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        CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真研究

        2012-07-05 02:58:22李瑞榮譚喜堂許春生
        城市軌道交通研究 2012年6期
        關(guān)鍵詞:變流器象限動(dòng)車組

        李瑞榮 譚喜堂 許春生

        (1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,510430,廣州;2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,200092,上?!蔚谝蛔髡?,副教授)

        高速動(dòng)車組具有行駛速度快、運(yùn)行過程平穩(wěn)、車內(nèi)環(huán)境優(yōu)雅、旅客乘坐感好等優(yōu)勢,得到了廣大旅客的喜愛,成為人們出行的首選。目前,我國高速動(dòng)車組技術(shù)正處于對國外技術(shù)的引進(jìn)和吸收消化階段。如何充分利用現(xiàn)有的有利資源與良好的外界條件來發(fā)展我國高速動(dòng)車組技術(shù),成為擺在我國機(jī)車研究者與“鐵路人”面前的一道難題,迫切需要在短期內(nèi)消化吸收國外的先進(jìn)技術(shù),以便為將來研制開發(fā)擁有100%自主知識產(chǎn)權(quán)的高速動(dòng)車組做好充分的準(zhǔn)備。CRH1型動(dòng)車組是中國高速動(dòng)車組的重要組成部分,對CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,有利于對CRH1動(dòng)車組先進(jìn)技術(shù)的消化吸收,為CRH1型動(dòng)車組的技術(shù)革新及進(jìn)一步開發(fā)新型高速動(dòng)車組提供理論參考。

        1 CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)概述

        CRH1型動(dòng)車組由8輛車構(gòu)成1個(gè)基本編組,并分成3個(gè)基本單元,如圖1所示。其包含4種類型的車輛:①車端帶司機(jī)室的動(dòng)車(Mc1,Mc2);②帶受電弓的中間拖車(Tp1,Tp2);③不帶受電弓的中間拖車(帶吧臺拖車,Tb);④中間動(dòng)車(M1,M2,M3)。

        CRH1型動(dòng)車組屬于交-直-交傳動(dòng)的電力牽引。其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程,如圖2所示。受電弓從接觸網(wǎng)接受25kV、50Hz的高壓交流電能,經(jīng)過安裝在車底架上的主變壓器降成900V、50Hz交流電;降壓后的交流電經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成DC 1 650V直流電能;該直流電再由變流器轉(zhuǎn)換成頻率可變、電壓可變的三相交流電送給牽引電動(dòng)機(jī);電能被轉(zhuǎn)換成牽引列車的機(jī)械能。

        2 牽引系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        2.1 網(wǎng)側(cè)變流器

        CRH1型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器采用的是兩重四象限變流器系統(tǒng)。它由2個(gè)四象限變流器并聯(lián)而成。動(dòng)車組由高壓交流接觸網(wǎng)供電。四象限變流器主要是將已經(jīng)降低幅值的交流電壓變換為直流電壓,供逆變器-異步電機(jī)牽引使用;在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí),能夠把電能反饋輸送到電網(wǎng)中去。在四象限變流器使用過程中,應(yīng)在直流側(cè)提供平直的直流電流和直流電壓,且使交流供電網(wǎng)保持很好的功率因數(shù)。四象限變流器在PWM(脈寬調(diào)制)信號控制下能夠很好地滿足這些要求,并且具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了使四象限變流器網(wǎng)側(cè)電流的等效干擾電流最小,一般采用多個(gè)四象限變流器并聯(lián)的方式向異步牽引電機(jī)系統(tǒng)供電。每個(gè)四象限變流器的控制調(diào)制信號的三角載波互相錯(cuò)開一定的角度,使四象限變流器的輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開,在牽引變壓器二次側(cè)電流總量中抵消部分諧波。四象限變流器系統(tǒng)主要由牽引變壓器二次側(cè)、四象限變流器、中間電路和PWM控制器等組成。

        圖1 CRH1型動(dòng)車組的列車基本編組

        圖2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程示意圖

        為了建立網(wǎng)側(cè)變流器仿真數(shù)學(xué)模型,可不考慮IGBT(絕緣柵門極晶閘管)和二極管的換流過程,把整流元件看成理想開關(guān),忽略其中的保護(hù)電路,分別用一個(gè)電感和一個(gè)電阻元件代替牽引變壓器的二次側(cè)漏感和電阻。簡化后的網(wǎng)側(cè)變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 兩重四象限變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        PWM信號控制下的整流元件具有不同導(dǎo)通狀態(tài),相應(yīng)的變流器系統(tǒng)具有不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此,應(yīng)根據(jù)PWM控制信號和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系,建立各主電路結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。兩重四象限變流器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:

        式中:iN1,iN2——變壓器二次側(cè)電流;

        ud——中間直流電壓;

        i2——濾波電流;

        u2——濾波電感電壓;

        uN——變壓器二次側(cè)電壓;

        iL——中間直流負(fù)載電流;

