维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年第3期 2006‘#5月1O H 机 ’ IU f‘ 动 №3.2006 May 10.2006 城市轨道车辆 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 作者简介:刘可安(1971一). 男,高级工程师,从事变 摘要:对主电路振荡这一地铁车辆交流传动系统开发中的难点问题进行分忻,利用交流传动 卜 流传动控制方面的科研开 实物仿真平台进行了研究,并将研究结果用于同产地铁车辆和北京地铁电动客车项 ,取得了很好的 发工作 效果。 关键词:地铁车辆;交流传动系统;主电路振荡;抑制 中图分类号:U266.2 文献标识码:A 文章编号:1000—128X(2006)03—0048—06 Study on Main Circuit Oscillation Impression of AC Drive System for Metro Vehicles L1U Ke-an,GAO Shou-cong,LIU Chen,FENG Jiang-hua (Technology Center。Zhuzhou CSR Times Electirc Co.,Ltd.,Zhuzhou。Hunan 4 1 200 1。China) Abstract:The problems of power circuit oscillation are analyzed during the development of AC drive system for metro vehicle.Studies ale done with semi—practical AC-drive simulation platform.The study results are adopted for the localizated metro vehicles and metro vehicle orBeifjingandwiht good results. Key words:metro vehicle;AC drive system;power circuit oscillation;impression 0 引言 地铁因具有运量大、速度快、乘坐方便、对环境污 1 交流传动系统主电路 地铁车辆一般采用亢流供电,有DC 7 50 V和 染少、占地面积小等诸多优点而受到越来越多城市的 青睐,发展迅速。继北京、上海、广州等城市地铁的投 入使用,我国有许多城市也正投入建设或在策划修建当 中,发展前景广阔。 目前,国内运用的地铁车辆交流传动系统基本采 用西门子、庞巴迪0i菱、口立、东洋等公司的电传动 系统。而周产地铁列车和北京地铁电动客车采用的是 株洲南车时代电气股份有限公司自主研发的交流传动 系统。 DC 1 500 V 2种电, 等级。地铁车辆交流电传动系统由 高压电器、线路电:吭器、牵引逆变器、传动控制单元 (DCU)、异步牵引电机、制动电阻等主要部件组成。系 统通过控制和变流.将输入的直流电能变换成变频、 变压的:_二相交流电,供给异步牵引电机.实现对异步 牵引电机的控制,从而实现机电能量转换.达到调速 目的。 1.1 主电路原理 基于地铁车辆电传动系统主电路自身的特点,牵 引逆变器输出频率的特定范同段容易引起主电路振 荡。主电路振荡是在丌发地铁车辆I司产交流传动系统 地铁车辆交流传动系统主电路一般采用两点式电 型直 交逆变电路,如 l的北京地铁电动客车主电路 原理 。直流电源从第 轨经受流器进高压母线,到 高压电器箱[高压电器箱中有:高压开关(M Q S、 MQF)、充电接触器(KM l】、KM2 1)、短接接触器 (KM01)、放电接触器(KMl】、KM22)、充电电阻(R01)、 的过程中遇到的主要问题之一,本文对此进行分析与 研究。 