地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升控制

楊林

摘 要：隨著城市化進(jìn)程在我國(guó)的不斷推進(jìn)，城市土地資源愈加緊張起來，有限的城市空間使得地面交通壓力變大，各主要城市紛紛在地下修建地鐵軌道，通過運(yùn)行地鐵軌道交通列車來緩解地面交通壓力。而地鐵列車需要使用地鐵牽引系統(tǒng)來支持其正常運(yùn)行，因此確保地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定是非常有必要的。本文試對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升控制措施進(jìn)行探索和研究。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引系統(tǒng)；穩(wěn)定性；性能提升；控制措施

地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性依托于系統(tǒng)參數(shù)的正確匹配，若是參數(shù)配置錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致牽引系統(tǒng)出現(xiàn)交流、直流電壓電流振蕩，若是振蕩較為劇烈、達(dá)到一定程度，便會(huì)啟動(dòng)逆變器的保護(hù)裝置，使?fàn)恳到y(tǒng)的供電被強(qiáng)行終止，牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性因此而大打折扣。數(shù)十年來，我國(guó)及國(guó)外學(xué)者都試圖提出各種方案來解決牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，目前，已經(jīng)取得了可喜的成就。

1 牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)及其存在的振蕩問題

地鐵所使用的牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)由LC濾波器、感應(yīng)電機(jī)、控制系統(tǒng)以及牽引變流器四大部分組成，其中控制系統(tǒng)通過接收地鐵司機(jī)的手柄傳輸轉(zhuǎn)矩指令，結(jié)合感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生的電流與轉(zhuǎn)子角速度等參考信息，控制系統(tǒng)可以開啟或關(guān)閉牽引逆變器，使其橋臂可以精準(zhǔn)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

由于牽引系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有極為復(fù)雜的工作狀況，很難通過直觀描述來體現(xiàn)出來，因此可以基于小信號(hào)分析法簡(jiǎn)化牽引系統(tǒng)為一種等效電路模型，見圖1，其中所涉及的參數(shù)包括：①R：直流側(cè)線路與電抗（L）的總和；②U：直流網(wǎng)側(cè)電壓；③is：網(wǎng)側(cè)電流，若逆變器的輸出功率P始終保持不變，則等效電流源id等于P/Ud，在本研究中額定電壓Ud設(shè)定為1500V則計(jì)算得出網(wǎng)側(cè)電流is為280A，基于這樣的參數(shù)設(shè)定，可計(jì)算出逆變器與感應(yīng)電機(jī)二者阻抗之和為Zd=Ud·Ud/P，負(fù)阻抗為其主要特性表現(xiàn)。④Δ：小信號(hào)，為變量。這一模型的線性狀態(tài)空間可以使用如下方程表達(dá)式來描述，即：

（1）；而小信號(hào)的表達(dá)

式為：（2）。若要確保牽引系統(tǒng)穩(wěn)定，則必

須要滿足首要條件，即：P/（Ud·Ud）2 提升控制措施

2.1 抑制直流側(cè)振蕩

分析牽引系統(tǒng)的振蕩問題可以發(fā)現(xiàn)，若是能在轉(zhuǎn)矩控制上實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的控制，則可以有效抑制振蕩的發(fā)生，在抑制過程中，牽引逆變器所具有的特性由正阻抗形式體現(xiàn)出來，恰好可以彌補(bǔ)因負(fù)阻抗而帶來的阻尼減小問題，LC濾波器所發(fā)生的振蕩也會(huì)得到有效抑制，牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性也將得到良好的控制?；谶@樣的基礎(chǔ)思想，設(shè)計(jì)者與維護(hù)者可以通過低通濾波器來獲取電容電壓直流分量，隨后在結(jié)合高通濾波器，通過與低通濾波器的串聯(lián)來獲取電容電壓振蕩分量，在濾波器和高通濾波器的串聯(lián)下，高頻分量可以被過濾、除去，電壓信號(hào)諧振動(dòng)頻率也會(huì)得到相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。在分析振蕩抑制時(shí)，考慮到濾波器振蕩所具有的小周期性，可建設(shè)電機(jī)速度始終保持不變，結(jié)合牽引系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)矩，可以得出如下結(jié)論：在對(duì)直流側(cè)振蕩進(jìn)行控制時(shí)可以借助牽引逆變器所具有的正阻抗特性來實(shí)現(xiàn)有效的震蕩抑制。在上文所提及的模型中，設(shè)計(jì)者與維護(hù)者可添加振蕩抑制環(huán)節(jié)，在添加后需驗(yàn)證其穩(wěn)定性控制效果，以下狀態(tài)空間表達(dá)式即為所獲得的新小信號(hào)：

（3）。

而通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在增加了振蕩抑制環(huán)節(jié)之后，牽引系統(tǒng)的直流側(cè)濾波器并沒有再出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)始終平穩(wěn)運(yùn)行，因此證明此方法確實(shí)可以有效提升牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 時(shí)延補(bǔ)償

若要實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩抑制的準(zhǔn)確分析，則要滿足“轉(zhuǎn)矩指令精確”這一前提保障條件。然而在現(xiàn)實(shí)操作中，受到濾波延遲、控制器處理時(shí)間等因素的影響，整個(gè)牽引系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一定程度的延遲。若是傳統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的功率，開關(guān)的功率同樣比較高，那么牽引系統(tǒng)將會(huì)帶來明顯的相位滯后表現(xiàn)，這種表現(xiàn)所帶來的影響也是非常大的，牽引系統(tǒng)很可能在動(dòng)態(tài)性能上出現(xiàn)明顯的變化，最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)器中止運(yùn)行，而調(diào)節(jié)器停止工作會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速搖擺，引起電流振蕩。對(duì)于這種情況，可以采取間接的方式進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，因此來避免電流振蕩的發(fā)生。

在牽引系統(tǒng)中增加時(shí)延補(bǔ)償環(huán)節(jié)同樣需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。假設(shè)某地鐵牽引系統(tǒng)的直流側(cè)電壓為1.5kV，輸入電流設(shè)為500A，輸出頻率不高于112Hz，在地鐵列車不斷加速運(yùn)行的狀態(tài)下為其給予時(shí)延補(bǔ)償，可以發(fā)現(xiàn)地鐵達(dá)到25km/h這一車速時(shí)列車尚處于惰性工況，待車速提至50km/h，則牽引系統(tǒng)的振蕩問題得到了有效抑制，可見上文所提即的時(shí)延補(bǔ)償方案與振蕩抑制方案均具有鮮明的可行性與有效性。

3 結(jié)語

地鐵牽引系統(tǒng)由逆變器、電機(jī)等部分組成，針對(duì)其發(fā)生的振蕩問題，可以通過采取“振蕩抑制”與“時(shí)延補(bǔ)償”等方案進(jìn)行解決，而本文證實(shí)了這些方案的可行性，地鐵牽引系統(tǒng)可借由這些措施來提升控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]張全.試論地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制[J].中國(guó)設(shè)備工程，2016，（14）：41-42.

（作者單位：重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司）