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摘要：当前我国交通运输业不断的发展与完善。在地体车辆的牵引电传动系统是地铁车辆装备的核心。本文针对异步电动机矢量控制中的电压解祸问题、磁链观测器的实现、地铁车辆防滑/防空转控制技术以及纯电制动控制策略分别展开研究，并通过软件仿真以及地面、现场实验验证了理论研究成果的正确性。基于异步电动机动态模型的转子磁场定向控制已被广泛应用于地铁车辆控制中。目前地铁牵引变流器主电路拓扑以电压源型逆变器为主，为了能够更好地实现异步电动机的解藕控制，本文采用了一种电压前馈解祸的控制策略，结合空间矢量脉宽调制技术，对电压源型逆变器进行控制，提高了系统的动态响应。
关键词：地铁车辆牵引电传动系统控制关键技术研究
引言
目前，在我国的高校中对于地贴车辆中的交流牵引力系统中的控制技术进行研究与分析。并且逐渐的提高了重视的程度，然而，我国这这一方面的起步很晚，相关的基础也有待提高。加之目前国外公司对相关技术的过分垄断和封锁更使得地铁车辆牵引电传动系统控制关键技术在我国得不到较好的研究。我国目前在地铁牵引系统的点传统供电制式上主要包括了京津冀地区的DC750V供电制式以及北上广为代表的DC1500V供电制式，而一般的牵引电机的额定功率在200kw左右，随着3300V的不断发展，未来3300V两电平结构将成为地铁牵引的主要电传动模式。
1地铁牵引电传动系统控制技术研究现状及发展趋势
地铁牵引电传动系统主要由四部分组成:牵引变流器、牵引电机、车辆逻辑控制系统以及牵引传动控制系统(TractionControlUnit,TCU)，如图1-1所示。其中，牵引变流器的直流电压从供电网获取，目前国内地铁供电制式主要分为2种:一是采用第三轨受流，DC750V供电制式，允许电压波动范围为DCSOOV^}900V,以北京地铁为典型代表;二是采用架空接触网受电弓受流，DC1SOOV供电制式，允许电压波动范围为DC1004V^-}1800V，以广州地铁为典型代表。针对上述第二种DC1SOOV供电制式，当前地铁车辆牵引变流器的主流模式采用由3300VHVIGBT构成的两电平结构，其直流侧与供电接触网之间通常设计有主接触器、预充电接触器及预充电电阻构成的充电回路，由滤波电感、支撑电容所组成的滤波器，以及由斩波IGBT、制动电阻构成的斩波回路。
2低开关频率下牵引电机离散转子磁链观测模型
2.1转子磁链观测模型离散化设计
一般来说，离散控制系统的典型设计方式主要为以下两种：第一，连续域离散化设计。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆连续域离散化设计利用的是各种连续域的设计方法来设计出让人们满意的连续域控制器，然后通过对控制器进行离散化，来实现转子磁链观测模型离散，这种离散的过程相对比较简单。第二，直接数字域设计。其主要是在离散域先建立被控的离散模型对象，然后直接在离散域之中进行控制器设计。现如今连续域离散化设计比较常见，因其设计理论比较丰富且在多年的应用过程中也相对比较成熟，直接离散域设计使用上因其复杂性和不完善等原因尚未得到较好的应用。因此我们在对转子磁链观测模型离散化设计的时候，往往采用的连续域离散化设计方法来进行设计。
2.2低开关频率下离散转子磁链观测存在的问题
传统的转子磁链离散化模型能够保证牵引电机在全速的运行状态下，依旧保持着较为稳定的收敛，而且具备较为稳定的离散精度，在这种情况下就对微处理器的要求比较高，需要微处理器能够始终以比较高的频率来进行迭代计算。不过对于牵引变流器的低开关频率特性以及微处理器的计算符合和系统控制时序等方面的要求下，一般来说，磁链模型的迭代计算的频率通常都比较低，约为开关频率的两倍左右，基于此，计算需求与实际需求见的矛盾问题就逐渐产生。
2.3高速区稳定及相位补偿的改进设计
