高速动车组在直接转矩控制下的机电耦合模型

陈双喜，邓小军

(1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031;

2.中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程中心，山东 青岛 266111)



高速动车组在直接转矩控制下的机电耦合模型

陈双喜1,2，邓小军2

(1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031;

2.中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程中心，山东 青岛 266111)

摘要:从牵引角度对高速动车组车辆动力学性能开展多学科研究，建立牵引系统在直接转矩控制(Direct torque control)下动车组运行的机械电气耦合模型。建立动车组的车辆动力学Simpack模型和牵引传动系统的直接转矩控制Matlab/Simulink仿真模型，通过接口模块将2个系统连接起来，从而实现机械电气系统耦合，并且给出仿真算例。研究结果表明：该模型能有效地揭示动车组运行中的机械与电气特征变化情况。

关键词：高速动车组；牵引系统；直接转矩控制；机电耦合

Depenbrock[1]于1985年首次提出了直接转矩控制(DTC)理论，是继矢量变换控制技术之后发展起来的一种异步电机变频调速技术。直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性受电机参数变化影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。该理论的核心是摒弃了矢量控制技术[2-3]中过于繁杂的解耦思想，简单地借助三相定子电压和电流在静止坐标系中直接计算磁链和转矩，与给定值进行比较后，再通过两点式或多点式调节控制实现高性能的调速控制[4]。目前直接转矩控制技术已经成功应用在电力机车和高速动车组牵引系统[5-12]。牵引工况下列车的研究往往是分专业进行的：电气专业的学者不考虑车辆系统模型，而车辆专业的学者也很少考虑牵引系统的电气特性及控制策略。为了充分考虑牵引电气系统对列车动力学的影响，本文针对我国更高速试验动车组，首先建立列车的车辆动力学模型，然后建立牵引传动系统的直接转矩控制系统的Matlab/Simulink仿真模型，并通过接口模块将2个系统连接起来，从而实现了真正的机电耦合，并给出了典型的仿真算例。

1高速动车组车辆动力学模型

首先在Simpack软件中建立高速动车组的动力学模型，包括6个车体，每个车体包括2个构架，4个轮对，8个轴箱，4个电机(电机轴)，4个齿轮箱(输入输出轴)和2个牵引拉杆，如图1所示。齿轮箱传动比为2。轮对、转向架、车体和电机均有纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个自由度；电机悬挂在构架上；齿轮箱一端悬挂在构架上，另一端在车轴上。整列车共计576自由度。一系二系悬挂采用弹簧单元模拟。运用弹簧单元模拟牵引拉杆连接车体和构架；阻尼单元模拟抗蛇形减振器、横向和垂向减振器和车间减振器。车钩之间和横向止挡用非线性弹簧模拟。车轮直径0.92 m，踏面为LMA，钢轨为中国轨道60 kg/m。

图1　动车组车辆动力学模型Fig.1 Dynamics model of EMU

2牵引传动系统的直接转矩控制

高速动车组为6辆全动编组的动力分散交流传动动车组，2个动车为一个动力单元，每个单元有独立的牵引传动系统，主要由1台变压器、2台牵引变流器和8台牵引电机组成。牵引变压器原边额定电压为25 kv/50 Hz，副边为2 121 v/50 Hz。牵引变流器输入为四象限脉冲整流器(4QC)，2个4QC为一个共同DC连接供电，终结电容区存储部分能量，输出平滑的直流电。输出端是一个PWM逆变器，将DC电压转化为牵引系统所要求的变频变压三相电源驱动并联的异步牵引电机。本研究中采用DTC系统控制逆变和电机驱动部分。

图2　异步电机直接转矩控制系统图Fig.2 Induction machine DTC System diagram

图3　带滞环的双位式控制器Fig.3 Hysteresis two-position controller

3高速动车组机电耦合模型

根据各个部分的工作原理搭建了高速动车组牵引传动系统的Matlab/simulink与simpack联合仿真模型，整个系统如图4所示，包括：电源(DC)、三相逆变器(three-phase inverter)、测量单元(Measures)、异步电动机模块(Induction machine)、直接转矩控制模块DTC(subsystem)、速度控制模块(speed controller)和simpack接口模块。因为牵引变流器输出为DC直流电，因此模型中略去了降压整流环节(这些环节并不影响直接转矩控制)，直接采用变流器输出的3 500 V直流电作为系统的电压输入。直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器(Three-phase inverter)，该逆变器有8种开关状态，可以得到6个互差60°的电压空间矢量和2个零矢量。交流电动机定子磁链受到电压空间矢量控制，因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链的运行轨迹(磁链的幅值和旋转速度)，从而控制电动机的运行。

图4　动车组机电耦合模型Fig.4 Electromechanical coupling model of EMU

在速度控制模块中，转速给定N*经过加减速限制环节，使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降，转速反馈N经过了低通滤波器，得到转速偏差(N*-N)。Proportional gain、Integral gain和discrete模块组成带限幅的离散PI调节器，调节输出经过了选择开关，根据设定的转矩或转速控制方式决定转速控制的输出。

直接转矩控制模块由转矩给定Torque*、磁通给定Flux*，电流I_abc和电压V_abc输入信号都经过采样开关，DTC模块包括转矩、磁通计算、滞环控制、磁通选择、开关表和开关控制等单元。DTC模块是输出三相逆变器开关器件的驱动信号。

