電力機車牽引傳動系統(tǒng)矢量控制

電力機車牽引傳動系統(tǒng)矢量控制摘要：為了滿足我國經(jīng)濟發(fā)展對鐵路運輸不斷提高的要求，電力機車已經(jīng)成為鐵路運輸?shù)闹鲗Яα俊ｋ娏C車牽引傳動系統(tǒng)控制性能與電力電子器件、牽引變流器硬件、電機控制等是相輔相成、互相促進的關系，準確地說，電力機車是通過對牽引電機的調(diào)速過程來實現(xiàn)運營的，因此牽引電機控制性能的好壞關系著整車的運行狀態(tài)。在矢量控制中，要實現(xiàn)準確的轉矩輸出，必須采用轉矩閉環(huán)控制。關鍵詞：電力機車牽引傳動系統(tǒng)；矢量控制；前言：對于電力機車或者動車組來說，其首要的特點就是高電壓，大電流，大功率。受到散熱等方面的限制，這類大功率傳動系統(tǒng)的最高開關頻率只有幾百赫茲，最高不超過1kHz，而同時由于機車速度范圍比較大，從而造成載波比在很大的范圍內(nèi)變化。通常在進入弱磁區(qū)之后，進入方波控制。這就需要研究電力機車這樣的大功率傳動系統(tǒng)的調(diào)制算法，以滿足其低開關頻率、寬速度范圍運行的需要。1.電力機車的工作原理日本從60年代中期開始采用交流電源經(jīng)由整流器對直流串勵電動機供電的電力機車。這種方式同以前的直流電力機車不同，其空轉車輪具有自然的再粘著特性，這已得到了試驗驗證和理論解釋。此種再粘著現(xiàn)象當時已弄清楚，并對電力機車進行過分析。此種再粘著現(xiàn)象與電動機電路電感、電阻所決定的電氣時間常數(shù)和輪軸、電樞等傳動系統(tǒng)慣性矩所決定的機械時間常數(shù)有關。如果設定的電氣時間常數(shù)超過機械時間常數(shù)，電動機電流就適當振蕩而再粘著。電動機電流不振蕩時，會出現(xiàn)持續(xù)空轉。另外，產(chǎn)生再粘著的條件是，電動機轉矩的變化率比電動機轉速的變化大，電壓變化率小于整流器電路輸出電流的。通過分析，電機的反電勢定向也能實現(xiàn)交流電機的磁場電流與力矩電流解耦，并對電機參數(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矩，扭矩電流矢量和激磁電流矢量（通過分解電機電流而得到的）是單獨控制的。作為電源柜的一個重要組成部分，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的電壓進一步濾波并使之變成更平滑的直流電。過壓過流保護部分是指當電路的被測點電壓或者電流超過規(guī)定的正常值時，斷開中間回路直流母線的開關，切斷充電回路，以保證電路免受故障影響。逆變器的上下開關之間必須加入一段互鎖時間，即死區(qū)時間，以保證管子的開通延時。互鎖時間的加入，使實際輸出的電壓比控制要求增加（電流為負時）或減少（電流為正時）互鎖使得電流發(fā)生不同程度的畸變，而且在低頻更加嚴重，很大程度上影響了電機的啟動力矩。1.電力機車牽引傳動系統(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載，以恒壓充電方式工作。正常運行時，充電裝置在承擔正常負荷的同時向蓄電池補充充電，以補償蓄電池的自放電，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。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聯(lián)性很強，夏季高溫天氣下模塊故障率迅速上升。此外，在機車實際運行中，還伴有蓄電池電池殼體變形和虧電等情況。在電源模塊的預充電電路中增加過壓保護繼電器。當充電機模塊投入后，當充電機控制電路檢測到充電機交流輸入超過了設定的過壓保護值，繼電器將自動斷開，保護母線電容可能承受過壓的風險。當檢測電壓恢復到正常范圍內(nèi)時，繼電器重新啟動，模塊重新恢復到正常工作狀態(tài)。此方案通過電源柜控制電路動態(tài)檢測充電機模塊輸入電壓，實現(xiàn)對繼電器斷開與恢復的動態(tài)控制，隔離輸入過電壓，在一定程度上實現(xiàn)了對母線電容的保護。