并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)車組黏著利用的影響

高　翔， 張　波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)車組黏著利用的影響

高翔， 張波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

目前我國(guó)動(dòng)車組廣泛使用多異步電機(jī)并聯(lián)供電的動(dòng)力配置方案。為了傳感器和控制上的簡(jiǎn)化，牽引系統(tǒng)通常將多個(gè)并聯(lián)電機(jī)等效成單個(gè)電機(jī)來(lái)處理。但當(dāng)部分軸出現(xiàn)黏著利用問(wèn)題時(shí)，控制中的電流閉環(huán)會(huì)加劇牽引電機(jī)間的力矩分配不平衡；而采用轉(zhuǎn)速平均值作為控制標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，又會(huì)使已經(jīng)發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行的電機(jī)由于轉(zhuǎn)差率的差異而出現(xiàn)工作異?，F(xiàn)象。這些現(xiàn)象最終都有可能引起黏著利用惡化。針對(duì)并聯(lián)電機(jī)牽引系統(tǒng)中，傳感器簡(jiǎn)化和電機(jī)等效對(duì)動(dòng)車組黏著利用可能造成的后果進(jìn)行了分析。

動(dòng)車組； 黏著利用； 并聯(lián)電機(jī)

空轉(zhuǎn)和滑行等黏著利用問(wèn)題是軌道車輛在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。當(dāng)軌面黏著狀況較差時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速可能會(huì)嚴(yán)重偏離車體速度，無(wú)法有效傳遞牽引力或制動(dòng)力，并且可能會(huì)造成輪軌接觸面破壞，列車坡停、運(yùn)緩或制動(dòng)距離延長(zhǎng)等嚴(yán)重后果。

目前我國(guó)動(dòng)車組廣泛使用多臺(tái)異步電機(jī)并聯(lián)供電的動(dòng)力配置方案。并聯(lián)電機(jī)具有減少開(kāi)關(guān)器件、降低牽引系統(tǒng)質(zhì)量、減少傳感器、簡(jiǎn)化控制方式等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低動(dòng)車組制造成本。由于牽引系統(tǒng)中傳感器的簡(jiǎn)化，加之在控制中將多個(gè)并聯(lián)電機(jī)等效成單個(gè)電機(jī)來(lái)處理，當(dāng)部分軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)定向控制中的電流閉環(huán)(ACR環(huán)節(jié))會(huì)加劇牽引電機(jī)間的力矩分配不平衡；而采用轉(zhuǎn)速平均值作為控制標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，又會(huì)使已經(jīng)發(fā)生空轉(zhuǎn)的軸由于轉(zhuǎn)差率的不同而出現(xiàn)異常工作現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都會(huì)引起黏著利用惡化。

本文對(duì)并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)中電流閉環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)速度選取對(duì)黏著利用造成的影響進(jìn)行分析。

1　并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組牽引系統(tǒng)分為車控模式和架控模式，車控模式是指動(dòng)車上的1臺(tái)變流器驅(qū)動(dòng)4臺(tái)牽引電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而架控模式是指同一轉(zhuǎn)向架上的2臺(tái)牽引電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，典型的車控模式電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。牽引電機(jī)上各安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，每臺(tái)變流器的輸出端安裝有2個(gè)電流傳感器測(cè)量牽引電機(jī)總電流。

并聯(lián)電機(jī)控制的關(guān)鍵是使多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行并保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)較快的系統(tǒng)響應(yīng)，變流器控制通常采用磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，并在控制中將多個(gè)并聯(lián)電機(jī)等效成單個(gè)電機(jī)來(lái)處理，因此要求并聯(lián)電機(jī)的參數(shù)相同或盡可能接近，而電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速wr是由速度選擇器通過(guò)一定算法生成的，一般采用的平均值進(jìn)行控制。

2　ACR環(huán)節(jié)加劇并聯(lián)電機(jī)力矩分配不平衡

在動(dòng)車組的磁場(chǎng)定向控制中，控制系統(tǒng)根據(jù)司機(jī)手柄位置與車輛的運(yùn)行速度，分別確定電機(jī)牽引轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁給定，計(jì)算得到電流、電壓給定向量，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)定向坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，并進(jìn)行電壓矢量前饋補(bǔ)償控制。分別控制定子電流勵(lì)磁和力矩分量可以得到穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，這是磁場(chǎng)定向控制的優(yōu)點(diǎn)。為了使電機(jī)勵(lì)磁電流和力矩電流實(shí)現(xiàn)較快的電流響應(yīng)，控制系統(tǒng)通常會(huì)加入與實(shí)際電機(jī)電流分量進(jìn)行的閉環(huán)PI控制，而在高速時(shí)，PWM調(diào)制切換到1脈波調(diào)制方式后，電流閉環(huán)不再起作用，因此電流閉環(huán)計(jì)算環(huán)節(jié)將被切除。

