丁菊霞，蔣 奎

（1 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川峨眉614202；2 南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016）

CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)矢量控制策略研究與仿真*

丁菊霞1，蔣 奎2

（1 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川峨眉614202；2 南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016）

為了研究矢量控制技術(shù)在高速動(dòng)車(chē)組中的應(yīng)用，以CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)為研究對(duì)象，分析其牽引、制動(dòng)特性，闡述了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理，建立了CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制系統(tǒng)。并利用MATLAB建立了CRH3牽引電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)牽引、制動(dòng)工況進(jìn)行了仿真分析。仿真的結(jié)果表明，搭建的模型正確，CRH3型動(dòng)車(chē)組靜、動(dòng)態(tài)性能均較好，從而驗(yàn)證了CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)采用矢量控制策略的正確性與有效性。

CRH3型動(dòng)車(chē)組；矢量控制；MATLAB仿真

CRH3型動(dòng)車(chē)組是由我國(guó)唐山軌道客車(chē)有限公司和西門(mén)子公司合作生產(chǎn)的高速動(dòng)車(chē)組，已廣泛應(yīng)用在我國(guó)軌道交通領(lǐng)域。目前，高速動(dòng)車(chē)組均采用交－直－交傳動(dòng)系統(tǒng)［1-2］，而牽引電機(jī)是其關(guān)鍵部分之一，因此，對(duì)動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)控制策略的研究就顯得尤為重要。自1971年德國(guó)F.Blaschke率先提出矢量控制理論［3］以來(lái)，矢量控制已廣泛地應(yīng)用于交流電力機(jī)車(chē)和電動(dòng)車(chē)組中［4］，但是，對(duì)矢量控制在CRH3型動(dòng)車(chē)組中的應(yīng)用還研究很少。

針對(duì)CRH3型高速動(dòng)車(chē)組，分析其牽引、制動(dòng)特性，建立了CRH3牽引電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB軟件模擬了CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引、制動(dòng)運(yùn)行狀況，驗(yàn)證了牽引電機(jī)矢量控制策略的正確性和有效性。

1 CRH3動(dòng)車(chē)組特性分析

（1）CRH3動(dòng)車(chē)組牽引特性曲線

CRH3為300 km/h等級(jí)的EMU，采用準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩恒功率牽引特性［5］，恒功率起始點(diǎn)速度為119 km/h，額定功率8 800 k W。CRH3動(dòng)車(chē)組牽引特性曲線及轉(zhuǎn)子磁鏈曲線分別如圖1、圖2所示［5-6］。

圖1 CRH3動(dòng)車(chē)組牽引特性曲線

圖2 CRH3動(dòng)車(chē)組牽引工況下轉(zhuǎn)子磁鏈

從圖1、圖2中可以看出，CRH3動(dòng)車(chē)組在牽引工況下可分為3個(gè)特性區(qū)，即在0＜v＜119 km/h時(shí)，動(dòng)車(chē)組采用準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩、恒磁通控制；在119 km/h＜v＜175 km/h時(shí)，動(dòng)車(chē)組采用恒磁通、恒功率控制；當(dāng)v＞175 km/h時(shí)，電壓達(dá)到額定電壓，采用弱磁恒功率控制。

（2）CRH3動(dòng)車(chē)組制動(dòng)特性曲線

CRH3動(dòng)車(chē)組制動(dòng)特性及制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)子磁鏈分別如圖3、圖4所示。

圖3 CRH3動(dòng)車(chē)組制動(dòng)特性曲線

圖4 CRH3動(dòng)車(chē)組制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)子磁鏈

2 牽引電機(jī)矢量控制

（1）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制方程式為

式中Lr、Lm為轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子間互感；Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，且Tr＝Lr/Rr；p為微分算子；np為極對(duì)數(shù)；、ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈給定值、實(shí)際值；、Te為電磁轉(zhuǎn)矩給定值、實(shí)際值；、ist為定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值、實(shí)際值；、ism為定子電流勵(lì)磁分量給定值、實(shí)際值；ω1、ωs、ωr為定子角頻率、轉(zhuǎn)差角頻率給定值、轉(zhuǎn)子角速度。

