軌道交通車輛交流牽引傳動互饋試驗平臺的研究與設計

莫堅

摘 要：本文提出了一種適應軌道交通車輛交流牽引傳動的互饋試驗平臺設計方案，分析了它的組成、功能和工作原理，研究了互饋試驗臺的雙逆變器-電機聯合控制特性。試驗結果證明，試驗臺可滿足軌道交通車輛交流傳動系統及其主要部件的型式試驗、例行試驗以及研究性試驗的要求，具有適用面寬，節能等優點。

關鍵詞：交流牽引傳動；互饋試驗臺；雙逆變器；DCT控制

中圖分類號： TM921.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）10-195-2

0 引言

本文研究的牽引傳動試驗平臺由交流牽引傳動變流系統、計算機控制系統、計算機測試系統組成。采用“雙逆變器—電機”的能量互饋技術，由兩套變流器-電機聯軸背靠背組成，兩臺電機的能量互饋。用以模擬軌道交通車輛牽引傳動系統的牽引、制動等各種工作狀況，完成對其系統部件如變流器、牽引電機、脈沖整流器的各種試驗，以及列車牽引特性試驗。

1 交流牽引傳動試驗臺設計

1.1 交流牽引傳動變流系統

牽引傳動系統采用“雙逆變器—電機”的能量互饋技術，其主電路如圖1所示。由低壓開關柜、四象限整流器、牽引變流器、負載變流器、輔助變流器、牽引電機、UPS電源等構成。

兩組“逆變器—電機”機組互為牽引和負載。當牽引機組處于牽引工況運行時，負載機組為制動工況；同樣，當牽引機組為制動工況時，負載機組工作在牽引工況，給牽引變流器提供恒定的制動負載，解決系統負載問題及能量利用率問題。接受并執行試驗操作臺模擬的地鐵列車司機操縱指令；進行牽引電機轉矩控制，混合電制動控制，防沖擊控制，空轉/滑行控制，空重車控制，牽引/制動切換控制等反轉保護，進行系統控制邏輯檢測和故障診斷、顯示、記錄。

牽引變流器采用大功率IGBT構成的電壓型調壓調頻（VVVF）變流器，變流器采用PWM控制技術，由牽引控制單元控制IGBT的開通與關斷。當地鐵列車在牽引工況時，三相逆變器將直流電變為電壓和頻率可調的三相交流電，控制4臺并聯牽引電機的轉矩和轉速；當地鐵列車再生制動時，將牽引電機輸出的三相交流電整流成直流電反饋回電網。當電網吸收能力不足或不能吸收時，斬波相則提供再生制動能量釋放的通道。

1.2 計算機控制系統

試驗臺配備計算機控制系統，通過軟件實現對地鐵列車的牽引制動的控制，由主變流器DSP牽引控制單元、工控機、控制臺電控部分構成。工控機與DSP牽引控制單元通過CAN總線連接。通過工控機對變頻電源的控制，實現在允許速度、功率范圍內，依據給定速度指令恒速運行；在允許轉矩、功率范圍內，依據給定轉矩指令恒轉矩運行。

主變流器DSP牽引控制單元完成對變頻器的核心控制算法（DTC直接轉矩控制）、上位機進行通訊獲取控制指令，反饋變頻器的工作狀態，并通過開關量輸入輸出接口測取轉速和控制臺主令電器的控制指令，輸出對主開關的控制信號。

工控機運行牽引傳動試驗系統各單元的控制程序，直接實現被試件的運行控制，同時實現試驗系統的自檢、系統初始化、通信管理等，顯示各變頻電源、電機、電源等主要設備的工作情況和運行參數，進行故障信息顯示和記錄，顯示主要參數波形圖、數據表。

電控部分通過操作臺上的司機控制器、按鈕、旋鈕、儀表及指示燈進行控制調節和顯示，實現電機的啟動、運行和停機以達到城軌列車各種運行試驗工況。

1.3 計算機測試系統

測試系統是一個網絡通信系統，由測試主計算機、功率分析儀、測量轉換電路、轉矩轉速傳感器、電壓測量模塊、電流傳感器等組成。隨時監控著控制臺的網絡信號反饋。與控制計算機配合運行，可替代司機控制臺對列車的控制。

2 交流牽引傳動試驗臺工作原理

牽引變流系統通過一組四象限脈沖整流器為模擬列車牽引部提供直流動力電源，列車母線電源為DC 510V，母線電源分別為列車牽引變流器、模擬負載變流器及列車輔助變流器提供動力電源。負載變流器為與牽引變流器同等功率的電源，與牽引變流器可互為牽引和負載，且可以四象限運行。牽引變流器控制牽引電機處于牽引工況運行時，負載變流器控制負載電機為制動工況，給牽引變流器及電機提供負載，給定的負載既可以是恒定的，也可以隨牽引力的變化而變化。同樣，當牽引變流器控制牽引電機工作在制動工況時，負載變流器此時工作在牽引工況，給牽引變流器提供恒定的制動負載。無論整個牽引變流系統處于牽引工況還是處于制動工況，總有一組變流器是工作在發電工況的，且發出的電

能可以通過變流器的四象限控制，回饋到直流母線上?；仞伒街绷髂妇€上的直流電源也將再供給用電工況的變流器使用，如列車輔助變流器在供電直流母線側取動力電源，來模擬通風，空調等設備的實際電源，構成了電源的系統內部循環。

3 交流牽引傳動系統控制特性研究

牽引變流器控制采用DCT直接轉矩控制技術，將上位機給定值和控制指令轉換成變流器用的控制信號，對整流器、變流器、牽引電機進行控制。DSP牽引控制單元每25μs將測量的電機電流值和直流回路電壓值輸入到一個自適應的電機模型，并精確地計算出電機的轉矩和磁通。磁通和轉矩比較器把實際值與磁通和轉矩控制器計算的給定值進行比較。根據轉矩誤差，磁鏈誤差及磁鏈的相位，采用優化策略，選擇合適的電壓矢量及電壓矢量作用的時間，在較低的開關頻率下，達到最小的轉矩脈動和轉矩的快速響應的性能，從而最好地滿足牽引特性要求，實現對陪試電機的精確控制。

試驗證明，控制系統具有精確的速度控制特性，速度控制器基于PID算法，靜態速度誤差為電機額定轉速±0.1%（不帶脈沖編碼器），動態速度誤差的典型值在100%；負載轉矩階躍下，為±0.2%… 0.5 %sec；動態速度誤差取決于速度控制器的調節。

相較于電流矢量控制，DCT直接轉矩控制能使逆變器的開關直接由電機的核心變量磁通和轉矩控制，不需要軸的速度和位置反饋，每個逆變器的開關過程單獨確定，在70%轉速時，轉矩階躍時間少于3ms，不需要速度和位置編碼器即可滿足性能要求。

4 結語

本文對交流傳動互饋試驗平臺的功能、原理、結構、控制特性進行了研究，系統采用雙DSP技術的全數字化控制硬件系統，可快速高效地實現復雜的控制策略，采用先進直接轉矩控制（DTC），其控制結構簡單，控制手段直接，可實現對負載電機靜動態性能的高效和高精度控制，使得電機的驅動及調速控制更加靈活、簡易，控制精度更高。同時能夠利用小功率等級的電源進行大功率等級的系統試驗研究，具有較好的節能效果。

參 考 文 獻

[1] 霍連文，郭建斌.采用雙變流器——電機能量互饋的交流傳動試驗系統[J].機車電傳動，2004（04）.

[2] 許迎杰，張全柱，鄧永紅.交流牽引傳動能量互饋試驗臺的研究[J].內燃機車，2008（06）.