在连续域离散化设计的局限性问题日益显露的情况下，为了提高兼顾微处理器的计算量小的特点，提出了高速区稳定及香味补偿的改进型离散转子磁链观测器。改进后的离散转子磁链观测模型离散的误差相对于之前明显的降低，而且当计算周期T等于0.2ms的时候，最大的离散误差<0.1%，在迭代计算周期的取值为1ms的时候，高速区的最大误差大约为4%，与连续域离散化模型相比较误差降低明显。可以说高速区稳定及相位补偿很大程度上改进了离散转子磁链观测器中存在的中高速观测转子磁疗发散不收敛以及相位过于滞后等问题，尽可能的将离散的误差降到了最小化，并且满足了微处理器的计算量小的这一特点。
3地铁牵引电传动系统稳定性控制技术的研究
为了使得地铁牵引点传统系统的稳定性达到标准要求，我们就需要对离散模型的稳定性进行分析，一般来说们根据离散线性系统稳定性判断，离散时间线性系统会逐渐的进入到稳定的充分必要条件。对于离散磁链观测模型的稳定性程度而言，一般我们先利用函数来进行离散状态方程，然后对模型值的最大特征根来进行分析，并对转子磁链观测模型离散稳定性进行分析。一般来说当牵引电机全速范围趋近于2.0pu的时候，微处理器迭代计算的周期能够达到0.5ms，可以说离散迭代计算周期不管如何选择，转子磁链观测离散模型都难以保障其能够在全速范围内得到较好的稳定，而且随着迭代计算周期不断增大，转速会原来越高且稳定性会越来越差。基于此，我们要想保证地铁牵引电传动系统能够稳定性能够保持在较好的阶段，我们就需要对迭代周期进行控制，确保转速保持在一定的范围内，避免稳定性减弱。
4地铁牵引电传动系统的稳定性分析与控制
针对整个地铁牵引电传动系统的稳定性进行分析与控制系统直流网侧安装有滤波电感及支撑电容，以滤除高次谐波、稳定直流电压，并在牵引变流器发生短路时抑制短路电流。然而，其与相邻牵引变流器一异步电机系统将构成谐振回路，从而使得地铁牵引电传动系统在车辆运行过程中极易发生中低频段谐振，导致直流侧电压、电流以及异步电机输出转矩持续振荡，严重时频繁触发TCU故障保护，牵引变流器驱动脉冲封锁，对应动车牵引力丧失。目前，国内地铁TCU核心技术大都依赖外商，少有文献针对地铁牵引电传动系统稳定性问题展开研究。其中文献提出的斩波调压措施，将直接导致直流电压波形不理想;而文献中基于主动阻尼的稳定性控制策略则没有考虑牵引传动控制系统对稳定性的影响，且无法在车辆惰行工况下起到振荡抑制作用。为确保地铁牵引电传动系统稳定运行，并弥补现有稳定性控制策略的不足，本章试图通过对牵引电传动系统主电路进行建模，从理论上探索直流侧滤波器与牵引变流器一异步电机系统所构成的谐振回路产生振荡的机理。并在此基础上，综合考虑异步电机矢量控制以及地铁车辆防滑/防空转控制，完成直流侧输入滤波器-牵引变流器一异步电机系统建模，既而利用基于级联电气系统环路增益的稳定性分析方法，研究直流侧滤波器参数设计以及异步电机矢量控制对地铁牵引电传动系统稳定性的影响，从而提出一种基于阻抗匹配的稳定性控制策略。
结语
针对地铁牵引电传动系统主电路进行了详细分析，建立了系统综合线性化模型;利用基于级联电气系统环路增益的稳定性分析方法，深入研究了直流侧滤波器参数设计与异步电机矢量控制对系统稳定性的影响;提出了一种基于阻抗匹配的稳定性控制策略，通过实时调整牵引变流器一异步电机系统输入阻抗模型，实现了牵引电传动系统在全速度范围内、任何工况下的稳定运行。
参考文献:
[1]赵雷廷.地铁牵引电传动系统关键控制技术及性能优化研究[D].北京:北京交通大学,2014.
[2]孙大南.地铁车辆牵引电传动系统控制关键技术研究[D].北京:北京交通大学,2012.
[3]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,2006.
论文作者:池勇,刘昕,陈辉
论文发表刊物:《防护工程》2017年第34期
论文发表时间:2018/4/2
标签：电传论文; 系统论文; 地铁论文; 变流器论文; 稳定性论文; 转子论文; 模型论文; 《防护工程》2017年第34期论文;