交流传动机车的控制系统

第三节交流传动机车的控制系统

对于铁路牵引，要求传动系统按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率）运行，同时又要不断地进行加速或减速。为了保证机车牵引系统有较高的静态控制精度和动态稳定性，机车上通常采用闭环控制系统

在任何一个传动系统中，速度和转矩值通常被认为是两个重要的被调量。控制转矩，有两种方法：一种是由相关联的其它物理量作为给定信号，并检测这些量的实际值作为反馈信号（如电压、定子电流和转差频率），来有效地控制电机的转矩；另一种是利用检测的或计算的转矩作为反馈信号，与给定的转矩作比较，产生转矩调节器的输入信号，来直接控制传动系统的转矩。前者已广泛的应用在各种交流传动机车和动车组上；后者也称为直接力矩控制，它是迄今为止最佳的控制方法，已经在机车上采用。

交直交变频调速系统经过近十多年来的发展，出现了许多形式，例如，电压、频率协调控制的变频调速系统，转差频率控制的变频调速系统，谐振型变频调速系统，矢量控制的变频调速系统和直接转矩控制的变频调速系统等。

一、转差频率控制的交流传动系统

目前，在铁路牵引的交流传动系统中，大都采用脉宽调制（PwM）逆变器，这种逆变器的特点在于：当控制系统给定电压***和频率***时，PWM信号生成单元控制逆变器的输出总能保证电动机气隙磁通******接近恒值，这就满足了关于恒磁通控制的要求。

根据****，转矩T 只取决**的值，如果系统能合适的控制**以及**随**的变化规律，就能使电动机按照要求的运行方式控制力矩。

如图***所示的系统控制结构，是已经在一些机车和动车组上采用的实例。从基本特征来看，它是一种由电压型逆变器供电并具有电流反馈的转差闭环的双闭环控制系统。从司机室送出的给定转矩**信号，一路通过**函数发生器产生给定的转差频率**，它与反馈的转速信号**相加得********（牵引）或想减得******（再生制动），确定了逆变器输出电压频率。考虑到恒转矩对磁通****的要求，系统中设置了一个电压函数发生器，其函数关系为，***是考虑零速度附近对定子绕组压降的补偿。给定转矩信号**的另一路经过电流函数发生器转换成电流给定信号***，与实际测得的电流比较后，经电流调节器得偏信号***，和***合成后得电压控制信号**。

取*****，其中**反映电流反馈控制的影响。当实际电流给定电流，使**增加；反之，**减小。在**的组成中，**所占的比重大，可以保证电压和频率按线性关系调节。

转差频率控制除应用于电压源逆变器传动系统外，还较多地用于电流源逆变器传动系统。电流源转差频率控制的运行方式与电压源相同，即：从零速度到额定速度为恒转矩运行区；在额定速度以上，电机端电压保持恒定，进入恒功运行区，当电动机以恒转矩运行时，其先决条件是磁通恒定，或者说需要激磁电流Im恒定。但Im不是一个独立变量，它与定子电流11与转差频率**之间存在一定函数关系。

图***所示是采用转差闭环控制的电流控制的电流源异步电机传动系统。在该系统中，由于电流反馈取自中间直流回路，又因为***与***成正比，所以**和***之间存在与***和***之间类似的函数关系。

在系统结构图中，转速偏差信号经速度调节器和绝对值电路处理，产生电流给定信号。电流反馈信号，一路追踪，并经电流调节器后去控制系统电流；另一路由人函数发生器得出转差频率绝对值，由***加转速反馈信号，得频率控制信号****。另外，当转速偏差信号为正时，转差频率有正符号，系统处于牵引状态；反之，转差频率为负符号，系统处于制动状态

二、矢量控制的交流传动系统

以交流电动机作为系统的传动单元，关键是电磁力矩的产生与控制，前述的转差频率控制系统，就是根据电压（或电流）和转差来控制电磁力矩的。但转差频率控制的变频系统，其控制方式是建立在异步电动机稳态数学模型的基础上的，其动态性能不够理想。随着现代控制理论及控制技术的发展，一种模仿直流电机控制的矢量控制系统取得了重大的进展，并已在许多变频调速系统、铁路干线机车（如西班牙的5252机车）和高速动车（如德国的IcE动车）上得到应用。

在图4一18所示的控制系统中，通过转速传感器将电动机的实际转速信号田检测出来与给定转速信号矿进行比较，转速偏差信号△山经速度调节器sR 产生力矩给定值T'，而转速信号山送到磁通函数发生器必F，该发生器在基速以下提供恒定的转子磁化电流给定值（恒力矩运行区），在超过基速后实现磁场削弱（恒功率运行区）。

