轨道交通车辆交流牵引传动互馈试验平台的研究与设计

莫坚

摘 要：本文提出了一种适应轨道交通车辆交流牵引传动的互馈试验平台设计方案，分析了它的组成、功能和工作原理，研究了互馈试验台的双逆变器-电机联合控制特性。试验结果证明，试验台可满足轨道交通车辆交流传动系统及其主要部件的型式试验、例行试验以及研究性试验的要求，具有适用面宽，节能等优点。

关键词：交流牵引传动；互馈试验台；双逆变器；DCT控制

中图分类号： TM921.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-195-2

0 引言

本文研究的牵引传动试验平台由交流牵引传动变流系统、计算机控制系统、计算机测试系统组成。采用“双逆变器—电机”的能量互馈技术，由两套变流器-电机联轴背靠背组成，两台电机的能量互馈。用以模拟轨道交通车辆牵引传动系统的牵引、制动等各种工作状况，完成对其系统部件如变流器、牵引电机、脉冲整流器的各种试验，以及列车牵引特性试验。

1 交流牵引传动试验台设计

1.1 交流牵引传动变流系统

牵引传动系统采用“双逆变器—电机”的能量互馈技术，其主电路如图1所示。由低压开关柜、四象限整流器、牵引变流器、负载变流器、辅助变流器、牵引电机、UPS电源等构成。

两组“逆变器—电机”机组互为牵引和负载。当牵引机组处于牵引工况运行时，负载机组为制动工况；同样，当牵引机组为制动工况时，负载机组工作在牵引工况，给牵引变流器提供恒定的制动负载，解决系统负载问题及能量利用率问题。接受并执行试验操作台模拟的地铁列车司机操纵指令；进行牵引电机转矩控制，混合电制动控制，防冲击控制，空转/滑行控制，空重车控制，牵引/制动切换控制等反转保护，进行系统控制逻辑检测和故障诊断、显示、记录。

牵引变流器采用大功率IGBT构成的电压型调压调频（VVVF）变流器，变流器采用PWM控制技术，由牵引控制单元控制IGBT的开通与关断。当地铁列车在牵引工况时，三相逆变器将直流电变为电压和频率可调的三相交流电，控制4台并联牵引电机的转矩和转速；当地铁列车再生制动时，将牵引电机输出的三相交流电整流成直流电反馈回电网。当电网吸收能力不足或不能吸收時，斩波相则提供再生制动能量释放的通道。

1.2 计算机控制系统

试验台配备计算机控制系统，通过软件实现对地铁列车的牵引制动的控制，由主变流器DSP牵引控制单元、工控机、控制台电控部分构成。工控机与DSP牵引控制单元通过CAN总线连接。通过工控机对变频电源的控制，实现在允许速度、功率范围内，依据给定速度指令恒速运行；在允许转矩、功率范围内，依据给定转矩指令恒转矩运行。

主变流器DSP牵引控制单元完成对变频器的核心控制算法（DTC直接转矩控制）、上位机进行通讯获取控制指令，反馈变频器的工作状态，并通过开关量输入输出接口测取转速和控制台主令电器的控制指令，输出对主开关的控制信号。

工控机运行牵引传动试验系统各单元的控制程序，直接实现被试件的运行控制，同时实现试验系统的自检、系统初始化、通信管理等，显示各变频电源、电机、电源等主要设备的工作情况和运行参数，进行故障信息显示和记录，显示主要参数波形图、数据表。

电控部分通过操作台上的司机控制器、按钮、旋钮、仪表及指示灯进行控制调节和显示，实现电机的启动、运行和停机以达到城轨列车各种运行试验工况。

1.3 计算机测试系统

测试系统是一个网络通信系统，由测试主计算机、功率分析仪、测量转换电路、转矩转速传感器、电压测量模块、电流传感器等组成。随时监控着控制台的网络信号反馈。与控制计算机配合运行，可替代司机控制台对列车的控制。

2 交流牵引传动试验台工作原理

牵引变流系统通过一组四象限脉冲整流器为模拟列车牵引部提供直流动力电源，列车母线电源为DC 510V，母线电源分别为列车牵引变流器、模拟负载变流器及列车辅助变流器提供动力电源。负载变流器为与牵引变流器同等功率的电源，与牵引变流器可互为牵引和负载，且可以四象限运行。牵引变流器控制牵引电机处于牵引工况运行时，负载变流器控制负载电机为制动工况，给牵引变流器及电机提供负载，给定的负载既可以是恒定的，也可以随牵引力的变化而变化。同样，当牵引变流器控制牵引电机工作在制动工况时，负载变流器此时工作在牵引工况，给牵引变流器提供恒定的制动负载。无论整个牵引变流系统处于牵引工况还是处于制动工况，总有一组变流器是工作在发电工况的，且发出的电

能可以通过变流器的四象限控制，回馈到直流母线上。回馈到直流母线上的直流电源也将再供给用电工况的变流器使用，如列车辅助变流器在供电直流母线侧取动力电源，来模拟通风，空调等设备的实际电源，构成了电源的系统内部循环。

3 交流牵引传动系统控制特性研究

牵引变流器控制采用DCT直接转矩控制技术，将上位机给定值和控制指令转换成变流器用的控制信号，对整流器、变流器、牵引电机进行控制。DSP牵引控制单元每25μs将测量的电机电流值和直流回路电压值输入到一个自适应的电机模型，并精确地计算出电机的转矩和磁通。磁通和转矩比较器把实际值与磁通和转矩控制器计算的给定值进行比较。根据转矩误差，磁链误差及磁链的相位，采用优化策略，选择合适的电压矢量及电压矢量作用的时间，在较低的开关频率下，达到最小的转矩脉动和转矩的快速响应的性能，从而最好地满足牵引特性要求，实现对陪试电机的精确控制。

试验证明，控制系统具有精确的速度控制特性，速度控制器基于PID算法，静态速度误差为电机额定转速±0.1%（不带脉冲编码器），动态速度误差的典型值在100%；负载转矩阶跃下，为±0.2%… 0.5 %sec；动态速度误差取决于速度控制器的调节。

相较于电流矢量控制，DCT直接转矩控制能使逆变器的开关直接由电机的核心变量磁通和转矩控制，不需要轴的速度和位置反馈，每个逆变器的开关过程单独确定，在70%转速时，转矩阶跃时间少于3ms，不需要速度和位置编码器即可满足性能要求。

4 结语

本文对交流传动互馈试验平台的功能、原理、结构、控制特性进行了研究，系统采用双DSP技术的全数字化控制硬件系统，可快速高效地实现复杂的控制策略，采用先进直接转矩控制（DTC），其控制结构简单，控制手段直接，可实现对负载电机静动态性能的高效和高精度控制，使得电机的驱动及调速控制更加灵活、简易，控制精度更高。同时能够利用小功率等级的电源进行大功率等级的系统试验研究，具有较好的节能效果。

参 考 文 献

[1] 霍连文，郭建斌.采用双变流器——电机能量互馈的交流传动试验系统[J].机车电传动，2004（04）.

[2] 许迎杰，张全柱，邓永红.交流牵引传动能量互馈试验台的研究[J].内燃机车，2008（06）.