王海洋， 張文濤， 宮煒南

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司 承德供電公司， 河北 承德 067000)

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，交流電機控制理論和現(xiàn)代電力電子技術(shù)取得了突破性的進步，現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生了很多分支[1]。其中，矢量控制理論是最具代表意義的理論之一。矢量控制理論是在上個世紀70年代，由德國西門子公司的工程師F.Blaschke提出的用于解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題的一套理論。矢量控制理論是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量并分別進行控制，模擬直流電機進行控制[2]。利用矢量控制可以在交流異步電動機控制中，獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速特性。本文在分析CRH3型高速動車組牽引傳動系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合異步電動機矢量控制的控制方式，建立基于Matlab/Simulink的矢量控制系統(tǒng)仿真模型，對CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況進行了仿真。驗證了建立的矢量控制仿真模型方法的可行性和有效性，凸顯Matlab軟件的強大功能。

1 CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)

1.1 動車組牽引傳動系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)現(xiàn)有的“和諧號”系列高速動車組的牽引傳動系統(tǒng)的特點歸納為：采用AC-DC-AC型牽引傳動系統(tǒng)，主回路電路包括受電弓、機車主斷路器、機車牽引變壓器、整流電路、中間環(huán)節(jié)電路和逆變電路等部分[3]。CRH系列高速動車組的牽引傳動系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 CRH3型動車組組成及運行特性

我國CRH系列動車組由4動4拖共8輛編組的動力分散交流牽引傳動電力動車組。CRH3型高速動車組的牽引電機的參數(shù)如表1所示[4]。

2 搭建仿真圖

2.1 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

表1 牽引電機參數(shù)

2.2 各模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是將反饋的轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的轉(zhuǎn)速值作差，該差值再經(jīng)過放大和積分環(huán)節(jié)，最終得到設(shè)定轉(zhuǎn)矩輸出值。內(nèi)部仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4)Park變換模塊。Park變換模塊是將dq軸電流值和夾角值進行變換運算，經(jīng)過變換后得到abc三相的電壓值。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 牽引啟動工況結(jié)果分析

在t=0～1 s內(nèi)，在牽引電機最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，選定CRH3型動車組的額定轉(zhuǎn)速值4 100 r/min作為模擬電機的額定啟動轉(zhuǎn)速值，模擬牽引啟動的運行特性。

圖6表示轉(zhuǎn)速的變化波形圖。大約經(jīng)過0.3 s的啟動時間，電機轉(zhuǎn)速的值穩(wěn)定在4 100 r/min。在之后的加載時間段內(nèi)，牽引電機的轉(zhuǎn)速并未產(chǎn)生特別明顯的變化趨勢。由電機轉(zhuǎn)速的波形圖可以看出，轉(zhuǎn)速波形響應(yīng)迅速且變化趨勢平穩(wěn)。

圖7表示在牽引工況時牽引異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩變化情況。電機在啟動過程中轉(zhuǎn)矩迅速提高，經(jīng)過很短的時間保持在120附近；然后進行恒轉(zhuǎn)矩加載，達到額定轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)矩降。在0.6 s的短時間加載，轉(zhuǎn)速隨之增加上升，最終負載轉(zhuǎn)矩的值維持在70.7附近。

圖9表示在牽引工況時牽引異步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡的變化狀況。從零時刻電機啟動開始，建立磁場，在磁場未穩(wěn)定之前磁鏈的軌跡呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀；磁場的不規(guī)則會影響電機的轉(zhuǎn)矩的變化，從0.5 s時刻開始，磁場呈現(xiàn)為有規(guī)則的圓形，磁鏈軌跡也呈現(xiàn)為規(guī)則的圓形。隨著磁場建立完成，異步電機的轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。

3.2 制動工況結(jié)果分析

在t=0～1 s時，模擬牽引工況運行狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖10～13所示。

圖11表示在制動工況時牽引異步電機的轉(zhuǎn)速的變化狀況。在0.3 s時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速基本上保持不變的狀態(tài)；在0.3 s～0.75 s內(nèi)開始進入制動狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢；在0.75 s～1 s內(nèi)電機的轉(zhuǎn)速基本保持不變。

圖11表示在制動工況時牽引異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩變化情況。開始階段電機的轉(zhuǎn)矩基本上保持平衡轉(zhuǎn)動狀態(tài)；在0.3 s開始，轉(zhuǎn)矩發(fā)生了明顯的變化，急劇的下降，波動比較大，在此階段會出現(xiàn)負的電磁轉(zhuǎn)矩；自0.9 s開始，轉(zhuǎn)矩基本維持在0值附近，即完成了機車的制動過程。

圖12表示在制動工況時牽引異步電機的三相定子電流的變化狀況。一開始的時候定子電流的值比較大，之后定子電流經(jīng)歷制動過程開始逐漸變小，最終定子電流維持在0值附近。

圖13表示在制動工況時牽引異步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡的變化狀況。從零時刻電機啟動開始，建立磁場，在磁場未穩(wěn)定之前磁鏈的軌跡呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀；從0.5 s開始，磁場呈現(xiàn)為有規(guī)則的圓形，磁鏈軌跡也呈現(xiàn)為規(guī)則的圓形。

3.3 牽引啟動和制動停止的仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果來看，通過矢量控制的方式實現(xiàn)對牽引傳動系統(tǒng)的控制，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量分別進行相互獨立的控制，這樣控制的優(yōu)點體現(xiàn)在圖8和圖12的牽引電動機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度很快，圖7和圖11的牽引電機轉(zhuǎn)速波形平穩(wěn)，具有良好的調(diào)速特性等方面。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，電機很快會恢復(fù)至穩(wěn)定運行狀態(tài)，可以看出矢量控制方法可以使電機動態(tài)反應(yīng)迅速。矢量控制方式對牽引電機控制的性能良好，具有很好的抗干擾能力，磁鏈呈現(xiàn)出規(guī)則的變化形狀。在恒速控制思想的基礎(chǔ)上，引入控制系數(shù)，就會得到一個牽引電機轉(zhuǎn)矩指令：

(7)

4 結(jié)語

本文建立了基于Matlab/Simulink的矢量控制系統(tǒng)仿真模型，該模型的建立凸顯了Matlab軟件直觀、方便、無需編程、簡單等優(yōu)點。通過對CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況的仿真，仿真結(jié)果驗證了矢量控制在交流異步電機控制領(lǐng)域的可行性和有效性，與真實情況相仿，說明了矢量控制在交流異步電動機控制中，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。