收稿日期:2005—12—05 48一 放电电阻(Rl】、R21)] 再接到2个线路电抗器(Ll、L2), 每个线路电抗器分别对心牵引逆变器2个独 的逆变 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3 刘【]r安,高 聪,3 ̄iJ 晨,冯江华:地铁乍辆变流传动系统主}U路振荡抑制研究 同1 北京地铁电动客车主电路 理 模块单元,缚个单元驱动2台并联的 卡}{交流异步牵f1I 电机。每个逆变模块 卡廿有6个逆变IGBT元件和一相 H产地铁电传动系统的LC沽振频率为26 Hz,地向 试验和装车后的试验中发现逆变器输出频率为1/3倍 谐振频率和所有r谐振频 成整数倍的地方,当输m 功 钙较大时,都会振荡起来,振荡甚至是发散的,直至 只有f 管的斩波IGBT元件 通过斩波管将制动电阻接 人中『白J直流电路,用于制动斩波和瞬}I、f过电压斩波。 北京地铁电动客车主电路摹本参数: 滤波电感L1、L2 支撑电容CI、C2 输入电压 DC 750 V(500 V~900 V,制动时不高。r1 000 V) 5 nlH 直流过流(『}1于有直流过 斩波.故不会过 保护) 北京地铁电动客车的LC谐振频率为1 9 7 Hz,振荡情况 稍微 ,其容易发生振荡的范 主要是电机由VVVF 恒磁通转换剑恒电压弱磁的方波点前一段。 …主电路振荡的成因以及埘 产地铁、北京地铁 电动客车试验中振荡现象的分析,主电路振荡的抑制 13 mF 额定输出容量 输m电 输出频率额定输出电流 控制方式 2×450kVA 0~585 V 0~160 Hz 2×440A 直接转甜 制 可从优化主电路的滤波电感、支撑电容参数和优化控 制两方面着手。 2振荡抑制研究 2.1 研究平台 相交流异步牵引电机 1.2主电路振荡分析 小时定额1 80 kW 利用交流传动系统半实物仿真半 进 主电路振 荡抑制的研究。 仁实物仿真也称硬件在 路仿真,它 是一种置信度最高的仿真形式,_口丁以对所设计的控制 器进 宴时测试验证。如 2,半实物仿真系统主要由 主机、dSPACE实时仿真器、I/O搂广I机箱、DCU等构成: 其中主机主要完成系统建模、程序下载、在线调参及 逆变器供电的传动系统住直流环节产生很宽频带 的谐波。逆变器谐波分量的次数和大小,取决于逆变 器的凋制方法。在直接转矩控制系统中,逆变器的开 关作用是直接F}1磁链和转矩的滞环调节器产牛的。直 流环节低次谐波的频率主要是 和1 ( 为定子频 率) 研究表明,这些}}l}波是m:f电机兀功电流分龄的 波动而引起的,而后瞢又是六边形定子磁链轨迹带来 的结果。 主电路滤波电感和支撑电容组成的LC电路,潴振 1 频率J ,逆变器输l{J频率范l韦I为o~160 Hz。当 逆变器输出频率为f/3和 ( =1,2,3,4,5)左右或转矩和 磁链脉动较大的情况下,以及电机南VVVF恒磁通到恒 电压弱磁的转换点附近,直流电路的LC电路最容易受 到谐波激励而振荡起来。 {}I 2 交流传动系统牛实物仍真系统 维普资讯 http://www.cqvip.com 2006伍 数据显示等功能;dSPACE实时仿真器硬件具有各种I/ 得到不同组参数的:苣流电压、直流电流波形。 O接口,可以输出DCU需要的各种物理信号,同时,也 2.2.1原电路参数 可以根据相应模型计算出从DCU输入的物理信号;I/O 将北京地铁电动客车交流传动系统主电路LC的设 接口机箱主要完成dSPACE实时仿真器和DCU机箱之 计参数值5 mH、1 3 mF输入仿真模型,得到仿真波形如 间的信号接口,使两者信号兼容;DCU就是所设计的 图3所示。 驱动控制系统,也就是半实物仿真系统中的实物,是 可以看到电压振荡主要出现在45(k*定子频率)附 本次试验的对象。 