丁菊霞，蔣 奎

（1 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川峨眉614202；2 南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016）

CRH3型動車組牽引電機矢量控制策略研究與仿真*

丁菊霞1，蔣 奎2

（1 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川峨眉614202；2 南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016）

為了研究矢量控制技術(shù)在高速動車組中的應(yīng)用，以CRH3型動車組牽引電機為研究對象，分析其牽引、制動特性，闡述了轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的基本原理，建立了CRH3型動車組牽引電機轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制系統(tǒng)。并利用MATLAB建立了CRH3牽引電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，對牽引、制動工況進行了仿真分析。仿真的結(jié)果表明，搭建的模型正確，CRH3型動車組靜、動態(tài)性能均較好，從而驗證了CRH3型動車組牽引電機采用矢量控制策略的正確性與有效性。

CRH3型動車組；矢量控制；MATLAB仿真

CRH3型動車組是由我國唐山軌道客車有限公司和西門子公司合作生產(chǎn)的高速動車組，已廣泛應(yīng)用在我國軌道交通領(lǐng)域。目前，高速動車組均采用交－直－交傳動系統(tǒng)［1-2］，而牽引電機是其關(guān)鍵部分之一，因此，對動車組牽引電機控制策略的研究就顯得尤為重要。自1971年德國F.Blaschke率先提出矢量控制理論［3］以來，矢量控制已廣泛地應(yīng)用于交流電力機車和電動車組中［4］，但是，對矢量控制在CRH3型動車組中的應(yīng)用還研究很少。

針對CRH3型高速動車組，分析其牽引、制動特性，建立了CRH3牽引電機矢量控制系統(tǒng)，通過MATLAB軟件模擬了CRH3型動車組牽引、制動運行狀況，驗證了牽引電機矢量控制策略的正確性和有效性。

1 CRH3動車組特性分析

（1）CRH3動車組牽引特性曲線

CRH3為300 km/h等級的EMU，采用準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩恒功率牽引特性［5］，恒功率起始點速度為119 km/h，額定功率8 800 k W。CRH3動車組牽引特性曲線及轉(zhuǎn)子磁鏈曲線分別如圖1、圖2所示［5-6］。

圖1 CRH3動車組牽引特性曲線

圖2 CRH3動車組牽引工況下轉(zhuǎn)子磁鏈

從圖1、圖2中可以看出，CRH3動車組在牽引工況下可分為3個特性區(qū)，即在0＜v＜119 km/h時，動車組采用準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩、恒磁通控制；在119 km/h＜v＜175 km/h時，動車組采用恒磁通、恒功率控制；當(dāng)v＞175 km/h時，電壓達到額定電壓，采用弱磁恒功率控制。

（2）CRH3動車組制動特性曲線

CRH3動車組制動特性及制動工況下轉(zhuǎn)子磁鏈分別如圖3、圖4所示。

圖3 CRH3動車組制動特性曲線

圖4 CRH3動車組制動工況下轉(zhuǎn)子磁鏈

2 牽引電機矢量控制

（1）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理

轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制方程式為

式中Lr、Lm為轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子間互感；Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，且Tr＝Lr/Rr；p為微分算子；np為極對數(shù)；、ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈給定值、實際值；、Te為電磁轉(zhuǎn)矩給定值、實際值；、ist為定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值、實際值；、ism為定子電流勵磁分量給定值、實際值；ω1、ωs、ωr為定子角頻率、轉(zhuǎn)差角頻率給定值、轉(zhuǎn)子角速度。

從式（1）可知，當(dāng)給定電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈時，可計算出給定定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，同時計算出給定轉(zhuǎn)差角頻率，再由轉(zhuǎn)子實際角速度得到定子角頻率及轉(zhuǎn)子位置角度；通過坐標(biāo)變換將給定定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變換到三相靜止坐標(biāo)系上，即可驅(qū)動牽引電機。

（2）CRH3動車組牽引電機控制系統(tǒng)

CRH3動車組采用轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制，即轉(zhuǎn)差頻率矢量控制或磁場前饋控制［1-2，9］，控制框圖如圖5所示［7-8］。

該控制方案使用電壓源型SVPWM逆變器，運行時首先測量定子的三相電流ia、ib、ic，分別經(jīng)過Clarke變換和Park變換得到d－q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的ism、ist，而ism、ist就是作為系統(tǒng)反饋量的直流量；同時采用轉(zhuǎn)差頻率法計算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置角θ，即圖5中的角度計算模塊，得到的θ供Park變換及其反變換使用。通過給定動車組速度與實際速度作差得到速度誤差，經(jīng)恒速控制器后得到給定電磁轉(zhuǎn)矩，由式（5）計算可得給定轉(zhuǎn)矩電流，該電流與經(jīng)過3s/2r變換得到的實際轉(zhuǎn)矩電流ist比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到給定轉(zhuǎn)矩電壓；與此同時，實測速度經(jīng)恒速控制器中的轉(zhuǎn)子磁鏈給定函數(shù)發(fā)生器得到磁鏈給定，經(jīng)過運算得到給定勵磁電流分量與反饋電流ism比較后通過PI調(diào)節(jié)器即得到給定勵磁電壓。此時，、都是直流量，故經(jīng)過反Park變換得到、，輸入逆變器進行SVPWM調(diào)制，便可形成逆變器驅(qū)動信號，從而控制開關(guān)器件的通斷，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。

