牵引电动机无速度传感器带速重投解决方案

牵引电动机无速度传感器带速重投解决方案
熊成林;冯晓云;宋文胜
【摘要】为了解决无速度传感器交流牵引传动系统带速重投问题,在分析列车运行状态及牵引电机带速重投问题产生原因的基础上,提出了在列车正常运行中利用再生发电状态取代惰行工况的解决方案,并利用Matlab/Simulink仿真验证了该方法的有效性.以动车组CRH3和电力机车HXD3的参数为例,计算了该方案对列车速度和运行时分的影响.研究结果表明,相对于惰行过电分相,该方法对速度大于200
km/h的动车组造成的速度损失和时间损失均小于2％;对速度大于60 km/h的重载货运列车造成的速度损失和时间损失均小于7％.%In order to solve the problem that a traction motor may restart at unknown speed when a speed sensorless control system is applied in electric traction drives, a new strategy using regenerative mode to replace coasting mode is presented on the basis of analyzing the trains operating state and the root causes of this problem, and the effectiveness of this method is verified by numerical simulation using Matlab/Simulink. Taking the parameters of the electric multiple unit (EMU) CRH3 and the electric locomotive HXD3 for example, the influence of this strategy on speed and running time of the motor train is calculated. The results show that compared with those of passing the phase insulator under coasting mode, the loss in both of speed and running time is less than 2% for the EMU running at a speed more than 200 km/h, and less than 7% for heavy haul freight train running at more than 60 km/h.
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2012(047)005
【总页数】7页(P820-825,831)
【关键词】无速度传感器;惰行工况;再生工况;带速重投
【作者】熊成林;冯晓云;宋文胜
【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工
程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TM922.72
在交流调速系统中，为达到高精度转速闭环控制，须在电机传动轴上安装速度传感器.然而速度传感器的安装不仅导致系统成本增加、体积增大及可靠性降低，而且
系统性能易受工作环境影响［1］.在现有的电力牵引系统中，高性能控制技术同样依赖于速度传感器，而速度传感器却是引起机车故障的主要根源之一，不能满足传动控制设备对可靠性的要求.采用无速度传感器控制具有诸多优点，如可以节省安
装位置、提高传动控制单元的系统可靠性、降低成本等.因此，无速度传感器控制
技术成为交流传动控制理论和应用研究的热点.
在无速度传感器控制系统中，无速度传感器的转速估算方法主要分为两大类:第1
类是基于电机定子侧电压、电流信号的估算方法，主要包括:模型参考自适应法
［2-3］、转速自适应磁链观测器法［4-5］、扩展卡尔曼滤波器法［6］、神经网络法［7］和滑模变结构法［8］等方法;第2类是基于电机非理想特性的估算方法，
主要包括高频谐波注入法和转子齿槽谐波法［9-10］等方法.
当无速度传感器控制技术应用于轨道牵引传动时，由于轨道牵引的特殊性，必须解决若干关键问题，如过电分相后如何解决电机带速度(含长期惰行工况)重投、零速附近如何稳定发挥出额定转矩、低速发电状态如何保持整个控制系统的稳定性等.
带速重投是无速度传感器控制电力牵引工程化应用的关键技术难题.文献［11-12］中，提出采用初始转速自寻优算法解决过电分相后电机带速重投问题.文献［1］中对感应电机多种无速度传感器控制带速重投方法的优缺点进行了对比研究，且对电机在零频时的稳定性进行了分析.上述研究都是带速重投问题产生后提出的补救措施，不能从根本上解决带速重投问题.
目前，在我国引进的动车组 CRH1、CRH3、CRH5以及大功率交流机车中，为了保证过电分相时，辅助供电系统的不间断供电，采用了再生过电分相的方式.本文
在分析无速度传感器交流传动系统带速重投问题产生根源的基础上，提出了使用再生状态替代相关惰行状态的方法，保证在列车正常运行过程中牵引电机转速的连续辨识，从根本上避免产生带速重投问题.
1 列车运行状态
牵引电机的状态与列车的运行状态相关［13］.在列车运行中，列车运行的工况不同，作用于列车上的合力也不相同，单位合力可表示为
式中:
f、w、b分别为列车单位牵引力、单位全阻力、单位制动力.