近,且振荡电压的最大峰峰值可达200 V以上。 试验时,给定为满手柄最大力矩,通过改变半实 2.2.2增大电容值 物仿真系统的负载来改变速度,这样,速度和转矩特 增大支撑电容值,将仿真模型的LC参数分别设为 性为牵引特性的最大包络线。通过试验观察全速度范 5 mH、20 mF时,得到仿真波形如图4所示。 围的直流电压、直流电流振荡情况。 可以看到增大电容值后,谐振频率减小了,振荡 2.2主电路参数对于振荡的影响 主要出现在40附近,并且振荡电压的最大峰峰值明显 在试验中。改变半实物仿真模型的主电路LC参数, 地减小到了140 V以下。 Left:-lo+308.Right:-1e+308,DeltaX:O L ̄ft;-1 ̄+308。Right:-1 ̄+308。DeltaX:O 一-. 鼋蓝档鞲 一・一 一一 q 一…… _一。’ 飘 一■1■。。 ’■■一 40 速度系数 5O 6O 7O 8O 2O0 11 lO0 O 脚 .馒 1O0 锄 -2OO -3OO .4OO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 lO 2O 3O 40 50 60 70 8O 速度系数 速度系数 3 北京地铁电动客车片{没汁LC参数的仿真波形 Left:.1 ̄+308,Right:1 ̄+308。D ̄ltaX:0 Left:一1 ̄+308,Right:-Ie+308,DeltaX:0 90o > !800 … : … … ……… ‘- ……’ … … 脚 — ——… 堰 一 : 一 一 涮700 …… ・ ll ……… ……… … ]. Il……0.… ■一 : ’i ; 6o0 40 5O 6O 70 80 速度系数 1 、 堰 L ..■I 凳 脚 1 萱 懈 脚 2.2j增大电感值 制动能量和抑制瞬时过电压 也可以用斩波束抑制主电 增大滤波电感值,将仿真模7 的LC参数分别设为 路振荡,jl{榆测判断到电容电爪发生振荡fI、f’)1:邋斩波 8 mH、13 mF时.得到仿真波形如『l皋】5所示。 管,使能量经斩波管从制动电阻流通,卡}{当于在原来}}!} 町以看到增大电感值后,潴振频率减小r,振荡 振的LC电路的电容 并联・个斩波电阻,}{:!}振被破坏, 主嘤出现在37附近,但相对于原参数而言, 但没有 从而达到不让振荡发散的目的。如 6为仿真试验波形, 改善。振荡电压的最大峰峰值反而升到_r 250 V左右 参数为5 mH,13 mF。埘比』二述原参数试验波形,可以看出 2.3传动控制对于振荡的影响 直流电压的 大振荡峰峰值叫显减小到r 140 V以下。 2.3.1斩波 陔仿真结果说明,采用斩波措施抑制电爪振荡, 地铁车辆交流传动系统电阻斩波的主要作用是消耗 足行之有效的。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘Flf鸯.1 聪.刘 晨,冯汀华:地铁车辆交流传动系统 l乜路振荡抑制研究 ㈣ Left:・1 ̄+308.Right:le+308.DelteX:0 900 》 彻瑚。枷枷㈣ Left:・le+308。Right:・le+308.DeltaX:0 出800 脚 枷700 主 .II ■ _ -丌1. - 10 20 30 40 600 0 速度系数 1 器 饕 J. J▲ 1,_ 罔5 北京地铁电动锌 增大滤波电感值的仿真波形 LeR:一0.O01e.Right:58.1208,DeltaX:58.122 900 》 Left:一le+308,Right:58.1208,DcltaX:1e+308 : 出800 脚 量蘑辎媾 … --L——一  ̄-J J.m —■_____… ; 40 量萱鲻辑 播700 … ・’ w-I g■■■…… 速度系敬 堰 螭 0 10 20 30 40 50 60 70 80 L. l . . . 