高速铁路动车组牵引控制策略研究

＜电气开关》（２０１７．Ｎｏ．２）　７７　

文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１７）０２—００７７—０３　

高速动车组三电平ＰＷＭ变流器控制策略的研究　

刘红兵　

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲４１２００１）　

摘要：本文以ＣＲＨ２型高速动车组多电平牵引变流器为研究对象，将单相四象限变流器的瞬间电流控制策略和　ＰＷＭ控制方法相结合，提出了三电平逆变器空间矢量脉宽调制控制策略。通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台来研　究三电平牵引变流器在不同操作条件下的稳定性能，旨在验证该控制策略的正确性。　关键词：高速动车组；三电平；变流器；控制策略　

中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ｂ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ　Ｌｅｖｅｌ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｈｉ【ｇｈ　Ｓｐｃｃｄ　Ｔｒａｉｎ　

ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ－ｂｉｎｇ　

（Ｈｕａｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｕｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎｔｈｅ　ＣＲＨ２　ＥＭＵ　ｇｒｏｕｐ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｆｏｕｒ　ｑｕａｄ—　ｒａｎｔ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ，ｔｈｒｅｅ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｐａｃｅ　

ｖｅｃｔｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｌｅｖｅｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｉｓ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　

CRH2型动车组牵引系统电机控制策略研究 崔佳南

摘要：日系动车牵引电路基本单元装置有八台牵引电机，每台电机都是四级三相鼠笼式异步电机。而为了使电机能够良好的控制牵引能够使动车更加高效的运行，本文对该动车牵引电机控制策略进行了阐述，将动车中控制牵引系统功能模块的原理与作用进行了研究，这对于动车牵引技术的研究具有非常重要的参考意义。

关键词：日系动车；牵引系统；电机控制策略

动车组电机与普通电机存在较大的区别，其启动电流与转矩都较大，在加速阶段电机会处于励磁状态，这样能够使动车在短时间内获得额定的速度。日系动车组电机采用了间接转子磁场定向控制，这样可根据车辆的情况进行电机扭矩与励磁的给定，从而得到电压电流的定向量。不仅如此，其还要进行电压矢量前馈补偿等。由此可见动车组牵引系统电机的控制难度非常高，通过对其工作原理及各个模块的作用分析研究从而采取措施进行电机控制将会有效推动动车组的发展。

1.间接磁场定向控制原理

充分发挥电机的牵引功能需要获得良好的转矩动态响应，这样就必须采用高性能的电机控制策略，所以对动车组的间接转子磁场定向控制原理进行分析，对进行电机的控制起到重大作用[1]。感应电机采用的控制方式只能够进行定子电流的控制，加上电磁转矩是由气隙磁链和滑差频率所确定的，所以这就无法通过标量控制进行两物理量的解耦。而且由于滑差频率的变化会改变电机的动态转矩特性，这样交流调速将无法与转矩、励磁的直流调速相比。

2.动车组电机控制牵引原理

日系动车组通过间接转子磁场进行定向控制，这种控制方式具有两种牵引模式，牵引转矩给定与恒速控制，其需要计算定磁通与力矩[2]。当然牵引力的计算必不可少，通过电力限制和空转恢复黏着控制模块得到转矩，然后根据牵引的情况调整电机励磁水平，这样能够计算得出转子磁链值。通过与实际电机电流分量进行闭环控制能够得到电压矢量，最后结合直流母线的电压能够计算PWM的调制系数与电压矢量相位。

第２８卷增刊　２００８年１　２月　铁道机车车辆　ＲＡⅡＩⅥ，ＡＹ　ＩＤＣ０Ｍ　刀　Ｅ＆ＣＡＲ　Ｖｏ１．２８　Ｓｕｐｐｌ　Ｄｅｃ．２００８　

文章编号：１００８—７８４２（２００８）Ｓ一０１０９～０５　

ＣＲＨ２型动车组牵引系统电机控制策略研究　

任晋旗，葛琼璇，李耀华　

（中国科学院　电工研究所，北京１００１９０）　

摘要本文阐述了高速列车牵引电机控制的原理和策略，介绍了ＣＲＨ２型动车组电机牵引控制系统中功能模　块的作用与工作原理，进行了部分仿真研究，验证了相关结论。本文对高速动车电机牵引控制技术研究具有一　定的参考意义。　关键词ＣＲＨ２动车组；牵引系统；电机控制；磁场定向控制　中图分类号：Ｕ２６６．３　文献标志码：Ａ　