采用并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組生產(chǎn)成本降低，控制模式相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要將多臺(tái)牽引電機(jī)看作一臺(tái)來(lái)進(jìn)行控制。但當(dāng)并聯(lián)電機(jī)中的一個(gè)或幾個(gè)發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)，其轉(zhuǎn)子頻率已經(jīng)異于其他電機(jī)，并聯(lián)電機(jī)間會(huì)出現(xiàn)力矩不平衡甚至于牽引電制發(fā)揮工況不一致的情況，造成輪軌間黏著利用不平衡。而由于ACR環(huán)節(jié)的存在，又會(huì)直接加劇這種不平衡。

圖2為CRH380A動(dòng)車組的防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員向軌道上噴灑減摩液制造低黏著狀態(tài)?？梢钥闯?，在Ⅰ時(shí)刻，2軸首先發(fā)生空轉(zhuǎn)，而此時(shí)動(dòng)車組的黏著控制沒(méi)有動(dòng)作，2軸牽引電機(jī)電流下降，其他牽引電機(jī)電流上升。緊接著4軸也發(fā)生了空轉(zhuǎn)，電機(jī)定子電流下降，1、3軸牽引電機(jī)電流繼續(xù)上升，直到Ⅱ時(shí)刻黏著控制動(dòng)作，逆變器電流迅速下降，2、4軸空轉(zhuǎn)得到抑制。在Ⅲ～Ⅳ時(shí)刻也發(fā)生了同樣的情況。表1為Ⅰ～Ⅱ、Ⅲ～Ⅳ區(qū)域各電機(jī)電流與平均值對(duì)比情況。

圖1　典型車控牽引系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

表1　各時(shí)刻電機(jī)電流與平均值對(duì)比

圖2　CRH380A動(dòng)車組防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程

定義is為定子電流，vs為定子電壓，ws為定子頻率，wr為轉(zhuǎn)子頻率，wslip為轉(zhuǎn)差頻率。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，對(duì)兩電機(jī)并聯(lián)的情況進(jìn)行分析，四電機(jī)并聯(lián)的情況類似，電機(jī)1和2通過(guò)下標(biāo)區(qū)分。

圖3　2軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)相量圖(不含有ACR環(huán)節(jié))

而當(dāng)牽引控制中有ACR環(huán)節(jié)，假設(shè)2軸發(fā)生空轉(zhuǎn)，1軸黏著狀態(tài)不變。定子電流矢量is不變。由于磁通變化很小，電流矢量的差值△is與無(wú)ACR環(huán)節(jié)的矢量控制電流發(fā)生的變化相同。這意味著沒(méi)有發(fā)生空轉(zhuǎn)的1電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流is-q_1增加而發(fā)生空轉(zhuǎn)的2電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流is-q_2減小。

可以看到，并聯(lián)電機(jī)中的一臺(tái)發(fā)生空轉(zhuǎn)后，如果不進(jìn)行有效控制，牽引控制中ACR環(huán)節(jié)會(huì)加劇牽引電機(jī)間的力矩分配不平衡，未發(fā)生空轉(zhuǎn)的電機(jī)力矩增加可能突破黏著極限，發(fā)生黏著破壞。

圖4　2軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)相量圖(含有ACR環(huán)節(jié))

3　標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速選取導(dǎo)致并聯(lián)電機(jī)異常工作

牽引系統(tǒng)在控制中將并聯(lián)電機(jī)等效成單個(gè)電機(jī)來(lái)處理，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速wr一般會(huì)選取各電機(jī)轉(zhuǎn)速平均值。當(dāng)動(dòng)車組施加制動(dòng)，動(dòng)車出現(xiàn)滑行時(shí)有可能各電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致，引起電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致并聯(lián)電機(jī)出現(xiàn)異常工作現(xiàn)象。

某型采用車控牽引系統(tǒng)的動(dòng)車組在進(jìn)行防滑行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一動(dòng)車上并聯(lián)的4個(gè)異步電機(jī)功率發(fā)揮存在異常工作的現(xiàn)象。如圖5所示，試驗(yàn)中動(dòng)車組施加7級(jí)復(fù)合制動(dòng)，初速度為160 km/h，同時(shí)試驗(yàn)人員向軌道上噴灑減摩液制造低黏著狀態(tài)。從圖5中可以看到，動(dòng)車組3、4位電機(jī)工作在再生制動(dòng)工況，而1、2位電機(jī)卻工作在牽引工況。