由于3个力并不是同时作用在列车上，单位合力的组成按列车运行工况，有6种
情况.
(1)牵引运行
式中:
w0——列车单位运行阻力，由经验公式求得;
ij——坡道单位阻力，由线路决定.
(2)惰力运行
(3)动力制动
式中:
λd——动力制动使用系数;
bd——列车单位动力制动力.
(4)空气紧急制动
(5)空气常用制动
式中:
βc——常用制动系数，由制动机的减压量确定.
(6)动力制动加空气常用制动
牵引电机端处于有电状态时，牵引电机只能处于电动运行状态或者发电运行状态，对应的产生牵引力F或者制动力Bd，列车将处于牵引运行、动力制动、动力制动加空气常用制动状态中的一种，此时，采用牵引电机定子端电压和电流信号的转速辨识算法是可以正常工作的，能够正确辨识电机的转速.在惰力运行、空气紧急制动、空气常用制动3种状态下，列车牵引传动系统中的逆变器封锁脉冲，牵引电机处于无电状态，转速辨识算法无法继续正常工作，转速辨识错误.因此，在牵引
电机转速不为0的情况下，从无电状态向有电状态转换时，即列车速度不为0时，从惰力运行、空气紧急制动、空气常用制动任意一种状态向牵引运行、动力制动、动力制动加空气常用制动任何一种状态切换时，都会产生带速重投问题.
2 带速重投问题引起的后果及其解决方案
当列车带速重投时，由于列车是大惯性系统，一般感应电机此时还处于高转速状况，要求控制系统必须在电机有较高初速度情况下，立即投入工作.在带速度传感器的
控制系统中，由于转速可以准确得到，定转子磁链可以准确计算，重投过程中通过调整磁链控制环节即可保证成功励磁.在无速度传感器控制系统中，如果初始估计
转速和实际转速偏差太大，将使得重投瞬间无法成功励磁，通常会导致系统过流和过压保护，无法正常工作.
在列车运行过程中，牵引电机从无电状态向有电状态转换是带速重投问题产生的根本原因，这种情况对应于列车从惰行工况向牵引运行、动力制动、动力制动加空气常用制动的转换.这种转换通常会在以下情况发生:过电分相、长大下坡道、较高限
速向较低限速过渡.传统无速度传感器电力牵引传动系统过电分相或长期惰行时的
控制框图如图1所示.基于以上分析，本文提出了采用再生发电状态取代惰行工况，避免在列车速度不为0的情况下，电机从无电到有电状态的切换，从根本上避免
带速重投问题的产生.
图1 封锁脉冲方式Fig.1 Control flowblock of passing the phase insulator under pulse-blocking mode
2.1 过电分相
无速度传感器电力牵引交流传动系统过电分相时，受电弓必须降下，列车不能继续从接触网获取电流，要想保持电机端电压、电流连续，只能依靠牵引电机转入再生发电状态，利用再生发电过电分相，其控制框图如图2所示.
再生发电过电分相时的具体工作过程如下:
(1)牵引传动控制系统接收到外部过电分相的预告信号后，控制系统进行信号确认.
(2)在确认为进分相信号的情况下，控制系统控制牵引电机进入再生发电状态，该状态是由控制系统给出一个负的给定转矩实现的，并且该转矩的大小可以根据需要进行设定，设定的原则是:如果再生发电的能量不需要进行利用，只需要施加一个较小的负转矩，维持牵引电机的再生发电状态即可;如果需要给列车的辅助系统等供电，则施加一个较大的负转矩，使再生发电的能量供给相应的负载.
图2 再生过电分相方式Fig.2 Control flowblock of passing the phase insulator under regenerative mode
(3)列车以再生发电工况通过电分相后，控制系统会接收到一个反向预告信号，在确认为出分相信号后，牵引传动控制系统发出控制指令，退出再生发电状态，转入正常运行状态.
