CRH3型动车组牵引电机矢量控制策略研究与仿真*

丁菊霞，蒋 奎

（1 西南交通大学 峨眉校区，四川峨眉614202；2 南京航空航天大学，江苏南京210016）

CRH3型动车组牵引电机矢量控制策略研究与仿真*

丁菊霞1，蒋 奎2

（1 西南交通大学 峨眉校区，四川峨眉614202；2 南京航空航天大学，江苏南京210016）

为了研究矢量控制技术在高速动车组中的应用，以CRH3型动车组牵引电机为研究对象，分析其牵引、制动特性，阐述了转子磁场定向矢量控制的基本原理，建立了CRH3型动车组牵引电机转子磁场定向间接矢量控制系统。并利用MATLAB建立了CRH3牵引电机矢量控制系统的仿真模型，对牵引、制动工况进行了仿真分析。仿真的结果表明，搭建的模型正确，CRH3型动车组静、动态性能均较好，从而验证了CRH3型动车组牵引电机采用矢量控制策略的正确性与有效性。

CRH3型动车组；矢量控制；MATLAB仿真

CRH3型动车组是由我国唐山轨道客车有限公司和西门子公司合作生产的高速动车组，已广泛应用在我国轨道交通领域。目前，高速动车组均采用交－直－交传动系统［1-2］，而牵引电机是其关键部分之一，因此，对动车组牵引电机控制策略的研究就显得尤为重要。自1971年德国F.Blaschke率先提出矢量控制理论［3］以来，矢量控制已广泛地应用于交流电力机车和电动车组中［4］，但是，对矢量控制在CRH3型动车组中的应用还研究很少。

针对CRH3型高速动车组，分析其牵引、制动特性，建立了CRH3牵引电机矢量控制系统，通过MATLAB软件模拟了CRH3型动车组牵引、制动运行状况，验证了牵引电机矢量控制策略的正确性和有效性。

1 CRH3动车组特性分析

（1）CRH3动车组牵引特性曲线

CRH3为300 km/h等级的EMU，采用准恒转矩恒功率牵引特性［5］，恒功率起始点速度为119 km/h，额定功率8 800 k W。CRH3动车组牵引特性曲线及转子磁链曲线分别如图1、图2所示［5-6］。

图1 CRH3动车组牵引特性曲线

图2 CRH3动车组牵引工况下转子磁链

从图1、图2中可以看出，CRH3动车组在牵引工况下可分为3个特性区，即在0＜v＜119 km/h时，动车组采用准恒转矩、恒磁通控制；在119 km/h＜v＜175 km/h时，动车组采用恒磁通、恒功率控制；当v＞175 km/h时，电压达到额定电压，采用弱磁恒功率控制。

（2）CRH3动车组制动特性曲线

CRH3动车组制动特性及制动工况下转子磁链分别如图3、图4所示。

图3 CRH3动车组制动特性曲线

图4 CRH3动车组制动工况下转子磁链

2 牵引电机矢量控制

（1）转子磁场定向矢量控制原理

转子磁场定向间接矢量控制方程式为

式中Lr、Lm为转子电感、定转子间互感；Tr为转子时间常数，且Tr＝Lr/Rr；p为微分算子；np为极对数；、ψr为转子磁链给定值、实际值；、Te为电磁转矩给定值、实际值；、ist为定子电流转矩分量给定值、实际值；、ism为定子电流励磁分量给定值、实际值；ω1、ωs、ωr为定子角频率、转差角频率给定值、转子角速度。

从式（1）可知，当给定电磁转矩和转子磁链时，可计算出给定定子电流的转矩分量和励磁分量，同时计算出给定转差角频率，再由转子实际角速度得到定子角频率及转子位置角度；通过坐标变换将给定定子电流的励磁分量和转矩分量变换到三相静止坐标系上，即可驱动牵引电机。

（2）CRH3动车组牵引电机控制系统

CRH3动车组采用转子磁场定向间接矢量控制，即转差频率矢量控制或磁场前馈控制［1-2，9］，控制框图如图5所示［7-8］。

该控制方案使用电压源型SVPWM逆变器，运行时首先测量定子的三相电流ia、ib、ic，分别经过Clarke变换和Park变换得到d－q旋转坐标系中的ism、ist，而ism、ist就是作为系统反馈量的直流量；同时采用转差频率法计算转子磁链的位置角θ，即图5中的角度计算模块，得到的θ供Park变换及其反变换使用。通过给定动车组速度与实际速度作差得到速度误差，经恒速控制器后得到给定电磁转矩，由式（5）计算可得给定转矩电流，该电流与经过3s/2r变换得到的实际转矩电流ist比较后经PI调节得到给定转矩电压；与此同时，实测速度经恒速控制器中的转子磁链给定函数发生器得到磁链给定，经过运算得到给定励磁电流分量与反馈电流ism比较后通过PI调节器即得到给定励磁电压。此时，、都是直流量，故经过反Park变换得到、，输入逆变器进行SVPWM调制，便可形成逆变器驱动信号，从而控制开关器件的通断，实现转速、转矩的控制。