圖5　動(dòng)車組施加7級(jí)制動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出功率

從一車和三車的變流器輸出功率來(lái)看，動(dòng)車組在Ⅰ處施加7級(jí)復(fù)合制動(dòng)后，控制系統(tǒng)在Ⅱ處監(jiān)控到了滑行現(xiàn)象，立即動(dòng)作降低變流器輸出功率，抑制滑行的發(fā)生。此時(shí)3、4位電機(jī)發(fā)揮電制動(dòng)，1、2位電機(jī)處于牽引工況。圖5中Ⅱ、Ⅲ處同步頻率和各軸轉(zhuǎn)子頻率結(jié)果如表2，可見(jiàn)1、2位電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為正，3、4位電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)。

由于動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)空氣制動(dòng)和電制動(dòng)同時(shí)參與，各動(dòng)軸的黏著利用狀況又不同，各軸的轉(zhuǎn)速可能有很大差異?？紤]不同轉(zhuǎn)速差對(duì)各軸電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，圖6所示為異步電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性曲線，電機(jī)的機(jī)械特性曲線是指三相異步電機(jī)在輸入電壓與頻率一定的情況下電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系曲線T=f(s)。圖中，s在[0,1]區(qū)間時(shí)，電機(jī)處于牽引工況；s<0時(shí)，電機(jī)處于再生制動(dòng)工況。

表2　各時(shí)刻同步頻率和各軸轉(zhuǎn)子頻率

圖6　異步電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性曲線

假定并聯(lián)電機(jī)特性相同，當(dāng)各電機(jī)的轉(zhuǎn)子頻率由于滑行出現(xiàn)差異時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率也不相同，則相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩也不相等?？梢钥闯?，由于并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)的牽引系統(tǒng)在控制中采用了平均值作為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子頻率相差不大的情況下，各軸功率發(fā)揮差距不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)子頻率相差較大時(shí)，則可能會(huì)出現(xiàn)滑行程度較大的軸轉(zhuǎn)子頻率小于同步頻率we的情況，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差率有正有負(fù)，必然導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)有些處于牽引工況，有些處于再生制動(dòng)工況，功率發(fā)揮不一致。

4　結(jié)　論

動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)必然向著功率大、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高和低成本方向發(fā)展。具有并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)的牽引系統(tǒng)在控制動(dòng)車組成本、降低整車質(zhì)量、減少傳感器、簡(jiǎn)化控制方式等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)并聯(lián)電機(jī)牽引系統(tǒng)中，傳感器簡(jiǎn)化和電機(jī)等效對(duì)動(dòng)車組黏著利用可能造成的后果進(jìn)行了分析。并聯(lián)電機(jī)控制的關(guān)鍵是多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，傳統(tǒng)的并聯(lián)電機(jī)控制策略簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但在動(dòng)車組出現(xiàn)空轉(zhuǎn)滑行時(shí)，可能會(huì)加劇電機(jī)間的力矩不平衡甚至出現(xiàn)異常工作現(xiàn)象，造成黏著惡化。因此，在保證并聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單的前提下，提高牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，實(shí)施更加準(zhǔn)確的控制，更有效利用黏著是今后需要探索和研究的問(wèn)題。

[1]Michihiro YAMASHITA, Dr.Eng, Tomoki WATANABE.Re-adhesion Control Method without Speed Sensorsfor Electric Railway Vehicles[J]．QR of RTRI, 2005， 46(2)：85-89．

Influence Analysis of the Parallel Connected Motors Structure to EMU Adhesion Utilization

GAOXiang，ZHANGBo

(Locomotive & Car Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081, China)

At present, China EMU widely use the parallel multiple motors in power arrangement configuration. To simplify the sensors and control in the traction system, the parallel motor saretypically equivalent to a single motor. But when some axes haveadhesionutilization problems, the automaticcurrent regulation will exacerbate unbalance betweentraction motors torque distribution. Duetothe use of the average speed as a standard speed, themotorswill work in abnormal condition because of the slip difference when the adhesion utilization problem shave already occurred.These phenomena are likely to eventually lead to the deterioration of adhesion utilization. In this paper, the possible consequences of the sensors simplified plan and motor equivalent to EMU adhesion utilization are analyzed in parallel motor traction system.

adhesion utilization; parallel motors

1008-7842 (2016) 03-0130-04

男，助理研究員(

2015-12-18)

U264.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.29