由给定力矩T’和给定转子磁链扩通过磁链观察器平M计算出给定电流弓，、瓜1和给定转差角频率矿，与实测得的转速信号山相加得定子角频率信号山：，经积分得到同步旋转坐标系和静坐标系（轴系）之间的角位移尹，利用向量分析器VA可得sin尹和cos尹。

把****和*****送入向量旋转器VR后，可得******，再经“2/3”坐标变换，得*****，与通过电流互感器检测的三相定子电流******进行比较，偏差信号***作为PWM逆变器的三相控制信号。

三、直接力矩控制系统

直接力矩控制是在矢量控制和电流跟踪控制的基础上发展起来的，它解决了矢量控制系统中需要复杂的坐标变换和控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制是目前最先进的高性能交流控制策略之一。

该方法是直接在电机定子侧计算磁链树和力矩T，借助两点式调节器（BarD一BanD控制）产生PWM信号，直接控制逆变器的开关状态，把磁链和力矩控制在某一给定的容差内。该控制系统线路简单，有最佳的开关频率和最小的开关损耗，并能获得良好的动态调速性能，所以电力机车常采用这种系统。

1．直接转矩控制的原理

异步电动机的直接转矩控制理论是建立在异步电动机的动态方程上的。当忽略空转阻力矩时，异步电动机的运动方程可表示为

式，T为电磁转矩，***为负载转矩，J为电动机转动惯量，**为转子机械角速度（******，D为转子直径，n为转子转速）。

根据上式，调节转速可以通过调节电磁转矩来实现。而*****（**为定子磁链，它是磁通***与定子匝数***的乘积，即****；**为定子电流；K为常数），故在定子磁链不变的情况下，调节电磁转矩可以通过调节定子电流来实现。

根据电动机电压方程

式中，**为定子电压，***定子电阻。在定子磁链不变的情况下，*****，所以，调节定子电流可以通过调节定子电压来实现。

综上所述，在保持定子磁链不变的情况下，通过调节定子电压即可调节电磁转矩，从而达到调速的目的。

2．直接转矩控制交直交变频调速系统的原理

图4一19所示为直接转矩控制交直交变频调速系统的原理框图。该系统主要由主电路和控制系统两部分组成。主电路的工作原理是：电网单相交流电经主断路器送入变压器主绕组，经降压从二次侧输出单相频率不变的交流电，经整流器整流成直流电，再由逆变器转变为频率可调的三相交流电，输送给三相异步牵引电动机。控制系统的工作原理是：三相异步牵引电动机经3/2变换，转变为二相交流电机，由电流互感器检测出两相电流***，和****，由电压互敢器检测出两相电压***和***，一起送入定子磁链模型，输出磁链**和***，再合成为定子磁链料，与给定定子磁链试进行比较，输出差值信号****，经磁链滞环调节后送入开关状态选择****和*****；经转矩模型输出转矩T，给定转速成与经过转速传感器TG检测出来的转子实际转速山进行比较，输出的转速差值信号△。经转速调节器转变为转矩给定信号T',T’与T进行比较，输出转矩差值信号△T，经转矩滞环调节后送入开关状态选择，最后由开关状态选择去控制逆变器中功率开关的导通状态，通过调节电压矢量的大小达到调节牵引电动机转速的目的。

图4一19直接转矩控制交直交变频调速系统的原理框图

直接转矩控制的核心思想是通过不同时刻给出不同的电压矢量，以控制定子按一定幅值的正六边形磁链轨迹运行并控制其旋转速度（请读者参阅有关资料），在机车控制级的控制下，即可按直接转矩控制的思想控制牵引电动机的输出力矩，使机车获得预期的牵引特性。

目前，直接转矩控制已经成功地应用于奥地利的1822型和瑞士的460型电力机车。国产****型交流传动内燃机车也采用了直接转矩控制方式。

四、交流传动电力机车的控制系统

Ac4o00交流传动电力机车有两套独立的电子控制装置，具有机车级控制、四象限变流器控制、异步牵引电机环控制、速度闭环和逆变器控制、系统保护等功能，图4一20机车控制原理图

1．机车级控制

机车级控制包括电平转换、解锁逻辑、特性控制及防空转控制。考虑到机车控制系统系统化、系列化的要求，机车级控制采用了MICAS微机控制系统，系统结构如图4一21所示。其软件功能包括机车特性控制、防空转控制、电机损耗估算和逻辑解锁。特性控制单元接收到司机操作台送出的手柄信号后，按机车特性的要求以及机车运行状态进行调节，生成力矩给定值姨。司机操作台送出的开关命令信号经电平转换分别送入解锁逻辑、特性控制、速度闭环控制以及脉宽调制等功能单元，命令各功能单元按指令工作。解锁裸机负责机车有触点控制与电子控制装置的逻辑接口，依据机车状态及指令控制主断路器、充电接触器、交流器等的投入和切除。