但是，該方案在一定程度上降低了充電機供電的時間，增加了蓄電池直接為負載供電的可能性。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，過壓值的選擇也需根據(jù)實際情況及時進行適應性調(diào)整。電控系統(tǒng)。傳統(tǒng)電控系統(tǒng)有以下不足：傳統(tǒng)電機車牽引電機采用變頻驅動器一拖二控制方式，變頻器輸出給牽引電機的電壓和頻率一致，每臺牽引電機的速度理論上基本相同。但是在牽引電機實際運行過程中，無法保證每個輪對的受力相同，只能通過牽引電機自身轉速差的調(diào)整平衡負載。牽引電機負載不平衡會導致出現(xiàn)燒電機的情況。在零速電制動時通過輸出直流方式給牽引電機提供阻力矩。電機軸伸側安裝了旋轉變壓器作為速度反饋。每臺牽引電機由一臺變頻驅動器提供電源，變頻驅動器采用了閉環(huán)矢量控制方式。變頻驅動器之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)速度跟隨及負荷平衡。司控器的控制信號發(fā)送給PLC，PLC通過總線把運行命令發(fā)送給變頻驅動器。變頻驅動器的運行速度、電流、電壓等狀態(tài)信息通過PLC發(fā)送給人機界面，通過人機界面可以直觀的了解車輛運行狀況。電機車所處工作環(huán)境振動、沖擊大，環(huán)境濕度高，為提高電機車的可靠性，選擇環(huán)境適應性較強的旋轉變壓器作為速度反饋裝置。速度反饋裝置是變頻驅動器閉環(huán)矢量控制的核心組成，一旦故障，牽引電機將無法正常運行。為避免以上情況的發(fā)生，當出現(xiàn)旋轉變壓器或線路異常的情況時，司機可通過人機界面把電機車切換到開環(huán)模式下繼續(xù)運行，提高運行可靠性。變頻驅動器一拖一的控制方式，可實現(xiàn)牽引電機過流保護、過壓保護、缺相保護、過載保護、對地短路保護及掉載保護等功能，從保護機制上避免燒損電機等情況?？辗崔D校正。矢量控制中實現(xiàn)轉矩和磁鏈的解耦控制的關鍵在于準確的轉子磁場定向，即轉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參數(shù)和實際參數(shù)完全一致，然而由于電機溫度的變化以及磁飽和等因素的影響，實際很難實現(xiàn)準確的磁場定向。會造成實際磁鏈在軸上有一個負的分量，反之則會有一個正的分量，因此可以利用q軸磁鏈來對定向角度進行校正。如有效校正由于轉子電阻參數(shù)變化等各種因素造成的間接矢量控制系統(tǒng)的轉差頻率誤差，從而保證對轉子磁場的準確定向。電流控制器保證電機電流能夠快速且無凈差地跟隨指令值的變化，對轉矩的精確控制以及動態(tài)響應具有重要影響。對于電力機車等牽引傳動系統(tǒng)來說，為了充分利用直流母線電壓，在高速下通常進入方波運行工況。對于傳統(tǒng)的矢量控制，通過對電壓的幅值和相位的調(diào)節(jié)來控制電機的磁鏈和轉矩，而進入方波工況后，系統(tǒng)已經(jīng)失去了對電壓幅值的控制，僅僅通過相位的控制無法同時使磁鏈和轉矩都等于參考指令。因此傳統(tǒng)的矢量控制方案已經(jīng)無法使用。在電機轉速變化的過程中，不同調(diào)制方式之間的切換平滑，沒有電流沖擊。將傳統(tǒng)的間接矢量控制和多模式調(diào)制策略結合，并采用上面提出的各種控制策略和補償策略，分別在轉速為300r/min異步調(diào)制，900r/min同步調(diào)制和優(yōu)化PWM時進行了轉矩的突加或者突減(30?10N?m),即使開關頻率較低，轉矩的階躍響應無論是穩(wěn)態(tài)下的精度還是動態(tài)響應速度都比較理想。隨著脈沖數(shù)的減少，動態(tài)響應速度有一定的下降這是不可避免的。通過磁鏈控制器和定向角度矯正器的作用，在動態(tài)過程中，轉矩控制平穩(wěn)，無傳統(tǒng)的控制下動態(tài)過程中轉矩的振蕩過程。結束語：本文中對交流牽引電力機車或者高速動車組等大功率牽引傳動系統(tǒng)的特