，朱孟美，慕永云.一種SVPWM簡化算法的設計與實現[J/OL].電源學報：1-12[2021-01-07].

李明華，1982年5月，男，山西省夏縣，漢族，大學本科，工程師，高可靠嵌入式系統。