对于采用直交型辅助供电系统电路结构的无速度传感器交流牵引传动系统，可以使用较大的再生发电功率过电分相(再生发电的功率由辅助供电系统的容量决定)，既能实现转速的连续辨识避免带速重投问题，又能保证辅助供电系统不间断供电，提高列车的舒适度.对于采用交直交型辅助供电系统电路结构的交流牵引传动系统，在过电分相时，由于四象限脉冲整流器无法正常工作，牵引电机再生发电产生的电能无法由辅助供电系统利用，因此，只需要采用较小的制动功率，保证速度能够辨识出来即可.
2.2 长大下坡道、较高限速向较低限速过渡
列车运行在长大下坡道或者处于较高限速向较低限速过渡时，出现惰行工况，受电弓处于升弓状态(电分相区段除外)，列车可以正常受流.此时，能够取代惰行工况的有牵引工况和动力制动工况两种选择.为了安全起见保证列车不超速，应该选择动力制动.由于列车能够从接触网获取电能，不需要为辅助供电系统供电，同时，为了避免列车速度过快下降，只需要给牵引电机施加较小的制动力矩维持牵引电机处
于有电状态即可.
控制系统工作过程如下:
(1)牵引传动控制系统根据系统的控制要求计算出转矩.
(2)控制系统判断，如果=0，则列车进入惰行工况，控制系统控制牵引电机进入再生发电状态，通过控制系统给出一个负转矩实现再生工况，由于此时不需要将再生发电能量供给其他系统使用，因此，只需要施加一个较小的负转矩维持电机的再生发电状态即可.
(3)控制系统每隔一段时间进行计算并判断=0，进入再生发电工况;≠0，退出惰行工况.
3 仿真验证
采用转速自适应磁通观测器的速度辨识算法构造列车牵引传动系统模型，主要包括交流电源、脉冲整流器和逆变器.
仿真系统的额定参数如下:
单相交流电压UAC=1500 V;
中间直流电压Udc=2600 V.
牵引电机的参数如下:
额定功率PN=366 kW;
定子电阻Rs=0.144 Ω;
转子电阻Rr=0.146 Ω;
定子漏感Lls=1.416 mH;
转子漏感Llr=1.294 mH;
互感 Lm=32.831 mH;
极对数P=2;
转动惯量J=460 kg·m2.
仿真系统在t=180 s断开交流电源，t=195 s恢复供电，模拟过电分相的过程，
仿真结果见图3.
图3 惰行及再生方式仿真结果Fig.3 Simulation results of coasting mode and regenerative mode
设定牵引电机给定转速为411 rad/s(对应速度为200 km/h)，仿真系统在t=180
s时封锁整流器和逆变器脉冲，t=195 s时恢复供电，模拟传统过电分相或长期惰行方式，仿真结果如图3(a)所示.
从图3(a)可以看出，在传统的控制方式下，由于过电分相(长期惰行)需要封锁逆变器脉冲，因此，定子电压输出为0，定子电流经过震荡后也变为0，导致依靠电压、电流信号估算的转速不正确，系统在封锁脉冲和重新上电时有很大的电流冲击.
采用本文提出的方法对同样的仿真系统施行以下控制:仿真系统在t=180 s封锁整
流器，同时给牵引电机施加-150 N·m的转矩(过电分相时由牵引电机发电供给辅
助供电系统)，使牵引电机进入再生发电状态，t=195 s时转入正常状态，仿真结
果如图3(b)所示.
从图3(b)可以看出，控制系统在过电分相过程中仍然能够正确的辨识转速，系统
没有大的冲击转矩，不存在带速重投的问题.
4 再生过电分相对列车性能的影响
采用再生发电状态取代惰行工况，将对列车的运行性能产生影响.本文以对列车影
响最大的工况，即再生且为辅助供电系统供电的方式进行分析.
再生过电分相时，列车处于动力制动状态，以平直道为例，列车的单位合力为
此时，动力制动力的大小由辅助供电系统的容量决定.
设需要给辅助系统提供的单位再生功率为Sf(kW/t)，列车的运行速度为v(km/h)，额定状态时列车齿轮传动效率ηg=0.940，牵引电机的效率ηm=0.950，逆变器的
效率ηinv=0.985［14］，则列车需要施加的单位制动力为
4.1 高速动车组
再生过分相时，单位再生功率由辅助供电系统的容量和列车的重量决定，CRH1、CRH2、CRH3和CRH5的技术参数如表1所示.
