城市轨道交通交流牵引传动互馈试验平台的研究

城市轨道交通研究2010年城市轨道交通交流牵引传动互馈试验平台的研究吉正华 张慎明 濮卫兴 刘晓军(国电南瑞科技股份有限公司,210061,南京//第一作者,助理工程师)摘 要 随着城市轨道交通的迅速发展,地铁牵引交流传动特性研究已成为一个重要课题。

提出了一种新型牵引传动互馈试验平台。

根据互馈试验平台的构成和特点,研究了基于转差频率的互馈试验平台电机控制策略,并对互馈试验平台的动态过程进行分析。

关键词 城市轨道交通;牵引传动;互馈试验中图分类号 T M 921.2On Reciprocal Power fed AC Traction Drive Test Rig of Urban Rail TransitJi Z henghua,Z hang Shenming ,Pu We ix ing,L iu X ia ojun Abstract W ith the r apid dev elo pment of ur ban r ail transit in China,the r esea rch on pow er fed A C tr action dr ive has beco me an impor tant issue f or discussio n.T his pa per pres ents a new kind of r ecipr o cal pow er fed AC tr action dr ive test r ig.Acco r ding to its com po sitio n and char acte ristics,a contr o l str ateg y o f the r ecipr oca l pow er fed AC dr iv e test rig based o n slip f reque nc y is pr opo sed,the dynamic pr o cess of r ecipr oca l pow er fed A C tr action dr iv e test rig is ana lyzed.Key w ords ur ban rail tr ansit;tr action dr iv e;r ecipr oca l testFirst author s address N A RI T echno lo gy D ev elopment Co.,L td.,210061,N anjing,China在牵引动力中,交流传动机车具有以下优良性能:黏着利用率高,可以直接进行前进、后退、牵引、制动的转换;轴功率高,恒功率速度变化范围宽;采用异步牵引电动机,重量轻、体积小、寿命长,维护费用低,同时机车动力学性能好。

这些优点使得牵引动力传动交流化成为各国牵引传动领域的追求目标。

在当前城市轨道交通中,交流牵引的传动方式已经普遍采用。

为了更好地研究地铁交流牵引传动系统的运行特性、异步电机控制策略以及牵引传动系统对牵引供电系统的影响,需要建立功能齐全的牵引传动交流试验平台。

传统的牵引传动能馈试验平台利用输出直流电压,通过逆变器向列车异步牵引电动机供电;异步牵引电动机拖动一个直流发电机-直流电动机-同步发电机机组,同步发电机发出的电回馈电网(如图1所示)。

恰当地调节直流发电机、直流电动机和同步发电机的励磁,可以调节异步牵引电机的负载力矩,同时维持同步发电机输出的电压和频率,将电能返回电网。

但其缺点较明显:设备多,控制复杂,且容易出现超调,造成系统震荡;同时由于试验电机驱动的是直流发电机,转速受到换向器限制,难以试验交流牵引电机的高转速区段(而被测试的电机经常工作在高速状态)。

图1 传统的 能量反馈式!交流牵引传动试验平台因此,在分析现有交流传动试验平台利弊的基础上,根据对地铁和轻轨等城市轨道交通交流传动系统的研究,为更好地研究牵引传动系统以及制动能量的回馈,研究了一种新型的交流牵引传动能馈试验平台,以模拟各种运行工况。

∀54∀1 新型的交流牵引传动互馈试验平台的原理一种新型交流牵引传动互馈试验平台的结构如图2所示:由两套 变流器-异步交流电机!联轴背靠背组成;PWM (脉宽调制)变流器将三相电网交流电整流成直流电供给变流器A,变流器A 向电机#提供三相交流电,使其运行在牵引工况;电机#带动同轴的电机∃旋转,对变流器B 进行适当的控制,使电机∃作发电机状态运行,发出的三相交流电经变流器B 以整流器的工作方式变换成直流电,回馈到变流器B的直流侧。

图2 新型的交流传动互馈试验平台由图2可见,能量通过直流侧在电机之间互馈,此时电网只提供损耗的能量。

而当互馈试验平台作再生制动时,能量可以从直流侧通过PWM 变流器,经过并网控制技术回馈电网。

两台电机能量互馈,具有结构简单、控制灵活、调试方便、系统易稳定、能量利用率高、可以互换角色、能更有效地对不同控制策略的特性进行比较等优点。

该试验平台还可以根据机车牵引和制动特性进行牵引传动和再生制动试验,同时可以进行再生制动能量回馈电网的控制技术研究。

2 互馈试验平台的控制策略由上所述,本文研究的互馈试验平台不仅可以对交流传动系统做试验,还可以实现和研究电机的各种控制策略,以及电机各种控制策略的比较研究,故图2的控制策略1和2可以是转差频率、矢量控制和直接转矩控制三种控制策略之一。

由于转差频率控制的结构简单,易于实现,故在实际中应用很多。

同时,互馈试验平台需要控制电动-发电两种状态,转差频率在控制发电机模拟实际负载时,力矩给定直观快速,便于按照力矩特性曲线进行控制。

基于转差频率的控制策略框图如图3所示。

图2中的 控制策略1!和 控制策略2!的框图分别如图3(a)和(b)所示。

图3(a)表示互馈试验平台的牵引控制子系统,采用速度闭环控制,速度PI(比例-积分)调节器实现对牵引速度的调节;图3(b)表示互馈试验平台的负载控制子系统,电机转矩直接给定,以模拟列车运行时各种工况的负载。