0 10 20 30 40 50 60 70 80 速度系数 速度系数 割6 北京地铁}乜曲.牟^1加八斩波控制的仿真波形 2.3.2功率凋 通过埘f乜机功率的调 完成埘振荡的抑制 具体 措施足.变时检测I乜容} 压和网 , 榆测到lb容lu 爪向商处波动}I1『,J】u大功率补偿;、j{检测到电容电爪 向低处波动时,减小功率补偿. 这种 ‘法在北』j 地铁 l乜动客车的实际应用巾取得f-很好的效果 2-3-3磁链优化 前述的试验结果,均是存采川直接转矢} 控制的六边 形磁链轨迹控制方式下得 的 大家 道,六边形磁链 变流器 件丌关频率/f 够离的情况下,累加存 流环 的惜波频带宽…憾值大.是引起 流电 惜振的苇兽原 冈 冈此,为了减小眭 }『li除特定次数的 波,采用r 折角调制片法。即所 的_l卜八边形磁链轨迹控制力 式 研究表明,采J{]折m控制厅式以后,很宽 带 的各次 波幅值被大大削弱 ‘,琏波巾^j仉电略仃减小 根据试验.如果选用适 1的折角系数,完个可以消除 预定次数的i 波.、本文试验结果 征叫,采用折角调 制方式,激起 振的 波幅值被降刮很小,『』I】 7昕 爪, 振电』 的最大峰峰值电相应减小了很多 轨迹控制力试的主要不足之一就是谐波。。t-富,特别皓 ————————— ——— —————蝌 —————————————— ————————— 倒 删 鲥—————————— 衙船 盟 卿捌黝… 矾 确赫 弼粥瑚黜 l 》 980‘ i摇700 200 … ;L0cf t:-JiLe ̄ T.0-8I Right: .1e+308 DeraX:0 I1 ’ ■’ ’_ ’ 50 ; l 60 -10 20 30 40 60 0 80 速度系数 LCR:1c}3O{ lx ̄gnu .} l一 一 ● 1e+30T’ ^lgⅡ 一l 髫一.24…0o 0 10 20 30 40叮 ▲ 蓬J5 060 70 80:. 量媾 ●’ o 10 20 30 40 50 6O 70 80 ■I1— 07,-I直510手流.搋0龟_ 1日I'_ ̄ 同7 _I匕京地铁电动召 -禾川I 八边}f_;倌簋钳轨迹控制仿A波彤 维普资讯 http://www.cqvip.com 3振荡抑制措施的应用 3.1 调整主电路参数 不采取任何抑制谐振的措施,弱磁阶段的主电路谐振 也得到r有效抑制。 调整主电路参数后,虽然弱磁阶段的电压谐振得 到了很好的抑制.f 弱磁之前的某些频 段仍『n存在 该措施在日产化地铁列车上得到_『成功应用..fJ1 于国产化地铁列车原丰电路参数的谐振频率偏离,在 VVVF的弱磁阶段仍能激起发散的直流电门 振荡,导致 过流过爪等保护。根据仿真试验结果( 8为 产地铁 较大的谐振。依然能够导敛商流过流等严重保护,使 牵引传动系统无法 常T作..如I颦19所示为北片 地铁电 动客车实测波形,示波器CH1通道为直流电压波形,每 交流传动系统弱磁阶段仔在电压振荡仿真波形),重新 确定了主电路参数值。寅际应川情况证实了仿真试验 格对应2 V/300 v;CH2通道为直流电流波形,每格对 1 V/60 A( =r爪波器髓稃设置问题,部分电流波形未 能显示出来)。 的正确性,应用仿真结果确定的LC参数, 使控制l 2 己1 拳t 嘱1 毋酋 蝽 删1 l 40 速度系数 抖:一. :十jI)gll 童 f ∞‘ l试 O 1O 2O 3O 40 50 60 70 8O 速度系数 速度系数 8 IKI产地铁交流传动系统弱磁阶段 在电 摭荡仿直波形 罔9 北京地铁电动客车末采取任何措施的 漉电 电流波形 南实测图可以明显看出,某些速度段的电压振荡 幅度还是很大的, 示时刻的电压振荡峰峰值最大可 达600 V 上,在这种情况下实现牵引系统的正常『 作 3.3加入功率调整措施 功率调整措施也应用到了北jj 地铁电动客车和I 产地铁列车项目上,并取得了很好的效果。