高速动车组运行速度在200 km/h以上，最高可达350 km/h，我国正在研发的新一代高速动车组速度高达500 km/h.与之配套的客运专线设置的电分相区间长度
一般为400 m.采用自动过电分相时，要在分相区的两端外侧一定距离设置预告点，因此，采用再生过电分相时，无电区在400～800 m之间，取800 m;再生功率取最大单位制动功率为 2.5 kW/t.
以CRH3的参数为例，进行分析计算.
CRH3的单位阻力公式为
w0(v)=7.75+0.062367v+0.00113v2.
则CRH3通过电分相的单位合力为
在不同的进分相速度vi下，采用惰行和再生过电分相时，所需时间tf、出无电区
速度vo的计算结果如表2所示.
从上述结果可以看出，动车组惰行过电分相与再生过电分相计算结果相差很小，与文献［15］给出的数据相符.
表1 和谐号动车组技术参数Tab.1 Parameters of CRH车型辅助供电系统持续功率/kW列车额定总重/t单位制动功率/(kW·t-1)CRH1680 474.00 1.4346 CRH2 900 408.50 2.2032 CRH3 800 524.27 1.5259 CRH51250 500.00 2.5000
表2 动车组惰行及再生过电分相计算结果Tab.2 Calculation result of coasting mode and regenerative mode for CRHvi/工况(km·h-1)惰行tf/s vo/(km·h-1)
再生tf/s vo/(km·h-1)200 14.53 196.62 14.62 193.90250 11.61 246.12 11.65 244.40300 9.67 295.60 9.69 294.40350 8.29 345.05 8.30 344.18500 5.80 493.37 5.80 492.94
4.2 重载货运列车
我国HXD系列重载货运列车技术参数如表3所示.普通铁路接触网供电系统中性区的长度一般为270 m.采用自动过电分相时，还必须加上强制分段区和预告区，因此，采用再生过电分相时，再生的距离应该在250～650 m之间，取650 m;再生功率取最大单位制动功率0.1 kW/t.
以HXD3的参数为例，进行分析计算.
根据HXD3电力机车的基本阻力以及滚动轴承重货车的基本阻力，可以得出机车在牵引5000 t货物时，整列车的单位阻力为
HXD3通过电分相的单位合力为
在不同的进分相速度vi下，采用惰行和再生过电分相时所需时间tf、出无电区速度vo的计算结果如表4所示.
表3 HXD系列重载货运列车技术参数Tab.3 Parameters of HXD heavy haul freight train车型辅助供电系统持续功率/kW列车额定总重/t单位制动功率
/(kW·t-1)HXD2270 5200 0.05192 HXD3400 5150 0.07767
表4 货运机车惰行及再生计算结果Tab.4 Calculation result of coasting mode and regenerative mode for HXDvi/工况(km·h-1)惰行tf/s vo/(km·h-1)再生
tf/s vo/(km·h-1)40 60.55 37.30 62.55 34.7860 39.74 57.76 40.09 56.7480 29.64 77.88 29.75 77.32100 23.65 97.87 23.70 97.51120 19.68 117.79 19.70 117.55
从上述分析计算可以看出，不论是高速动车组还是重载货运列车，采用再生过电分相与惰行过电分相相比，列车运行时分和速度都无特别大的影响，并且速度越高影响越小，说明过电分相时采用再生工况取代惰行工况是可行的.对于长大坡道或者
从较高限速向较低限速过渡时，与再生过电分相的情况相比，对列车的影响更小，因此也是可行的.
5 结论
(1)本文提出的在列车正常运行过程中利用再生发电状态取代惰行状态的方案，可
以避免列车在运行过程牵引电机无电到有电状态的切换，保证牵引电机端电压、电流信号的连续，使控制系统能够进行连续的转速估算，从根本上避免了无速度传感器交流传动系统带速重投问题的发生，仿真结果验证了该方法的有效性.
(2)以动车组CRH3和电力机车HXD3的参数为例，计算了该方案对列车性能的影响，结果表明:相对于惰行过电分相，该方法对速度大于200 km/h动车组造成的
速度损失和时间损失均小于2%;速度大于60 km/h的重载货运列车速度损失和时间损失均小于7%.
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