在Simpack接口模块中，测量列车运行速度并反馈到电机模块，同时通过自定义函数s-function input_torque(牵引特性曲线)计算给定扭矩。自定义函数s-function dj_load根据速度计算列车的运行阻力，并通过接口模块(＄UI_load)加载到列车车体上。异步电动机模块输出的电磁转矩通过接口(＄UI_tm)，作为扭矩输入加载到车辆动力学模型中的电机转子轴上，并经齿轮箱传递到车轴上驱动列车前进。于是，整个机电耦合模型就建立起来了。

4仿真算例

电动机参数：功率600 kW，额定电压2 730 V，额定频率155 Hz，额定转速4 600 rpm，中间直流电压3 500 v和极对数4。假定列车运行在直线轨道上，暂不考虑轨道不平顺。为了考虑可能出现的车轮打滑，假定轨道为湿轨，摩擦因数μ=0.1。给定列车首先从t=0，速度1 km/h(为了防止速度过小导致无法减速蠕滑力，速度没有设置为0)加速到最高运行速度450 km/h，运行一段时间(t=550 s)后开始减速到400 km/h，并从t=750 s开始减速到1 km/h。转速给定使用离散控制模型库中的timer模块，设定值为：t=0，550和750 s时转速分别为5 215，5 215，4 635和12 r/min。模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts=1e-5s，转速调节器采样时间为140e-6s，动力学模型采样时间为0.001s。

如图5~10所示，在低速段，列车根据牵引特性曲线以恒定转矩加速，列车以大于0.5 m/s2启动加速。在直接转矩控制下，系统表现了良好的速度和转矩跟踪响应，由于DTC采用两点式调节器产生PWM信号，在加快转矩响应的同时必然增加了转矩的脉动。虽然启动扭矩较大，电机牵引力仍然小于黏着力，黏着饱和度0.9，即列车虽然在湿轨条件下启动，车轮并没有发生打滑。随着速度提高，纵向蠕滑力和横向蠕滑力均有所减小，黏着饱和度降低。当速度达到约220 km/h后，电机进入恒功率运行阶段。随着转矩的降低和阻力的增大，列车前进加速度不断减小。运行约420 s后，列车速度达到450 km/h，电机输出转矩与运行阻力平衡，列车以恒定速度运行，车轮纵向蠕滑力和横向蠕滑力、黏着饱和度、列车纵向振动速度均保持不变。运行550 s后，列车按照给定速度开始减速，电机扭矩反向，车轮纵向蠕滑力反向，而横向蠕滑力绝对值有所减小，黏着饱和度增大，列车纵向加速度也为较大的负值。当速度达到400 km/h后，蠕滑力和纵向加速度再次保持稳定。运行750 s后，电机扭矩再次反向，车轮纵向蠕滑力再次反向，黏着饱和度大幅增加并接近1，车轮接近打滑，而列车再次以较大的加速度减小到1 km/h。

图5　转矩控制曲线Fig.5 Torque control curve

图6　速度控制曲线Fig.6 Speed control curve

图7　纵向蠕滑力Fig.7 Longitudinal creep force

图8　横向蠕滑力Fig.8 Lateral creep force

图9　黏着饱和度Fig.9 Saturation of adhesion

图10　车体纵向振动加速度Fig.10 Longitudinal acceleration of car body

除了车辆动力学响应，我们也可以得到电气系统的响应。图11给出了牵引电机定子电流波形图，可以看出列车在直接转矩控制下牵引电机电流在小于400 A，除了减速阶段有所增加，全程运行正常。

图11　牵引电机定子电流Fig.11 Stator current of asynchronous machine

5结论

1)本模型真正实现了电气与机械系统的耦合，能更真实模拟列车启动到稳定运行全过程列车的动力学响应。文献[8]和[9]等研究中假定列车从0加速到300 km/h仅需几秒钟时间并不符合真实运行工况，且只能得到速度跟踪曲线以及电气特性变化情况，无法考察轮对黏着特性，更无法得到列车振动尤其是纵向的振动特性。

2)本模型与其他动力学模型的区别在于：在matlab中而非在simpack动力学软件中定义牵引特性曲线、给定扭矩和列车的运行阻力，因此能更方便地定义各种复杂的数学曲线。

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(编辑蒋学东)

《铁道科学与工程学报》变更刊期公告

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《铁道科学与工程学报》编辑部2015 -11-26

Electromechanical coupling model of high-speed EMU with direct torque control

CHEN Shuangxi1,2，DENG Xiaojun2

(1.College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；

2.National Engineering Center, CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd, Qingdao 266111,China)

Abstract:In order to study the dynamic performance of high-speed EMU from traction drive angle, a electromechanical coupling model of traction drive system for high-speed EMU with direct torque control was developed.Firstly, the vehicle dynamics model of EMU was built in Simpack and the direct torque control simulation model of traction drive system was built in Matlab/Simulink.Then they were linked by Simpack co-simulation interface model.Consequently, a full electromechanical coupling model of EMU was developed.A simulation example was also given.Result indicates that this model can effectively reveal the change of mechanical and characteristics of running EMV.

Key words：high-speed EMU; traction drive system; direct torque control; electromechanical coupling

通讯作者：陈双喜(1982-),男，四川宜宾人，博士，从事车辆动力学与信号处理；E-mail：chshxi@qq.com

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU10ZT04)

收稿日期：2015-04-21

中图分类号：U270.1

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1277-06