CRH2型高速列车牵引电机建模设计

董天宝   周杰

摘要：牵引电机是高速列车的心脏，由于长期运行且工作环境相对恶劣，牵引电机本体故障成为高速列车常见的故障源，并影响高速列车的可靠运行。在高速列车实际运行时，为了让系统稳定运行，需要在系统中引入反馈控制，如转速反馈、电流反馈等装置，因此相对于开环结构来讲，研究闭环结构下高速列车牵引电机的故障诊断更有实际意义。

本文以CRH2型高速列车牵引系统作为研究对象，通过matlab对其牵引电机在闭环结构下建模仿真，分析其正常运转下速度响应曲线，方便后续通过对比曲线图对电机模型进行故障诊断及相关分析。

关键词：牵引电机；闭环控制；建模仿真

前言：高速列车最主要的动力来源是牵引系统，而它的牵引电机更是整个系统的核心。牵引电机把机械能和电能相互转化以此来实现列车的制动跟牵引行驶，然而牵引电机在列车行进过程中长期运转加上环境因素的影响导致电机磨损，使出现故障的概率提升，性能和寿命都大大降低。牵引电机倘若出现故障，所造成的后果会是极其严重的。所以我们有必要加强对高速列车牵引电机进行建模，方便后续故障诊断分析研究，降低出行安全隐患。

一、模型设计策略

高速列车在实际情况中行驶的时候，通过在系统中引进反馈控制加强系统的稳定运行，比如电流跟转速反馈等。相对于开环结构来讲，研究闭环结构下高速列车牵引电机的故障诊断更有实际意义，然而跟开环结构相比，闭环结构的复杂性就比开环结构明显的多，在本次设计中，主要的研究对象是CRH2型高速列车牵引系统，将牵引电机的闭环结构在MATLAB中建模仿真，分析其正常运转下速度响应曲线。

1.1逆变器模块

脉宽调制技术是牵引电机中逆变器的主要作用，将直流电压转换成高频高压交流电。在MT205型牵引电机中，其逆变器的输入端为中间的直流电压环节，为实现脉宽调制可以利用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）或者电力电场效应晶体管（IPM），最后输出牵引电机的三相交流电。然而其逆变器并非线性的子系统，不过它可在一定的工作单位中可视为线性的。

由于在IGBT的反面上存在着一个P型层，因此处于开通状态的IGBT，强烈的电导调制效应会发生在它的N-漂移区，最后会造成它在关闭时存有使其关断时间变长的拖尾电流，以至于在关断时造成损耗变大。所以逆变器的输出电压会伴有延迟的现象，而它的延迟的最大时间都在一个开关周期之内，假设代表逆变器的延迟时间，，是放大系数（常数），那么就能够得出逆变器传递函数：

因为IGBT的开关周期非常短，在对上述传递函数进行泰勒级数展开时可以忽略展开式中的二次及以上项，由此可进一步得到其传递函数的表达式：

1.2恒压频比控制模块

依据恒压频比控制特性能够得知牵引电机的定子频率跟电压的关系为：

其关系式中、和分别指的是定子补偿电压、最大电压值以及定子基频率。因为高速列车在运行时，转差频率控制要求气隙磁通不变，也就是所谓的电机稳态运行，所以基频以上调速情况不做考虑。不仅如此，在高速列车实际行驶时，电压的最大值能够达到几千伏，然而它的补偿电压相对就小得多，在实际的理论运算中一般是将其忽略不计的。所以可以得到近似的U/f传递函数：

由上式不难看出，在特定条件下，近似为常数。

1.3牵引电机模块

在空间矢量坐标系中直流电机的励磁电流产生的磁通跟电枢电流中产生的磁动势是相互垂直的并相互独立，而且它们之间互不影响。牵引电机通过矢量控制法进行控制，通过坐标变换转换成直流电动机模型，因此我们可以得出牵引电机的电磁转矩：

式中表示电机转矩，特定条件下可以视作一个常数，表示输入电流。当牵引电机工作时处于转子磁链定向矢量控制，所以电机正常工作时，气隙磁通也可以看成一个常数。

二、牵引电机闭环系统建模

CRH2型动车组的牵引电机闭环控制系统由逆变器模块、PI控制器、恒压频比控制模块、牵引电机和转差频率控制模块五个部分组成，在前文中已对上面的5个模块进行过研究，此节把这5个模块按照对应关系进行整合，组合成一个完整的牵引电机闭环控制系统。

查阅相关资料可得CRH2型动车组牵引电机相关参数后，借助MATLAB里的simulink对模型进行仿真，在simulink的数据库里找到对应模块，根据单位不同输入正确的参数值，最终得到的牵引电机闭环控制系统模型仿真图如图所示:

图1 牵引电机正常运行时仿真图

如果想要得到该系统的速度响应曲线，那么应该更深入地将PI控制器的参数计算出来并设定好给定信号。根据表中相关数据不难算出PI控制器的比例系数=500，=10。这个时候所设定的给定信号：。在0.75秒的时候加入额定负载700，此时模型参数全部设置完成，运行仿真图即可得到系统的速度响应曲线，运行结果如图所示。

图2 牵引电机正常运行时速度响应曲线

三、结论

根据上图速度响应曲线可以看出，牵引电机的超调量较小，在极短的时间内迅速达到给定值，并且在0.5秒后迅速降到400转/秒，可以看出，在上升和下降过程中响应曲线都较为平滑，相对误差较小，在0.75秒后注入额定负载，可以看出曲线略有一丝下降但是仍然保持在给定转速附近，这表明该模型是有效的。

参考文献：

[1] 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2009.

[2] 齐永龙.异步电机直接转矩控制系统的研究[D].成都：西南交通大学，2016.

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