高速动车组通常采用感应电机作为牵引电机，因　

为感应电机具有转速高、转动惯量小，机械结构坚固　

耐用、牵引特性良好等优点。与普通电机驱动方式不　

同，高速动车组电机牵引具有一些特点：电机启动转　矩和电流较大，加速起始阶段电机处于过励磁状态，　

充分利用电机设计所允许的磁饱和范围和电流的短时　

过载能力，以获得较大的加速度，使车辆在较短的时　

间内达到给定速度。电机速度与电压逐渐协调升高，　

当达到变流器母线电压限制后，采取弱磁控制，以减　小电机的反电势（主要是动生电动势），以满足力矩电　

流需求。　

以ＣＲＨ２—２００型动车组为例，该型动车４动４拖　

编组包含两个牵引单元，分别由～套受电弓、一台变　

压器、一套高压电路设备以及两台ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ四象　

限变流器组成，每台变流器同时驱动４台电机，全车　

共有１６台牵引电机，电机额定电压２　０００　Ｖ、电流　

１０６　Ａ、输出功率３００　ｋＷ、额定转速４　１４０　ｒ／ｍｉｎ，额定　

工作点车辆速度约为２１０　ｋｍ／ｈｕＪ。　

ＣＲＨ２动车组电机采用间接转子磁场定向控制，控　

制系统根据牵引模式（牵引力矩给定／恒速运行）与车　

辆的运行速度，分别确定电机牵引扭矩和励磁给定，　

计算得到电流、电压给定向量，经过磁场定向坐标变　换实现电流闭环控制，并进行电压矢量前馈补偿控制。　

第３３卷第２期　２０１３年４月　铁道机车车辆　ＲＡＩＩ　ＷＡＹ　Ｉ　ＯＣ（）ＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．２　ＡＤｒ．　２０１３　

文章编号：１００８—７８４２（２０１３）０２—０００９—０２　

高速动车组牵引控制优化技术研究　

陆　阳，黄金，高翔，张波　（中国铁道科学研究院　机车车辆研究所，北京１０００８１）　

摘　要２０１１年科技部启动了以交通领域企业国家重点实验室为承担单位的“交通系统节能与优化控制技术基　础”９７３项目。中国铁道科学研究院动车组与机车牵引控制国家重点实验室承担项目中的“高速动车组牵引控制优　化技术研究”内容。随着高速铁路的快速发展，对高速动车组的性能提出了更高的要求。牵引控制系统是高速动　车组的核心，是其动力来源和运营安全的根本保障。现对高速动车组牵引控制优化的两个实际问题研究进展进行　介绍。　关键词９７３项目；高速动车组；牵引控制优化　中图分类号：Ｕ２６４．９　１　Ｕ２６６．２　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８～７８４２．２０１３．０２．０３　１项目概况　交通运输系统作为工业化过程中最具代表性的产　业之一，其生产和消费关系到中国新型工业化道路的几　乎所有方面：增长同效益的关系、信息化同工业化的关　系、高新技术产业同传统产业的关系、发展经济同生态　及环境保护的关系、产业发展同能源及资源消耗的关　系、制造业发展同包括金融在内的服务业的关系。交通　运输系统的发展关联着整个中国新型工业化过程，其自　身也必然在新型工业化过程中得到重塑和步入新的更　高的发展平台。以交通领域企业国家重点实验室为承　担单位的“交通系统节能与优化控制技术基础”９７３项　目实施意义重大。　牵引与控制系统是高速动车组、重载列车的核心技　术之一，是高速动车组、重载列车的动力来源和运营安　全的根本保障。动车组与机车牵引控制国家重点实验　室承担项目中的“高速动车组牵引控制优化技术研究”，　研究内容分为３个问题：系统控制优化、预测型黏着控　制、谐波抑制。本文重点介绍系统优化控制及谐波抑制　的研究进展。　２研究进展　２．１　系统优化控制　（１）研究内容　通过对牵引系统的优化控制，替代部分主电路硬件　的功能，达到和原有系统同样的控制效果，将减少车下　安装部件的质量。例如，通过控制算法的优化可以在保　证直流侧输出品质不变的情况下，减小支撑电容的设计　容量和取消二次滤波环节，以减轻整车质量，从而达到　高速动车组节能降耗的目的。动车组牵引系统主电路　结构改变后，需要优化牵引控制策略，将部分先进控制　理论与已有的牵引控制方式结合，利用一些控制方式的　有效组合，使牵引控制系统具有很好的动态响应和稳态　精度，增加乘坐舒适度。　ＣＲＨ。型动车组主电路结构中包含二次滤波环节，　因此其牵引变流器车下安装体积较大，如取消该滤波环　节，将大大减小牵引变流器的体积及质量。本项目以　ＣＲＨ。型动车组为研究对象，研究其取消ＬＣ滤波电路　后主电路参数的优化选取及牵引电机的优化控制。　ＣＲＨ。型动车组主电路结构简图如图１所示。