高速动车组牵引传动控制系统研究

高速动车组牵引传动控制系统研究

赵龙 胡俊祥 窦成良

中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春， 130062

摘要：近年来，高速动车组的发展一方面适应了社会快速发展的新形势，另一方面也加快了人们的生活节奏。为不断适应发展变化着的新形势，满足人们不断增长的新需求，需要对高速动车组牵引传动控制系统进行优化，从而推动我国交通运输事业的发展，促进国民经济稳步提升。

关键词：高速动车组 牵引系统 控制系统

（一）高速动车组交流传动系统结构

高速动车组机车先从接触网的受电弓得电DC1 500 V,继而直流电经逆变器转换为变频、调压的三相交流电，使得牵引电机转动，从而驱动机车运行，最后通过调节牵引电机的转速来控制机车的速度。本文对高速动车组牵引控制系统中的交流电机的转差频率矢量控制方法做了研究与分析。

（二）高速动车组交流牵引传动控制原理及建模

1.交流电机转差频率矢量控制原理

本文采用转差频率矢量控制方式达到掌控牵引电机的转速，从而快速控制机车的速度。其主要思想是将牵引电机转换为直流电机进行控制。

牵引电机通过在定子绕组中通入电流，建立旋转磁场，由电磁感应定律可知，此时电能转换成了机械能。因牵引电机是个多变量、非线性、强耦合的系统，本文釆用矢量控制将其化简为解耦的线性系统，也就是将转差频率矢量控制将定子电流的励磁分量和转矩分量转换为电压分量，通过坐标变换来控制逆变器的输出电压，带动牵引电机转动。

其中，已知定子电流的励磁分量i_sm可得转子磁链φ，将转子磁链心、定子电流的转矩分量代入得转差角频率；若转子磁链心保持不变，即改变定子电流的转矩分量，可调节牵引电机的输出转矩。如果保持牵引电机的磁通不变，则pφ=0、φ_r=L_mi_rm

经过两相旋转坐标-三相静止坐标的转换，定子电压的励磁分量、转矩分量转化为牵引逆变器的控制信号，控制牵引逆变器的输出电压，使得牵引电机转动，达到驱动机车前行的目的。

2.高速动车组牵引传动系统建模

机车牵引传动系统电路主要由滤波电路、逆变电路、牵引电机和控制系统组成。牵引传动系统电路图主要由滤波电路和逆变电路两大模块组成，滤波电路作用是滤除整流后的电压谐波。逆变电路将直流电转换为交流电带动牵引电机转动，基于转差频率矢量控制策略，建立了交流传动高速动车组列车仿真模型以模拟机车运行状况。

3.仿真结果与分析

就牵引电机的空载起动和施加负载两种情况进行仿真，牵引电机在启动时的给定转速为1 400 r/min,在启动0.45 s后，给牵引电机用阶跃信号施加65 N·m的负载，模拟高速动车组从空车实际启动到载客的这一过程，观察此控制方法下系统响应的速度快慢，从而验证此方法在理论上的稳定性与可靠性。

通过对相关的电气特征量（如牵引电机的定子磁链轨迹、逆变器输出线电压、牵引电机转速、定子电流以及转矩）进行分析。

逆变器输出线电压Um的波形，当牵引电机空载起动时，逆变器输出线电压逐步增大；在0.39 s时，逆变器输出电压立即降低；在0.45 s时，牵引电机加负载运行，逆变器输出电压迅速上升；在0.5 s后，系统基本保持不变。空载起动时，通过控制电压矢量的作用时间，使空间电压矢量趋于圆轨迹旋转，电机磁通也接近圆轨迹,故电机磁链轨迹，当牵引电机空载起动时，电动机以最大电流起动，在Q 39 s时，定子电流迅速降为空载电流；在0.45 s时，牵引电机加负载运行，定子电流迅速上升；在0. 5 s后，系统基本保持稳定。当牵引电机空载起动时，转速迅速达到1 400 r/min；在0.39 s时，转速在稍有超调后又稳定在1 400 r/min。由图10可知，当牵引电机空载起动时，转矩迅速变化；在0.39 s时，转矩下降；在0.45 s时，牵引电机加负载运行，转矩也随之增加；在0.5 s后，系统又恢复到保持不变。综上可得，当转速变化时，系统快速做出响应，负载变化时定子电流快速达到稳定，转速波动小，转矩动态响应快。当牵引电机刚启动时，定子磁场并无发生规则的变化，转矩大幅度变化。在0.2 s后，磁场呈规则的圆形，转矩也保持不变，幅值在电动机运行过程中基本保持恒定。经过仿真验证，实现了对牵引电机的快速调速，证明了转差频率矢量控制的灵敏性与准确性。

参考文献：

1. 葛兴来,张晓华.高速列车牵引传动系统协同仿真研究及软件设计[J].中国铁道科学,2017,38(04):92-100

2. 刘丽,尹进田,勒国庆,周沛峰.高速列车牵引传动控制系统仿真实现[J].电气传动自动化,2017,39(02):12-15+25

3. 杨超,彭涛,阳春华,陈志文,桂卫华.高速列车牵引传动系统故障测试与验证仿真平台研究[J].自动化学报,2019,45(12):2218-2232.

4. 尹进田,谢永芳,陈志文,彭涛,杨超.基于故障传播与因果关系的故障溯源方法及其在牵引传动控制系统中的应用[J].自动化学报,2020,46(01):47-57

5. 杨笑悦,阳春华,彭涛,史露,杨超.基于替代模型的单粒子瞬态效应注入[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2015,15(03):299-304

作者简介：

赵龙（1987.01-），男，吉林省长春市，中车长春轨道客车股份有限公司，高级技师，研究方向：高铁动车制造及检修。