吳建功

（中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037000）

引言

鐵路運(yùn)輸為當(dāng)前路運(yùn)的關(guān)鍵方式，其先后經(jīng)歷了蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車三個(gè)發(fā)展階段。目前，主要以電力機(jī)車為主，其可作為貨物和乘客的運(yùn)輸載體。牽引電機(jī)為電力機(jī)車的核心部件，其性能直接決定能否對(duì)電力機(jī)車進(jìn)行穩(wěn)定、安全的控制。目前，對(duì)于電力機(jī)車而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)主要完成制造任務(wù)；而對(duì)于電力機(jī)車的核心控制技術(shù)而言，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大的差距[1]。尤其是在近年來(lái)，國(guó)外技術(shù)對(duì)我國(guó)的封鎖以及在鐵路運(yùn)輸需求越來(lái)越大的形式下，開展電力機(jī)車的調(diào)控策略研究尤為重要。本文重點(diǎn)開展調(diào)制控制策略在大功率電力機(jī)車中的應(yīng)用研究。

1 大功率電力機(jī)車概述

電力機(jī)車的牽引動(dòng)力為電動(dòng)機(jī)，其具有高電壓和大電流的特點(diǎn)。為電力機(jī)車所配置開關(guān)的最高頻率為幾百赫茲，而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的最高頻率為百赫茲左右；為了保證電力機(jī)車可在全速度范圍之內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行控制。目前，針對(duì)電力機(jī)車最高開關(guān)頻率與逆變器最高輸出頻率可采用的調(diào)制方式包括有異步調(diào)制、規(guī)則采樣同步調(diào)制、特殊同步調(diào)制和方波調(diào)制[2]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的高速動(dòng)車組和重載牽引電機(jī)車開關(guān)頻率和逆變器的最高輸出頻率如表1 所示。

表1 高速動(dòng)車組和重載牽引電機(jī)車開關(guān)頻率與逆變器的最高輸出頻率 Hz

本文以重載牽引電力機(jī)車為例開展研究，具體型號(hào)為HXD2C。該型電力機(jī)車對(duì)應(yīng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電路原理如圖1 所示。HXD2C 電力機(jī)車電機(jī)采用交流-直流-交流供電模式；該型電力機(jī)車每個(gè)轉(zhuǎn)向架均配套有3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，為每臺(tái)電動(dòng)機(jī)配套1 個(gè)逆變器，并在軸控方式的作用下保證每個(gè)軸的牽引力可完全服務(wù)于機(jī)車。HXD2C 電力機(jī)車的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 HXD2C 電力機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)

圖1 HXD2C 型電力機(jī)車配套牽引系統(tǒng)的電路原理

2 大功率電力機(jī)車全速度范圍的矢量控制設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電力機(jī)車的調(diào)制控制，主要目的是能夠保證電力機(jī)車在全速度范圍之內(nèi)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。因此，在某種程度上要求電力機(jī)車控制策略中控制算法與調(diào)制算法分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，其可在很大程度上解決PWM延時(shí)嚴(yán)重的問(wèn)題。其中，控制算法主要是根據(jù)實(shí)際工況生成相應(yīng)的電壓指令；調(diào)制算法是將控制算法中形成的電壓指令轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)發(fā)射出去，具體矢量控制框圖如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 大功率電機(jī)車的矢量控制框圖

基于控制算法可實(shí)現(xiàn)AD 采樣、接收指令以及濾波等功能；基于調(diào)制算法可實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車在全速度范圍之內(nèi)載波均處于周期變化的狀態(tài)。理論上，為保證電機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)行，控制算法對(duì)應(yīng)的計(jì)算頻率是高于載波頻率的。本項(xiàng)目中調(diào)制算法基于非優(yōu)化PWM的中間60°調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。

但是，實(shí)踐表明單純采用圖2 所示的矢量控制框圖容易導(dǎo)致電力機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程發(fā)生一些額外的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在對(duì)電力機(jī)車過(guò)分相區(qū)和準(zhǔn)恒速度控制方面，對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。因此，需針對(duì)性地對(duì)上述兩方面提出相應(yīng)的控制策略。

2.1 電力機(jī)車過(guò)分相區(qū)直流電壓控制策略

所謂過(guò)分相區(qū)指的是目前電氣化鐵道采用單相供電，為了能夠?qū)θ嚯姷呢?fù)荷進(jìn)行平衡，需要每隔一段接觸網(wǎng)進(jìn)行換相供電。在換相供電的過(guò)程中，會(huì)在輸入和輸出端出現(xiàn)短時(shí)間的無(wú)電狀態(tài)，即為過(guò)分相過(guò)程。針對(duì)上述的過(guò)分相過(guò)程采用如圖3 所示的控制邏輯解決短時(shí)間無(wú)電的情況。

圖3 過(guò)分相過(guò)程無(wú)電情況的邏輯控制策略

2.2 電力機(jī)車的準(zhǔn)恒速度控制策略

目前，電力機(jī)車牽引系統(tǒng)以其轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)進(jìn)行控制，而不是對(duì)其速度進(jìn)行直接控制。但是，在實(shí)際運(yùn)行中為了保證電力機(jī)車在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定的速度，減小司機(jī)頻繁的操作量，要求電力機(jī)車可直接對(duì)其速度進(jìn)行控制，并保證速度控制精度控制在±2.5 km/h 之內(nèi)。

鑒于電力機(jī)車的負(fù)載相對(duì)復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化幅度也較大。采用傳統(tǒng)閉環(huán)控制其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)不易調(diào)節(jié)控制。因此，針對(duì)電力機(jī)車的準(zhǔn)恒速度控制采用比例控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的控制策略如圖4 所示。

圖4 電力機(jī)車準(zhǔn)恒速度控制策略框圖

3 調(diào)制控制策略的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 運(yùn)輸工況突變時(shí)的穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)電力機(jī)車在牽引工況、牽引滿級(jí)工況、再生制動(dòng)工況、再生制動(dòng)滿級(jí)工況下突變時(shí)電力機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)。其中，牽引工況對(duì)應(yīng)的速度低于10 km/h，牽引滿級(jí)工況包括速度在65～75 km/h 和115～125 km/h 兩種工況；再生制動(dòng)工況速度低于10 km/h；再生制動(dòng)滿級(jí)工況包括速度在65～75 km/h 和115～125km/h 兩種工況。

經(jīng)試驗(yàn)，不同運(yùn)行工況的切換并未對(duì)電力機(jī)車的高壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及牽引系統(tǒng)造成一定的故障；而且，機(jī)車在工況切換過(guò)程中并未出現(xiàn)相關(guān)的錯(cuò)誤信息；尤其是在準(zhǔn)恒速控制策略下，電力機(jī)車的速度并未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，可滿足實(shí)際運(yùn)行中的定速控制要求。

3.2 電力機(jī)車總效率試驗(yàn)

電力機(jī)車在額定網(wǎng)壓下，且在額定牽引工況下電機(jī)持續(xù)輸出額定功率，經(jīng)測(cè)得電力機(jī)車的總效率為86%，滿足機(jī)車總效率≥85%的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

電力機(jī)車在牽引工況、牽引滿級(jí)工況、再生制動(dòng)工況、再生制動(dòng)滿級(jí)工況下突變時(shí)各部件性能均可穩(wěn)定運(yùn)行；基于上述控制策略支撐下的牽引系統(tǒng)可保證電力機(jī)車運(yùn)行總效率達(dá)到86%。