        α、β、ξ、η——數(shù)學(xué)模型內(nèi)部參數(shù)。

        參數(shù)α、β、ξ、η和PWM信號的對應(yīng)關(guān)系見表1。

        2.2 矢量控制

        CRH1動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)采用矢量控制的控制方式,決定牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的是加在其上的交流電壓的頻率和幅值??蓪⑿枰碾妷菏噶糠纸獬纱沛満娃D(zhuǎn)矩兩個(gè)分量,這兩個(gè)分量值作為磁場轉(zhuǎn)矩控制器的輸入量。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際磁場及轉(zhuǎn)矩分量通過測量值和電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型(或觀測器)實(shí)時(shí)計(jì)算出來作為磁場轉(zhuǎn)矩控制器的反饋量,經(jīng)過磁場轉(zhuǎn)矩控制器的運(yùn)算后輸出一個(gè)電壓矢量基準(zhǔn);用該基準(zhǔn)矢量對PWM進(jìn)行控制,生成變流器功率器件IGBT的觸發(fā)控制脈沖,從而實(shí)現(xiàn)完整的電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。矢量控制框圖如圖4所示。

        表1 數(shù)學(xué)模型內(nèi)部參數(shù)與PWM信號的對應(yīng)關(guān)系

        在同步旋轉(zhuǎn)的MT直角坐標(biāo)系中,將M軸方向固定在轉(zhuǎn)子磁場方向,因此矢量控制又稱為磁場定向控制。在沿轉(zhuǎn)子磁場定向的M、T同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,對于籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī),由于轉(zhuǎn)子短路,則電壓方程矩陣可簡化為:

        UsM——定子電壓在M軸上的分量;

        UsT——定子電壓在T軸上的分量;

        isM——定子電流在M軸上的分量;

        isT——定子電流在T軸上的分量;

        irM——轉(zhuǎn)子電流在M軸上的分量;

        irT——轉(zhuǎn)子電流在T軸上的分量;

        Rs——定子的電阻;

        Rr——轉(zhuǎn)子的電阻;

        簡單機(jī)械設(shè)備操作、調(diào)整技能;測繪制圖技能;液壓傳動(dòng)維護(hù)檢修技能;生產(chǎn)工藝設(shè)備操作;調(diào)整技能及產(chǎn)品質(zhì)量控制技巧等等能力。

        Ls——定子的電感;

        Lr——轉(zhuǎn)子的電感;

        Lm——定轉(zhuǎn)子繞組間的互感;ωs——同步旋轉(zhuǎn)角速度;

        ω——轉(zhuǎn)差角度頻率;

        定子在M軸和T軸上的電流如下:

        式中:

        Tr——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù),Tr=Lr/Rr;

        ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈;

        Te——電磁轉(zhuǎn)矩;

        np——極對數(shù)。

        轉(zhuǎn)差角度頻率如下:

        當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持不變時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩只由isT決定,此時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別由isM和isT獨(dú)立控制,磁鏈與轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了解耦。

        3 仿真與分析

        在充分了解了CRH1型動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)與再生制動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊在整個(gè)過程中的作用之后,建立CRH1型動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)仿真模型。

        3.1 仿真模型的搭建

        在仿真軟件 Matlab/Simulink環(huán)境下搭建CRH1動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型(見圖5)。參數(shù)設(shè)置依照CRH1型動(dòng)車組原型[1]以及真車試驗(yàn)參數(shù):交流電源為25kV、50Hz;變壓器原邊電壓為25kV,副邊電壓為900V;牽引電動(dòng)機(jī)的額定功率為265kW,額定電壓為1 287V,額定頻率為92Hz;定子電阻為0.098 4Ω,轉(zhuǎn)子電阻為0.096 4 Ω;定子漏感為0.001 73H,轉(zhuǎn)子漏感為0.001 71 H,互感為0.018 8H,極對數(shù)為2。

        圖5中的網(wǎng)側(cè)變流器模塊(Grid-side converter)的仿真模型如圖6所示。

        圖5 CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型

        3.2 仿真結(jié)果與分析

        對CRH1型動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真,當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從0變化至5 500r/min時(shí),結(jié)果如下。

        圖7為CRH1型動(dòng)車組仿真牽引過程中的網(wǎng)側(cè)變流器輸出的直流電壓ud,在時(shí)間t=0~0.2s時(shí),電壓抖動(dòng)比較大,隨著時(shí)間的推移,電壓始終維持在1 650V,基本符合真車試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        圖8為CRH1型動(dòng)車組仿真牽引過程中,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。圖8中,當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min以下時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本維持恒定,為恒力區(qū);當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200~5 500r/min之間時(shí),牽引力受電機(jī)功率的限制,隨著速度的升高而減小,維持在恒功區(qū)。圖8的仿真曲線基本與圖9的真車試驗(yàn)曲線相符。

        圖6 CRH1型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型

        圖7 網(wǎng)側(cè)變流器輸出的直流電壓(仿真)

        圖8 牽引過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(仿真)

        圖9 牽引過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(試驗(yàn))

        圖10 再生制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(仿真)

        圖10為CRH1型動(dòng)車組仿真再生制動(dòng)過程中,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在圖10中,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在300r/min以下時(shí),由于轉(zhuǎn)速太小,再生制動(dòng)力基本為0;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在300~1 200r/min時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本維持恒定,為恒力區(qū);當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200~5 500r/min時(shí),制動(dòng)力受電機(jī)功率的限制,隨著速度的升高而減小,維持在恒功區(qū)。圖10的仿真曲線基本與圖11的真車試驗(yàn)曲線相符。

        圖11 再生制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(試驗(yàn))

        4 結(jié)語

        本文基于仿真軟件 Matlab/Simulink平臺,建立了CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果基本符合CRH1型動(dòng)車組的真車實(shí)驗(yàn)情況。對CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,有助于對CRH1型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,并為其它新型動(dòng)車組及高速列車牽引系統(tǒng)的開發(fā)研究提供理論參考。

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