電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)矢量控制

電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)矢量控制摘要：為了滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)鐵路運(yùn)輸不斷提高的要求，電力機(jī)車已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸?shù)闹鲗?dǎo)力量。電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制性能與電力電子器件、牽引變流器硬件、電機(jī)控制等是相輔相成、互相促進(jìn)的關(guān)系，準(zhǔn)確地說(shuō)，電力機(jī)車是通過(guò)對(duì)牽引電機(jī)的調(diào)速過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的，因此牽引電機(jī)控制性能的好壞關(guān)系著整車的運(yùn)行狀態(tài)。在矢量控制中，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩輸出，必須采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。關(guān)鍵詞：電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)；矢量控制；前言：對(duì)于電力機(jī)車或者動(dòng)車組來(lái)說(shuō)，其首要的特點(diǎn)就是高電壓，大電流，大功率。受到散熱等方面的限制，這類大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的最高開(kāi)關(guān)頻率只有幾百赫茲，最高不超過(guò)1kHz，而同時(shí)由于機(jī)車速度范圍比較大，從而造成載波比在很大的范圍內(nèi)變化。通常在進(jìn)入弱磁區(qū)之后，進(jìn)入方波控制。這就需要研究電力機(jī)車這樣的大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)制算法，以滿足其低開(kāi)關(guān)頻率、寬速度范圍運(yùn)行的需要。1.電力機(jī)車的工作原理日本從60年代中期開(kāi)始采用交流電源經(jīng)由整流器對(duì)直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)供電的電力機(jī)車。這種方式同以前的直流電力機(jī)車不同，其空轉(zhuǎn)車輪具有自然的再粘著特性，這已得到了試驗(yàn)驗(yàn)證和理論解釋。此種再粘著現(xiàn)象當(dāng)時(shí)已弄清楚，并對(duì)電力機(jī)車進(jìn)行過(guò)分析。此種再粘著現(xiàn)象與電動(dòng)機(jī)電路電感、電阻所決定的電氣時(shí)間常數(shù)和輪軸、電樞等傳動(dòng)系統(tǒng)慣性矩所決定的機(jī)械時(shí)間常數(shù)有關(guān)。如果設(shè)定的電氣時(shí)間常數(shù)超過(guò)機(jī)械時(shí)間常數(shù)，電動(dòng)機(jī)電流就適當(dāng)振蕩而再粘著。電動(dòng)機(jī)電流不振蕩時(shí)，會(huì)出現(xiàn)持續(xù)空轉(zhuǎn)。另外，產(chǎn)生再粘著的條件是，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化率比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化大，電壓變化率小于整流器電路輸出電流的。通過(guò)分析，電機(jī)的反電勢(shì)定向也能實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的磁場(chǎng)電流與力矩電流解耦，并對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性很小。在矢量控制狀態(tài)下，為了輸出所要求的轉(zhuǎn)矩，扭矩電流矢量和激磁電流矢量（通過(guò)分解電機(jī)電流而得到的）是單獨(dú)控制的。作為電源柜的一個(gè)重要組成部分，主要由整流部分、變流充電部分和斬波配電部分組成。其中支撐電容將整流過(guò)的電壓進(jìn)一步濾波并使之變成更平滑的直流電。過(guò)壓過(guò)流保護(hù)部分是指當(dāng)電路的被測(cè)點(diǎn)電壓或者電流超過(guò)規(guī)定的正常值時(shí)，斷開(kāi)中間回路直流母線的開(kāi)關(guān)，切斷充電回路，以保證電路免受故障影響。逆變器的上下開(kāi)關(guān)之間必須加入一段互鎖時(shí)間，即死區(qū)時(shí)間，以保證管子的開(kāi)通延時(shí)?；ユi時(shí)間的加入，使實(shí)際輸出的電壓比控制要求增加（電流為負(fù)時(shí)）或減少（電流為正時(shí)）互鎖使得電流發(fā)生不同程度的畸變，而且在低頻更加嚴(yán)重，很大程度上影響了電機(jī)的啟動(dòng)力矩。1.電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)矢量控制電池。在充電裝置的直流輸出端始終并接著蓄電池和負(fù)載，以恒壓充電方式工作。正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置在承擔(dān)正常負(fù)荷的同時(shí)向蓄電池補(bǔ)充充電，以補(bǔ)償蓄電池的自放電，使蓄電池以滿容量的狀態(tài)處于備用。充電機(jī)模塊故障主要表現(xiàn)為控制電路中間直流回路支撐電容炸裂。并具有以下特點(diǎn)。1）模塊故障的地域性差異比較突出，特定區(qū)域故障率更高。2）模塊故障和模塊工作溫度關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，夏季高溫天氣下模塊故障率迅速上升。此外，在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，還伴有蓄電池電池殼體變形和虧電等情況。在電源模塊的預(yù)充電電路中增加過(guò)壓保護(hù)繼電器。當(dāng)充電機(jī)模塊投入后，當(dāng)充電機(jī)控制電路檢測(cè)到充電機(jī)交流輸入超過(guò)了設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)值，繼電器將自動(dòng)斷開(kāi)，保護(hù)母線電容可能承受過(guò)壓的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)檢測(cè)電壓恢復(fù)到正常范圍內(nèi)時(shí)，繼電器重新啟動(dòng)，模塊重新恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。此方案通過(guò)電源柜控制電路動(dòng)態(tài)檢測(cè)充電機(jī)模塊輸入電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器斷開(kāi)與恢復(fù)的動(dòng)態(tài)控制，隔離輸入過(guò)電壓，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)母線電容的保護(hù)。