如 1 1所 示为北京地铁电动客车实测波形,很明显,大部分阶 几乎不可能。因此,在控制策略 采取了相应措施米 抑制这种振荡。 3.2加入斩波措施 段已经看 出来存在电压振荡,只是在VVVF r况转换 前后ffI现一些直流电压的波动,们波动幅度已经彳}{小 斩波抑制振荡措施在北京地铁电动客车和闫产地 铁列车项日上都得到了应用,并取得了令人满意的效 果。如图10所示为北京地铁电动客车实测波形,峰管 了 这种T况转换期问的直流电 波动是在所难免的, 埘车辆的正常运j 不会造成不利影响. .此时直流电压波形仍不够理想,但已经抑制r振荡的 发散,不会再出现直流过流等保护现象。 4 结束语 北京地铁电动客车已经在北京地铁1 3弓・线线路上 维普资讯 http://www.cqvip.com 之趟 肄 鲻糕 、煨 醒恻唇£b 之斟硼饰 燃糕 、煨硼醒埘屋£b 第3划 划uJ 戈.高 聪,刘 晨, 汀华:地铁7i 辆交流传动系统主电路振荡抑制 :究 m 8 6 4 2 .m 7 5 2 m ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ m∞如∞如0如∞如∞ O 0 0 0 0。星∞ 咖删删咖0勰 黔 0∞∞∞姗 珈 、-, -,、一^ ~^一^、, ^^ ̄ 、_W ^M X,W ^^^ 1I,、一’^ ,-^门 ^,、.-,、 ^『、,州 ……—。。■ — ^ - . _,、 八人J 、J^^^ ^^^, ・一^^ ^,、^, I,、^I^ ,、^^, \,、一^ -,、-,、 V、 V V-1, 引1 0 』七京地铁I 动 乍_『JI1斩渡控制后 1:流电H 电流波形 — ’-^ 1 1 rl匕京地铁电动 加功率 1 屙} 流电 电流波彤 顺利完成了 式试验,即将投入商业运营。『_闩产地铁 地铁列车电传动系统地面试验之后,所以最终的程序 列车也已完成出厂试验,即将存北京环形铁道进行掣 没有采用这种优化磁链的 ’式 Ej前I卜在研制的其他 式试验。试验结果表明:通过I 述抑制振荡措施的综 地铁车辆交流传动系统将优先采用磁链优化方式 合运用,北京地铁电动客车和吲产地铁列车在各种运 行r 况和伞速度范『韦1内的卞电路振荡得到有效抑制. 参考文献: 取得了较为满意的结果。 『1]J1荣年,陈 史光.地铁乍辆川交流传动系统设汁【J J机车电 在各种抑制地铁车辆交流传动系统主电路振荡的 传动,2001(5):17—19 措施中,主电路选取合理的滤波电感、支撑电容参数 [2 J fl】J 晔,海邯君,施青松.『 产交流传动地铁列车【J].机_午 电传动.2003(6):36—39. 和控制上优化磁链轨迹最为重要。 于十八边形磁链 [3]刘 晨.士秀利,冯汀华.陈商华.半 物仿A环境卜人功率 直接转矩控制开发成功是在北京地铁电动客车和旧产 逆变 建模的补偿薜=法f J].饥车电传动.2005(4):7 9 动态消息 江苏)第1台电力机车. .按照铁道部规划,京沪、浙赣、沪}屯线部将在今年完成 电气化改造 电气化改造后铁路的设计时速将达到200 km, 上海铁路局有了第1台电力机车 考虑到中逢站点停靠等因衷。预计届时杭卅『到上海的时间将 缩短到90 arin以内. 沪抗铁路电气化改造是长江三角洲地区 3月3日,554型1036号货运电力机 苹抵达上海铁路局杭 第1个电气化建设项目,完成后,单机车牵引能力将从现在 州电力机务段,成为我国经济发达的长江三角洲区域第1台 的3 500 t提高到4 000 t,行车间隔减少到6 rain,曰均通车量 电力机车 这也是上海铁路局管内(包括浙江、上海、安徽和 则从目前的180对增至240对 (朱一迪) 一53一