一种解决架线式机车短时脱网的方法

摘 要：架线式机车经常遇到电源短时脱网现象，本文提出了一种新的解决方法—发电稳压，具备电压穿越功能，并且和常规的方法通过对比显示其优越性，最后使用仿真验证了其可行性。

关键词：脱网；电压穿越；电压控制；环路切换

中圖分类号：TM921.51

在机车使用过程中，经常会出现直流侧母线会出现短时脱网的现象，恢复供电后，需要控制器马上投入正常工作。由于这个时候电机转速可能还比较高，电机的磁场还没有完全消失，控制器由于欠压保护而输出关闭，如果未经任何处理直接连接电机，则会出现较大的电流冲击导致控制器损坏。本文对于解决减少冲击的几种方法进行分析，并且提出了一种高效可行的方法。

1 方案对比

一般控制器会采用上述的其中一种，若客户需要快速启动功能，使用电压检测的方式，基本能达到用户的使用要求。本文的提出方法为发电稳压方案，不仅能够省去硬件传感器的成本，还能在脱网期间控制电机，进行电刹车，提高安全性能。

2 控制策略

（1）在t1时脱网发生，但是控制器未得知，继续正常工作；（2）脱网发生时（t2），母线电压从V5：500V开始跌落，但控制器当时是无法检测该状态；（3）直至电压跌落至V2：385V时（t2），启动电压环控制，力矩Trq*给定从力矩环输出改为电压环输出，控制目标由转速ω改为母线电压Udc，即电压控制在V3：400V；（4）当电网开始恢复（t3），母线电压开始抬升，但是由于电机控制还在电压环，所以出的力矩为正力矩，即电动状态；（5）当电压到达V4：430V时，控制模式从电压控制切回速度控制。

3 特殊工况

下面是方案3发电稳压在各个特殊工况响应策略：

3.1 脱网期间能够响应电磁制动工况。脱网期间如果整车要求刹车，是需要响应电磁制动指令，体现系统控制优势。当电磁制动时，系统很快会退出电压控制模式。最恶劣情况为在脱网期间，又使能速度控制，系统会再一次进入母线电压控制模式，不会有什么风险。这种电磁制动指令优先级最高的模式能够满足客户需求。

3.2 励磁电流随母线电压快速响应。由于在脱网期间转速会有变化，所以励磁电流也需要根据转速和电压变化，防止vdq电压饱和而导致励磁电流无法建立，在电流环计算id较合适，响应速度要快。

3.3 脱网切换时加入重启时间。在脱网时若采用电压环控制，若发生保护则立刻关管，根据 ，即使电流消失，磁链也不会马上消失，这时在定子侧会有反电势存在。为防止过快启动引起冲击，则需要根据电机转子的时间常数设置一个最小时间。

3.4 脱网后立即恢复无风险。发电稳压方案由于存在响应延时，所以需要降低关管电压值，并且切换发生保护再关闭继电器，需要20ms左右的时间，母线电压下降不多，在母线直接和电网连接，冲击不大。

4 仿真结论

4.1 一般脱网工况。从图3来看，在脱网后，响应比较及时，快速切换成电压环，维持稳定电压，恢复电压能够立即输出功率，达到了预计的效果。

（1）速度变化较平稳，力矩接近于零，说明用来维持的动能较小；（2）母线电压和相电流波形较稳定，说明环路控制稳定。

4.2 脱网短时发电工况。为了能更真实模拟脱网期间工况，把可能发生的都加入仿真模型：（1）速度控制时母线脱网；（2）脱网期间发生电磁制动；（3）制动时触发过压斩波；（4）电磁制动后进行速度控制；（5）电网恢复后，再发生电磁制动。

可以从图4中看出，无论是电压过低和过高，控制器都进行了有效的控制，保证在脱网穿越期间电机系统在受控的范围内，当电网恢复正常后，工作状态恢复正常。脱网期间电机系统只有无法响应速度控制，其他的功能如电磁制动都工作正常。

参考文献：

[1]Joshi，B.M.，Chandorkar M.C.，Power failure ride-through in multi-machine drives[J].Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE），2012 IEEE 3633-3640.

[2]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统（第4版）.2011

作者简介：殷浩（1983-），男，上海人，就职于格至控智能动力科技（上海）有限公司，部门主管，助理工程师，工程硕士，研究方向：电气工程。

作者单位：同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804