從式（1）可知，當(dāng)給定電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，可計(jì)算出給定定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，同時(shí)計(jì)算出給定轉(zhuǎn)差角頻率，再由轉(zhuǎn)子實(shí)際角速度得到定子角頻率及轉(zhuǎn)子位置角度；通過(guò)坐標(biāo)變換將給定定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變換到三相靜止坐標(biāo)系上，即可驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。

（2）CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)控制系統(tǒng)

CRH3動(dòng)車(chē)組采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制，即轉(zhuǎn)差頻率矢量控制或磁場(chǎng)前饋控制［1-2，9］，控制框圖如圖5所示［7-8］。

該控制方案使用電壓源型SVPWM逆變器，運(yùn)行時(shí)首先測(cè)量定子的三相電流ia、ib、ic，分別經(jīng)過(guò)Clarke變換和Park變換得到d－q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的ism、ist，而ism、ist就是作為系統(tǒng)反饋量的直流量；同時(shí)采用轉(zhuǎn)差頻率法計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置角θ，即圖5中的角度計(jì)算模塊，得到的θ供Park變換及其反變換使用。通過(guò)給定動(dòng)車(chē)組速度與實(shí)際速度作差得到速度誤差，經(jīng)恒速控制器后得到給定電磁轉(zhuǎn)矩，由式（5）計(jì)算可得給定轉(zhuǎn)矩電流，該電流與經(jīng)過(guò)3s/2r變換得到的實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流ist比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到給定轉(zhuǎn)矩電壓；與此同時(shí)，實(shí)測(cè)速度經(jīng)恒速控制器中的轉(zhuǎn)子磁鏈給定函數(shù)發(fā)生器得到磁鏈給定，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到給定勵(lì)磁電流分量與反饋電流ism比較后通過(guò)PI調(diào)節(jié)器即得到給定勵(lì)磁電壓。此時(shí)，、都是直流量，故經(jīng)過(guò)反Park變換得到、，輸入逆變器進(jìn)行SVPWM調(diào)制，便可形成逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。

圖5 間接磁場(chǎng)定向矢量控制框圖

3 CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)控制仿真分析

3.1 仿真模型及參數(shù)

按圖5搭建CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)控制模型如圖6所示。其中，速度控制器采用雙滯環(huán)恒速控制策略［9-10］。

圖6 CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)矢量控制仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

（1）牽引工況分析

在t＝0～1 s時(shí)，給定速度v*＝300 km/h，模擬動(dòng)車(chē)組牽引工況運(yùn)行，仿真波形如圖7～圖11所示。

圖7 動(dòng)車(chē)組速度曲線

圖8 牽引電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩

圖9 實(shí)際牽引特性曲線

圖10 定子A相電流

圖11 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

從仿真結(jié)果可以看出，動(dòng)車(chē)組速度響應(yīng)迅速，約0.4 s即達(dá)到給定速度300 km/h，之后速度平穩(wěn)；電機(jī)在0～0.4 s牽引階段按牽引特性曲線輸出電磁轉(zhuǎn)矩，準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，恒功率運(yùn)行，0.4 s之后速度穩(wěn)定，輸出電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，輸出電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小，實(shí)際輸出牽引特性曲線與給定牽引特性曲線吻合；定子相電流在起動(dòng)時(shí)較大，但0.4 s時(shí)即達(dá)穩(wěn)定，幅值約200 A，且相電流正弦度很高，轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡近似于圓形。

（2）制動(dòng)工況分析

在0.7～1.5 s時(shí)動(dòng)車(chē)組給定速度降為v*＝50 km/h，則動(dòng)車(chē)組便從300 km/h開(kāi)始制動(dòng)，進(jìn)入制動(dòng)工況運(yùn)行，仿真波形如圖12～圖15。