图3 基于转差频率控制的互馈试验平台控制框图由图3(a)所示,对于牵引控制子系统,电机#的外环采用PI 调节器进行调节,速度手柄给定电机#的n ref 与电机#实际n 的差值作为速度PI 调∀55∀第11期研究报告城市轨道交通研究2010年节器的输入,速度PI 调节器的输出作为电机的转差给定值f sa ,即牵引力矩;则电机#定子频率f s 1为f s 1=f R +f sa(1)转子获得转速后,转子电频率f R 为f R =P n n 60(2)其中P n 为电极对数。

按照事先确定的v/f (电压/频率)曲线,由f s 1可计算出电机#相电压幅值U A ,作为变流器A 输出电压的依据。

按照特定力矩曲线给定直接作为电机∃的转差给定值f s b 。

它即代表负载力矩的给定,在力矩调节范围内,实现负载力矩的灵活调节,则电机∃定子频率为:f s 2=f R -f sb(3)其中,f R 具有和电动机同样的定义。

按照事先确定的v/f 曲线,由f s 2可计算出发电机的相电压幅值U B ,作为变流器B 输出电压的依据。

互馈试验平台的PWM 单元采用空间矢量脉宽调制(SVPWM ),根据输入直流测的电压值U dc ,两电机的定子频率f s 1、f s 2,两电机的定子电压U A 、U B ,调制出电机所需的电压和频率。

3 互馈试验平台的动态过程分析3.1 互馈试验平台的启动过程由图3可知,给定电机#的n ref ,速度PI 调节器输出电机#的转差频率f sa ,由于电机转子静止,可知变流器A 的给定输出频率f A =f sa ,电压为U A ;此时电机#获得一个输出机械转矩T A ,因而获得一个加速度,有开始旋转的趋势。

在控制变流器A 输出电压的同时,控制变流器B,使得输出到电机∃的电压和频率为U B 和-f s b 。

其中-f sb 是通过司机控制器直接给定的,但变流器B 电压的相序与变流器A 相反,这样电机∃获得与电机#相反的机械转矩T B ,即负载力矩。

由于电机∃的电压相序与电机#相反,也即磁势旋转方向相反,可以认为电机∃的定子频率是负值,电机轴上获得一个转矩 T :T =T A -T B =J P n d n dt(4)式中:n %%%转子电角频率;P n %%%电极对数;J %%%两电机联轴后的转动惯量。

电机轴上的力矩大小可以根据需要通过调节给定速度和给定力矩来进行改变。

调节给定速度n ref ,在速度PI 调节器的作用下调节转矩差 T ,由式(4)就可以得到所需的起动角加速度,互馈试验平台就可以顺利起动。

3.2 负载力矩不变,调节牵引速度负载不变,即维持电机∃的转差频率恒定。

当发出增加牵引速度指令时,即互馈试验平台的转速给定从n 1给到n 2,根据转速调节前后的差值,计算得到转速电频率的增量为 f 。

即把电机#原来的定子给定频率赋予新值f *s 1=f s 1+ f (5)当给定速度提高时,此时转速尚未改变,速度PI 调节器输出变大,电机#获得的转矩增大,电机#电流开始增加。

变流器A 的输出频率f *s 1和电压U A 增大,电机开始加速。

在加速过程中,转子转速n 在提高,电机#的转差频率在下降,新增加的转矩差也在下降。

在转轴速度提高的过程中,为了维持负载阻力矩不变,变流器B 的定子频率f s 2随转速的增加而增加。

当电机#的定子频率达到给定值时,转速达到新的速度给定值,电机#、∃的转差频率仍为原值,转矩回到原来的值,电流也回到原来的值。

电机∃的定子频率因为维持负载力矩要跟踪电机转轴的电频率,所以到了新稳态,电机∃的定子频率也增加了 f 。

电机∃因为转矩没有变化,所以电流没有改变。

新稳态时,两电机的电压和定子频率都增加了,变流器A 提供给电机#的功率增加了,电机∃输出给变流器B 的功率也增加了。

电机#在调节过程所增加电流获得的电能最后转化成了电机∃转子旋转的动能。

减速过程正好相反。

3.3 牵引速度不变,调节负载力矩当增加负载力矩时,设转矩增加量为 T L 。

根据电机∃增加转矩后的转矩与转差频率的关系,得到电机∃新的转差频率f *sb ,求得新的电机∃的定子频率f s 2=f n -f *sb ;电机轴上获得了一个减速的转矩差 T 2,电机∃开始减速,电机转速n 减少,速度PI 调节器输出的转差频率f s 1增加,则电机#的定子频率和转矩增加,这样就和负载力矩的新稳定值平衡。

而电机转速下降造成的电机#转矩增加部分,恰好给电机重新升速以一个加速度。

当电机转速回到原先给定值时,即新平衡点时,电机#的输出转矩和负载力矩相等,维持互馈试验平台转速不变。

减少负载阻力矩时的调节过程与之相反。

(下转第73页)∀56∀4 结语本文通过数值模拟与理论分析,研究了盾构隧道穿越成片民居过程中盾构主要施工参数的选取,并且结合监测数据分析盾构穿越施工的效果。