調制控制策略在大功率電機車上的應用研究

吳建功

（中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037000）

引言

鐵路運輸為當前路運的關鍵方式，其先后經歷了蒸汽機車、內燃機車、電力機車三個發展階段。目前，主要以電力機車為主，其可作為貨物和乘客的運輸載體。牽引電機為電力機車的核心部件，其性能直接決定能否對電力機車進行穩定、安全的控制。目前，對于電力機車而言，國內企業主要完成制造任務；而對于電力機車的核心控制技術而言，我國與發達國家還存在較大的差距[1]。尤其是在近年來，國外技術對我國的封鎖以及在鐵路運輸需求越來越大的形式下，開展電力機車的調控策略研究尤為重要。本文重點開展調制控制策略在大功率電力機車中的應用研究。

1 大功率電力機車概述

電力機車的牽引動力為電動機，其具有高電壓和大電流的特點。為電力機車所配置開關的最高頻率為幾百赫茲，而電動機運行時的最高頻率為百赫茲左右；為了保證電力機車可在全速度范圍之內穩定運行，需要采取相應的調制方式進行控制。目前，針對電力機車最高開關頻率與逆變器最高輸出頻率可采用的調制方式包括有異步調制、規則采樣同步調制、特殊同步調制和方波調制[2]。經統計，目前我國應用較為廣泛的高速動車組和重載牽引電機車開關頻率和逆變器的最高輸出頻率如表1 所示。

表1 高速動車組和重載牽引電機車開關頻率與逆變器的最高輸出頻率 Hz

本文以重載牽引電力機車為例開展研究，具體型號為HXD2C。該型電力機車對應牽引傳動系統的電路原理如圖1 所示。HXD2C 電力機車電機采用交流-直流-交流供電模式；該型電力機車每個轉向架均配套有3 臺電動機，為每臺電動機配套1 個逆變器，并在軸控方式的作用下保證每個軸的牽引力可完全服務于機車。HXD2C 電力機車的主要技術參數如表2所示。

表2 HXD2C 電力機車主要技術參數

圖1 HXD2C 型電力機車配套牽引系統的電路原理

2 大功率電力機車全速度范圍的矢量控制設計

實現對大功率電力機車的調制控制，主要目的是能夠保證電力機車在全速度范圍之內穩定、安全運行。因此，在某種程度上要求電力機車控制策略中控制算法與調制算法分為兩個獨立的部分，其可在很大程度上解決PWM延時嚴重的問題。其中，控制算法主要是根據實際工況生成相應的電壓指令；調制算法是將控制算法中形成的電壓指令轉換為脈沖信號發射出去，具體矢量控制框圖如下頁圖2 所示。

圖2 大功率電機車的矢量控制框圖

基于控制算法可實現AD 采樣、接收指令以及濾波等功能；基于調制算法可實現電力機車在全速度范圍之內載波均處于周期變化的狀態。理論上，為保證電機車的穩定運行，控制算法對應的計算頻率是高于載波頻率的。本項目中調制算法基于非優化PWM的中間60°調制方式實現。

但是，實踐表明單純采用圖2 所示的矢量控制框圖容易導致電力機車在實際運行過程發生一些額外的問題，主要表現在對電力機車過分相區和準恒速度控制方面，對其穩定運行造成一定的影響。因此，需針對性地對上述兩方面提出相應的控制策略。

2.1 電力機車過分相區直流電壓控制策略

所謂過分相區指的是目前電氣化鐵道采用單相供電，為了能夠對三相電的負荷進行平衡，需要每隔一段接觸網進行換相供電。在換相供電的過程中，會在輸入和輸出端出現短時間的無電狀態，即為過分相過程。針對上述的過分相過程采用如圖3 所示的控制邏輯解決短時間無電的情況。

圖3 過分相過程無電情況的邏輯控制策略

2.2 電力機車的準恒速度控制策略

目前，電力機車牽引系統以其轉矩為控制目標進行控制，而不是對其速度進行直接控制。但是，在實際運行中為了保證電力機車在最短的時間內達到指定的速度，減小司機頻繁的操作量，要求電力機車可直接對其速度進行控制，并保證速度控制精度控制在±2.5 km/h 之內。

鑒于電力機車的負載相對復雜，其對應的轉動慣量的變化幅度也較大。采用傳統閉環控制其對應的調節系數不易調節控制。因此，針對電力機車的準恒速度控制采用比例控制實現，對應的控制策略如圖4 所示。

圖4 電力機車準恒速度控制策略框圖

3 調制控制策略的現場試驗應用

3.1 運輸工況突變時的穩定性試驗

對電力機車在牽引工況、牽引滿級工況、再生制動工況、再生制動滿級工況下突變時電力機車運行穩定性進行試驗。其中，牽引工況對應的速度低于10 km/h，牽引滿級工況包括速度在65～75 km/h 和115～125 km/h 兩種工況；再生制動工況速度低于10 km/h；再生制動滿級工況包括速度在65～75 km/h 和115～125km/h 兩種工況。

經試驗，不同運行工況的切換并未對電力機車的高壓系統、輔助系統以及牽引系統造成一定的故障；而且，機車在工況切換過程中并未出現相關的錯誤信息；尤其是在準恒速控制策略下，電力機車的速度并未出現較大的波動，可滿足實際運行中的定速控制要求。

3.2 電力機車總效率試驗

電力機車在額定網壓下，且在額定牽引工況下電機持續輸出額定功率，經測得電力機車的總效率為86%，滿足機車總效率≥85%的要求。

4 結語

電力機車在牽引工況、牽引滿級工況、再生制動工況、再生制動滿級工況下突變時各部件性能均可穩定運行；基于上述控制策略支撐下的牽引系統可保證電力機車運行總效率達到86%。