圖12 動(dòng)車(chē)組速度曲線

圖13 電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩

圖14 實(shí)際制動(dòng)特性曲線

圖15 定子A相電流

從圖12～圖15可以看出，制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)組速度平穩(wěn)減小，1.1 s左右即降為給定速度50 km/h，電機(jī)也按給定制動(dòng)特性曲線輸出負(fù)的電磁轉(zhuǎn)矩，使動(dòng)車(chē)組減速，實(shí)際輸出制動(dòng)特性曲線與給定制動(dòng)特性曲線相吻合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，1.1 s左右電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，即完成制動(dòng)過(guò)程。從定子電流波形也可知，0.7 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，由式（1）可知，給定轉(zhuǎn)差頻率為負(fù)，定子頻率減小且小于轉(zhuǎn)子頻率，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)拖動(dòng)定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，牽引電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，從而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

從圖15定子電流可知，當(dāng)給定速度為300 km/h時(shí)，定子電流幅值約200 A，這與CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)額定電流幅值205 A基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)CRH3動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)，在分析其牽引、制動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)其采用的間接磁場(chǎng)定向矢量控制策略進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，CRH3動(dòng)車(chē)組可以在0～300 km/h速度范圍穩(wěn)定運(yùn)行；將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制后，電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，電磁轉(zhuǎn)矩在牽引工況和制動(dòng)工況時(shí)能分別很好地跟蹤牽引、制動(dòng)特性曲線；定子電流正弦度很高，且與牽引電機(jī)額定電流基本吻合，從而驗(yàn)證了CRH3牽引電機(jī)矢量控制策略的正確性與有效性，說(shuō)明矢量控制策略具有很高的靜、動(dòng)態(tài)性能，是高速動(dòng)車(chē)組的首選控制策略。

［1］ 馮曉云.電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 宋雷鳴.動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)與控制［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

［3］ F.Blaschke.A new method for the structural decoupling of A.C.Proceedings of IFAC.1971：1-15.

［4］ 丁榮軍.現(xiàn)代軌道牽引傳動(dòng)及控制技術(shù)研究與發(fā)展［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2010，（5）：1-8.

［5］ 張喜全.列車(chē)電力傳動(dòng)與控制［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［6］ 張川寶.高速動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的研究與仿真［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［7］ 曲健偉，馮曉云，孫鵬飛，王春柳.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算［J］.變頻器世界，2010，（10）：57-60.

［8］ 曾允文.變頻調(diào)速SVPWM技術(shù)的原理、算法與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［9］ 馮曉云，王利軍，葛興來(lái)，李官軍.高速動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與仿真［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38，（11）：25-28.

［10］ 李官軍，馮曉云，王利軍，陳世浩.高速動(dòng)車(chē)組恒速控制策略的研究與仿真［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2007，（05）：12-14.

Research and Simulation on Traction Motor Vector Control Strategy of CRH3EMU

DING Juxia1，JIANG Kui2
（1 Emei Campus of Southwest Jiaotong University，Emeishan 614202 Sichuan，China；2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 Jiangsu，China）

Aiming at studying the application of vector control technology in high speed EMU，taking CRH3EMU traction motor as the study object，the traction and braking characteristics are analyzed，the principle of rotor field oriented vector control is expounded，and traction motor indirect rotor field orientation vector control system of CRH3EMU is established.Then，MATLAB simulation model of traction motor vector control system is established，and traction and braking mode are analyzed in the simulation.Simulation results show that the model built is correct，and it has good static and dynamic performance，which can satisfy its frequent start－stop，acceleration and deceleration，thus the correctness and effectiveness of traction motor vector control strategy in CRH3are verified.

CRH3EMU；vector control；MATLAB simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.04

1008－7842（2014）04－0020－04

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2682013CX007EM）

7—）女，副教授（

2013－12－07）