图5 间接磁场定向矢量控制框图

3 CRH3动车组牵引电机控制仿真分析

3.1 仿真模型及参数

按图5搭建CRH3动车组牵引电机控制模型如图6所示。其中，速度控制器采用双滞环恒速控制策略［9-10］。

图6 CRH3动车组牵引电机矢量控制仿真模型

3.2 仿真结果分析

（1）牵引工况分析

在t＝0～1 s时，给定速度v*＝300 km/h，模拟动车组牵引工况运行，仿真波形如图7～图11所示。

图7 动车组速度曲线

图8 牵引电机输出电磁转矩

图9 实际牵引特性曲线

图10 定子A相电流

图11 转子磁链轨迹

从仿真结果可以看出，动车组速度响应迅速，约0.4 s即达到给定速度300 km/h，之后速度平稳；电机在0～0.4 s牵引阶段按牵引特性曲线输出电磁转矩，准恒转矩起动，恒功率运行，0.4 s之后速度稳定，输出电磁转矩保持不变，且与负载转矩相等，输出电磁转矩脉动很小，实际输出牵引特性曲线与给定牵引特性曲线吻合；定子相电流在起动时较大，但0.4 s时即达稳定，幅值约200 A，且相电流正弦度很高，转子磁链轨迹近似于圆形。

（2）制动工况分析

在0.7～1.5 s时动车组给定速度降为v*＝50 km/h，则动车组便从300 km/h开始制动，进入制动工况运行，仿真波形如图12～图15。

图12 动车组速度曲线

图13 电机输出电磁转矩

图14 实际制动特性曲线

图15 定子A相电流

从图12～图15可以看出，制动时，动车组速度平稳减小，1.1 s左右即降为给定速度50 km/h，电机也按给定制动特性曲线输出负的电磁转矩，使动车组减速，实际输出制动特性曲线与给定制动特性曲线相吻合，转矩脉动较小，1.1 s左右电磁转矩与负载转矩相平衡，即完成制动过程。从定子电流波形也可知，0.7 s时开始制动，由式（1）可知，给定转差频率为负，定子频率减小且小于转子频率，转子磁场拖动定子磁场旋转，牵引电机工作于发电机状态，从而产生制动转矩。

从图15定子电流可知，当给定速度为300 km/h时，定子电流幅值约200 A，这与CRH3动车组牵引电机额定电流幅值205 A基本吻合。

4 结束语

针对CRH3动车组牵引电机，在分析其牵引、制动特性的基础上，对其采用的间接磁场定向矢量控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明，CRH3动车组可以在0～300 km/h速度范围稳定运行；将定子电流分解为励磁分量和转矩分量进行独立控制后，电机输出电磁转矩响应迅速，且转矩脉动较小，电磁转矩在牵引工况和制动工况时能分别很好地跟踪牵引、制动特性曲线；定子电流正弦度很高，且与牵引电机额定电流基本吻合，从而验证了CRH3牵引电机矢量控制策略的正确性与有效性，说明矢量控制策略具有很高的静、动态性能，是高速动车组的首选控制策略。

［1］ 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 宋雷鸣.动车组传动与控制［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［3］ F.Blaschke.A new method for the structural decoupling of A.C.Proceedings of IFAC.1971：1-15.

［4］ 丁荣军.现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展［J］.机车电传动，2010，（5）：1-8.

［5］ 张喜全.列车电力传动与控制［M］.成都：西南交通大学出版社，2010.

［6］ 张川宝.高速动车组牵引传动系统的研究与仿真［D］.北京：北京交通大学，2011.

［7］ 曲健伟，冯晓云，孙鹏飞，王春柳.转差频率矢量控制系统PI调节器参数计算［J］.变频器世界，2010，（10）：57-60.

［8］ 曾允文.变频调速SVPWM技术的原理、算法与应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［9］ 冯晓云，王利军，葛兴来，李官军.高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真［J］.电气传动，2008，38，（11）：25-28.

［10］ 李官军，冯晓云，王利军，陈世浩.高速动车组恒速控制策略的研究与仿真［J］.机车电传动，2007，（05）：12-14.

Research and Simulation on Traction Motor Vector Control Strategy of CRH3EMU

DING Juxia1，JIANG Kui2
（1 Emei Campus of Southwest Jiaotong University，Emeishan 614202 Sichuan，China；2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 Jiangsu，China）

Aiming at studying the application of vector control technology in high speed EMU，taking CRH3EMU traction motor as the study object，the traction and braking characteristics are analyzed，the principle of rotor field oriented vector control is expounded，and traction motor indirect rotor field orientation vector control system of CRH3EMU is established.Then，MATLAB simulation model of traction motor vector control system is established，and traction and braking mode are analyzed in the simulation.Simulation results show that the model built is correct，and it has good static and dynamic performance，which can satisfy its frequent start－stop，acceleration and deceleration，thus the correctness and effectiveness of traction motor vector control strategy in CRH3are verified.

CRH3EMU；vector control；MATLAB simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.04

1008－7842（2014）04－0020－04

*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2682013CX007EM）

7—）女，副教授（

2013－12－07）