圖5 間接磁場定向矢量控制框圖

3 CRH3動車組牽引電機控制仿真分析

3.1 仿真模型及參數(shù)

按圖5搭建CRH3動車組牽引電機控制模型如圖6所示。其中，速度控制器采用雙滯環(huán)恒速控制策略［9-10］。

圖6 CRH3動車組牽引電機矢量控制仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

（1）牽引工況分析

在t＝0～1 s時，給定速度v*＝300 km/h，模擬動車組牽引工況運行，仿真波形如圖7～圖11所示。

圖7 動車組速度曲線

圖8 牽引電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩

圖9 實際牽引特性曲線

圖10 定子A相電流

圖11 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

從仿真結(jié)果可以看出，動車組速度響應(yīng)迅速，約0.4 s即達到給定速度300 km/h，之后速度平穩(wěn)；電機在0～0.4 s牽引階段按牽引特性曲線輸出電磁轉(zhuǎn)矩，準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩起動，恒功率運行，0.4 s之后速度穩(wěn)定，輸出電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，輸出電磁轉(zhuǎn)矩脈動很小，實際輸出牽引特性曲線與給定牽引特性曲線吻合；定子相電流在起動時較大，但0.4 s時即達穩(wěn)定，幅值約200 A，且相電流正弦度很高，轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡近似于圓形。

（2）制動工況分析

在0.7～1.5 s時動車組給定速度降為v*＝50 km/h，則動車組便從300 km/h開始制動，進入制動工況運行，仿真波形如圖12～圖15。

圖12 動車組速度曲線

圖13 電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩

圖14 實際制動特性曲線

圖15 定子A相電流

從圖12～圖15可以看出，制動時，動車組速度平穩(wěn)減小，1.1 s左右即降為給定速度50 km/h，電機也按給定制動特性曲線輸出負(fù)的電磁轉(zhuǎn)矩，使動車組減速，實際輸出制動特性曲線與給定制動特性曲線相吻合，轉(zhuǎn)矩脈動較小，1.1 s左右電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，即完成制動過程。從定子電流波形也可知，0.7 s時開始制動，由式（1）可知，給定轉(zhuǎn)差頻率為負(fù)，定子頻率減小且小于轉(zhuǎn)子頻率，轉(zhuǎn)子磁場拖動定子磁場旋轉(zhuǎn)，牽引電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。

從圖15定子電流可知，當(dāng)給定速度為300 km/h時，定子電流幅值約200 A，這與CRH3動車組牽引電機額定電流幅值205 A基本吻合。

4 結(jié)束語

針對CRH3動車組牽引電機，在分析其牽引、制動特性的基礎(chǔ)上，對其采用的間接磁場定向矢量控制策略進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，CRH3動車組可以在0～300 km/h速度范圍穩(wěn)定運行；將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行獨立控制后，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，且轉(zhuǎn)矩脈動較小，電磁轉(zhuǎn)矩在牽引工況和制動工況時能分別很好地跟蹤牽引、制動特性曲線；定子電流正弦度很高，且與牽引電機額定電流基本吻合，從而驗證了CRH3牽引電機矢量控制策略的正確性與有效性，說明矢量控制策略具有很高的靜、動態(tài)性能，是高速動車組的首選控制策略。

［1］ 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 宋雷鳴.動車組傳動與控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［3］ F.Blaschke.A new method for the structural decoupling of A.C.Proceedings of IFAC.1971：1-15.

［4］ 丁榮軍.現(xiàn)代軌道牽引傳動及控制技術(shù)研究與發(fā)展［J］.機車電傳動，2010，（5）：1-8.

［5］ 張喜全.列車電力傳動與控制［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［6］ 張川寶.高速動車組牽引傳動系統(tǒng)的研究與仿真［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［7］ 曲健偉，馮曉云，孫鵬飛，王春柳.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)計算［J］.變頻器世界，2010，（10）：57-60.

［8］ 曾允文.變頻調(diào)速SVPWM技術(shù)的原理、算法與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［9］ 馮曉云，王利軍，葛興來，李官軍.高速動車組牽引傳動控制系統(tǒng)的研究與仿真［J］.電氣傳動，2008，38，（11）：25-28.

［10］ 李官軍，馮曉云，王利軍，陳世浩.高速動車組恒速控制策略的研究與仿真［J］.機車電傳動，2007，（05）：12-14.

Research and Simulation on Traction Motor Vector Control Strategy of CRH3EMU

DING Juxia1，JIANG Kui2
（1 Emei Campus of Southwest Jiaotong University，Emeishan 614202 Sichuan，China；2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 Jiangsu，China）

Aiming at studying the application of vector control technology in high speed EMU，taking CRH3EMU traction motor as the study object，the traction and braking characteristics are analyzed，the principle of rotor field oriented vector control is expounded，and traction motor indirect rotor field orientation vector control system of CRH3EMU is established.Then，MATLAB simulation model of traction motor vector control system is established，and traction and braking mode are analyzed in the simulation.Simulation results show that the model built is correct，and it has good static and dynamic performance，which can satisfy its frequent start－stop，acceleration and deceleration，thus the correctness and effectiveness of traction motor vector control strategy in CRH3are verified.

CRH3EMU；vector control；MATLAB simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.04

1008－7842（2014）04－0020－04

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（2682013CX007EM）

7—）女，副教授（

2013－12－07）