2．四象限变流器控制系统

机车牵引时，四象限变流器把50Hz电网电压变换成直流电压供给牵引逆变器；制动时，把中间直流电压逆变成50Hz交流电压反馈给电网。控制系统的任务是使中间直流回路电压恒定为2800v，并使输入电流与网压同相（牵引时）或反相（再生制动时）。控制原理框图见图4一220

图4一22四象限变流器的控制原理框图

为了减少电网电流的谐波分量，机车上的4台四象限变流器相位依次相互错开90”。再生制动时，上述作用方式没有什么变化，只是因为能量必须反馈到电网，所以电压调节器的输出最终是负值。

3．牵引电动机闭环控制系统

20世纪80年代末，国外已先后开发出矢量控制和直接力矩控制两种高动态控制系统，并成功地应用于交流电传动机车异步牵引电动机的调速控制。但高动态控制系统需要有高响应速度的变流装置及高速信号处理器。限于相关元器件的国产化水平并借鉴某些成熟的控制技术，我国生产的第一台AC4000型交流电力机车采用转差一电流控制的闭环系统，如图4一23所示。

图4一23牵引电动机闭环控制系统

①③⑥一乘法器；④一功率调节器；②⑦O一加法器；⑧一转差函数发生器；

⑧一电流函数发生器；⑧一空载电压生成环节；⑩一电流调节器；

⑩一电流信号处理环节

从该控制结构的基本特征来看，这是一种采用速度外环和电流内环的双闭环控制系统。为了补偿系统运行时电机的损耗，系统设置了一个功率闭环。

从系统的控制功能和信号妙理过程来看，该系统实际上包含两个部分：系统控制功能的实现；电机速度信号的检测与处理。其工作原理简要说明如下：

(l）系统控制功能的实现。如图4一23所示，由特性控制单元（来自司机控制台）的给定力矩信号峡与电机速度反馈信号尤相乘，得出电动机的给定输出功率，加上逆变器和电机损耗设定值护后，得到送入电机的功率给定值**，所得结果与中间回路实际反馈功率几比较，送到功率调节器PI，调节器的输出和力矩给定值姨相乘，对力矩给定值进行修正，得到电机力矩的给定值M’。系统中的单元⑥为转差函数发生器，根据力矩信号和转速信号生成转差频率信号fz',fz’和转速反馈信号石叠加后，得到逆变器输出电压的频率信号**；单元⑧为电流函数发生器，根据力矩信号和转速信号生成电流给定值信号万，将实际值**和***一起送入电流调节器单元⑩，其输出△矶可作为电机电压动态调节信号。根据控制方式的要求，系统设置了电压／频率比函数发生器⑨，由频率信号厂可得到电压调节量信号Ul。，然后△**和Ul。通过加权相加得到电机电压控制信号ul’。最后将厂和可送入逆变器的控制单元，实现了转差一电流闭环控制的运行功能。

(2）速度信号的检测与处理。在转差闭环控制系统中，电机速度信号是一个关键的量，要求采用高精度和高分辨率的检测装置。目前普遍采用的是速度脉冲传感器。在AC4000型交流机车上，每台异步牵引电动机的非传动轴端安装一台速度脉冲传感器，每台传感器由2个相位差90”的探头来接收电压脉冲信号，探头的相位比较是用来判断电机的旋转方向的。图4一24所示是对应于机车一个转向架的速度信号检测与处理装置的原理框图。信号经脉冲整形环节得到两台电机转子频率（转速）值人，和八：。正常运行时，两路速度信号经取最大（制动工况）和最小（牵引工况）环节得到速度反馈信号人，取最大和最小运算处理是为了抑制轴向架发生单轴滑行和空转。

这里需要强调的是，当交流机车采用转差频率控制时，速度的检侧以及速度传感器的作用是非常重要的，一旦发生错误或故障，如不及时采取措施，将会导致逆变器一电机回路因过流或过压而颠班，因此在系统中设置了故障判定环节，对人、和人2两路信号进行故障判定，如发现某一路有故障，则迅速用另一路速度信号取代；另外，在速度处理单元中设置了·频率增长限定”环节，该环节受到来自空转（或滑行）信号的控制，正常情况下，**＝***，当空转（滑行）电路检侧到轮对空转（滑行）已经发生或即将发生时，经该环节的处理，使**不随**的变化，这样控制频率********也保持不变，电动机任然在其自然特性的稳定区段上运行。