基于Matlab/Simulink的CRH3型动车组牵引电机的仿真研究

王海洋， 张文涛， 宫炜南

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院， 河北 石家庄 050043；2.国网冀北电力有限公司 承德供电公司， 河北 承德 067000)

随着现代科技的不断进步，交流电机控制理论和现代电力电子技术取得了突破性的进步，现代控制理论产生了很多分支[1]。其中，矢量控制理论是最具代表意义的理论之一。矢量控制理论是在上个世纪70年代，由德国西门子公司的工程师F.Blaschke提出的用于解决交流电机转矩控制问题的一套理论。矢量控制理论是通过测量和控制异步电机定子电流矢量，将定子电流分解成转矩分量和励磁分量并分别进行控制，模拟直流电机进行控制[2]。利用矢量控制可以在交流异步电动机控制中，获得良好的静态和动态调速特性。本文在分析CRH3型高速动车组牵引传动系统特性的基础上，结合异步电动机矢量控制的控制方式，建立基于Matlab/Simulink的矢量控制系统仿真模型，对CRH3型高速动车组的牵引工况和制动工况进行了仿真。验证了建立的矢量控制仿真模型方法的可行性和有效性，凸显Matlab软件的强大功能。

1 CRH3型动车组牵引传动系统

1.1 动车组牵引传动系统主电路结构图

国内现有的“和谐号”系列高速动车组的牵引传动系统的特点归纳为：采用AC-DC-AC型牵引传动系统，主回路电路包括受电弓、机车主断路器、机车牵引变压器、整流电路、中间环节电路和逆变电路等部分[3]。CRH系列高速动车组的牵引传动系统主电路结构如图1所示。

1.2 CRH3型动车组组成及运行特性

我国CRH系列动车组由4动4拖共8辆编组的动力分散交流牵引传动电力动车组。CRH3型高速动车组的牵引电机的参数如表1所示[4]。

2 搭建仿真图

2.1 仿真模型结构图

表1 牵引电机参数

2.2 各模块内部结构图

2)转速调节器。转速调节器的作用是将反馈的转速值与设定值经过转换得到的转速值作差，该差值再经过放大和积分环节，最终得到设定转矩输出值。内部仿真结构图如图4所示。

4)Park变换模块。Park变换模块是将dq轴电流值和夹角值进行变换运算，经过变换后得到abc三相的电压值。

3 实验结果分析

3.1 牵引启动工况结果分析

在t=0～1 s内，在牵引电机最大转速范围内，选定CRH3型动车组的额定转速值4 100 r/min作为模拟电机的额定启动转速值，模拟牵引启动的运行特性。

图6表示转速的变化波形图。大约经过0.3 s的启动时间，电机转速的值稳定在4 100 r/min。在之后的加载时间段内，牵引电机的转速并未产生特别明显的变化趋势。由电机转速的波形图可以看出，转速波形响应迅速且变化趋势平稳。

图7表示在牵引工况时牵引异步电机的电磁转矩变化情况。电机在启动过程中转矩迅速提高，经过很短的时间保持在120附近；然后进行恒转矩加载，达到额定转速后转矩降。在0.6 s的短时间加载，转速随之增加上升，最终负载转矩的值维持在70.7附近。

图9表示在牵引工况时牵引异步电机的转子磁链轨迹的变化状况。从零时刻电机启动开始，建立磁场，在磁场未稳定之前磁链的轨迹呈现不规则的形状；磁场的不规则会影响电机的转矩的变化，从0.5 s时刻开始，磁场呈现为有规则的圆形，磁链轨迹也呈现为规则的圆形。随着磁场建立完成，异步电机的转矩趋于稳定。

3.2 制动工况结果分析

在t=0～1 s时，模拟牵引工况运行状态，仿真结果如图10～13所示。

图11表示在制动工况时牵引异步电机的转速的变化状况。在0.3 s时间内，转速基本上保持不变的状态；在0.3 s～0.75 s内开始进入制动状态，电机的转速呈现平稳下降的趋势；在0.75 s～1 s内电机的转速基本保持不变。

图11表示在制动工况时牵引异步电机的电磁转矩变化情况。开始阶段电机的转矩基本上保持平衡转动状态；在0.3 s开始，转矩发生了明显的变化，急剧的下降，波动比较大，在此阶段会出现负的电磁转矩；自0.9 s开始，转矩基本维持在0值附近，即完成了机车的制动过程。

图12表示在制动工况时牵引异步电机的三相定子电流的变化状况。一开始的时候定子电流的值比较大，之后定子电流经历制动过程开始逐渐变小，最终定子电流维持在0值附近。

图13表示在制动工况时牵引异步电机的转子磁链轨迹的变化状况。从零时刻电机启动开始，建立磁场，在磁场未稳定之前磁链的轨迹呈现不规则的形状；从0.5 s开始，磁场呈现为有规则的圆形，磁链轨迹也呈现为规则的圆形。

3.3 牵引启动和制动停止的仿真结果分析

从仿真结果来看，通过矢量控制的方式实现对牵引传动系统的控制，将定子电流分解为转矩分量和励磁分量分别进行相互独立的控制，这样控制的优点体现在图8和图12的牵引电动机输出的电磁转矩响应速度很快，图7和图11的牵引电机转速波形平稳，具有良好的调速特性等方面。当电机转速发生变化时，电机很快会恢复至稳定运行状态，可以看出矢量控制方法可以使电机动态反应迅速。矢量控制方式对牵引电机控制的性能良好，具有很好的抗干扰能力，磁链呈现出规则的变化形状。在恒速控制思想的基础上，引入控制系数，就会得到一个牵引电机转矩指令：

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4 结语

本文建立了基于Matlab/Simulink的矢量控制系统仿真模型，该模型的建立凸显了Matlab软件直观、方便、无需编程、简单等优点。通过对CRH3型高速动车组的牵引工况和制动工况的仿真，仿真结果验证了矢量控制在交流异步电机控制领域的可行性和有效性，与真实情况相仿，说明了矢量控制在交流异步电动机控制中，具有良好的动态和静态特性。