但是，該方案在一定程度上降低了充電機(jī)供電的時(shí)間，增加了蓄電池直接為負(fù)載供電的可能性。在高網(wǎng)壓和諧波含量豐富的特定區(qū)段，可能出現(xiàn)蓄電池荷電量不足的情況。同時(shí)，過(guò)壓值的選擇也需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。電控系統(tǒng)。傳統(tǒng)電控系統(tǒng)有以下不足：傳統(tǒng)電機(jī)車牽引電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)器一拖二控制方式，變頻器輸出給牽引電機(jī)的電壓和頻率一致，每臺(tái)牽引電機(jī)的速度理論上基本相同。但是在牽引電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法保證每個(gè)輪對(duì)的受力相同，只能通過(guò)牽引電機(jī)自身轉(zhuǎn)速差的調(diào)整平衡負(fù)載。牽引電機(jī)負(fù)載不平衡會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)燒電機(jī)的情況。在零速電制動(dòng)時(shí)通過(guò)輸出直流方式給牽引電機(jī)提供阻力矩。電機(jī)軸伸側(cè)安裝了旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度反饋。每臺(tái)牽引電機(jī)由一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)器提供電源，變頻驅(qū)動(dòng)器采用了閉環(huán)矢量控制方式。變頻驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)速度跟隨及負(fù)荷平衡。司控器的控制信號(hào)發(fā)送給PLC，PLC通過(guò)總線把運(yùn)行命令發(fā)送給變頻驅(qū)動(dòng)器。變頻驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速度、電流、電壓等狀態(tài)信息通過(guò)PLC發(fā)送給人機(jī)界面，通過(guò)人機(jī)界面可以直觀的了解車輛運(yùn)行狀況。電機(jī)車所處工作環(huán)境振動(dòng)、沖擊大，環(huán)境濕度高，為提高電機(jī)車的可靠性，選擇環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度反饋裝置。速度反饋裝置是變頻驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)矢量控制的核心組成，一旦故障，牽引電機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。為避免以上情況的發(fā)生，當(dāng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器或線路異常的情況時(shí)，司機(jī)可通過(guò)人機(jī)界面把電機(jī)車切換到開(kāi)環(huán)模式下繼續(xù)運(yùn)行，提高運(yùn)行可靠性。變頻驅(qū)動(dòng)器一拖一的控制方式，可實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、對(duì)地短路保護(hù)及掉載保護(hù)等功能，從保護(hù)機(jī)制上避免燒損電機(jī)等情況?？辗崔D(zhuǎn)校正。矢量控制中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，即轉(zhuǎn)子磁鏈的方向和軸電流的方向一致，軸磁鏈為零。這首先就需要控制算法中使用的電機(jī)參數(shù)和實(shí)際參數(shù)完全一致，然而由于電機(jī)溫度的變化以及磁飽和等因素的影響，實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的磁場(chǎng)定向。會(huì)造成實(shí)際磁鏈在軸上有一個(gè)負(fù)的分量，反之則會(huì)有一個(gè)正的分量，因此可以利用q軸磁鏈來(lái)對(duì)定向角度進(jìn)行校正。如有效校正由于轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)變化等各種因素造成的間接矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率誤差，從而保證對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的準(zhǔn)確定向。電流控制器保證電機(jī)電流能夠快速且無(wú)凈差地跟隨指令值的變化，對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有重要影響。對(duì)于電力機(jī)車等牽引傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了充分利用直流母線電壓，在高速下通常進(jìn)入方波運(yùn)行工況。對(duì)于傳統(tǒng)的矢量控制，通過(guò)對(duì)電壓的幅值和相位的調(diào)節(jié)來(lái)控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，而進(jìn)入方波工況后，系統(tǒng)已經(jīng)失去了對(duì)電壓幅值的控制，僅僅通過(guò)相位的控制無(wú)法同時(shí)使磁鏈和轉(zhuǎn)矩都等于參考指令。因此傳統(tǒng)的矢量控制方案已經(jīng)無(wú)法使用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的過(guò)程中，不同調(diào)制方式之間的切換平滑，沒(méi)有電流沖擊。將傳統(tǒng)的間接矢量控制和多模式調(diào)制策略結(jié)合，并采用上面提出的各種控制策略和補(bǔ)償策略，分別在轉(zhuǎn)速為300r/min異步調(diào)制，900r/min同步調(diào)制和優(yōu)化PWM時(shí)進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩的突加或者突減(30?10N?m),即使開(kāi)關(guān)頻率較低，轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)無(wú)論是穩(wěn)態(tài)下的精度還是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度都比較理想。隨著脈沖數(shù)的減少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有一定的下降這是不可避免的。通過(guò)磁鏈控制器和定向角度矯正器的作用，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩控制平穩(wěn)，無(wú)傳統(tǒng)的控制下動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的振蕩過(guò)程。結(jié)束語(yǔ)：本文中對(duì)交流牽引電力機(jī)車或者高速動(dòng)車組等大功率牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的特