基于籠型異步電機(jī)的地鐵牽引試驗平臺研究
王偉1，程明1，胡文斌2
（1．東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096；2南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院，南京210094）
摘要：針對地鐵牽引試驗的要求，提出了“雙逆變器電機(jī)”結(jié)構(gòu)的地鐵牽引試驗平臺設(shè)計方案。基于籠型異步電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方法，建立了matlab/simulink環(huán)境下的地鐵牽引試驗平臺仿真模型，并進(jìn)行了地鐵列車牽引過程和制動過程的仿真。仿真結(jié)果驗證了設(shè)計方案的有效性和正確性。
關(guān)鍵詞：雙逆變器一電機(jī)；籠型異步電機(jī)；轉(zhuǎn)子磁場定向；仿真；牽引；制動
中圖分類號：tm343; tp271+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 06-0082,-03
0引 言
隨著我國城市化步伐的不斷加快，城市人口規(guī)模急劇膨脹，以公交、出租車為代表的傳統(tǒng)城市公共交通工具已不堪重負(fù)。因此，具有運(yùn)量大、速度快、占地少、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)率高、乘坐舒適、綠色環(huán)保等優(yōu)勢的地鐵一經(jīng)出現(xiàn)，便成了國內(nèi)各大中城市破解城市公共交通難題的旨選。地鐵列車作為一種電力傳動動車組，是以電力傳動方式來實現(xiàn)電能機(jī)械能的變換及傳遞的。長期以來，地鐵中主要采用直流傳動方式。然而，隨著電力電子器件、高性能矢量控制算法以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的控制性能已經(jīng)可以與直流電機(jī)相媲美，而且其具有功率密度高、成本低、可維護(hù)性好、受環(huán)境制約小等直流電機(jī)沒有的優(yōu)點(diǎn)，上述因素使得交流傳動逐步取代了直流傳動在地鐵中的主導(dǎo)地位。地鐵列車作為一種大功率交流傳動系統(tǒng)，在正式投用之前必需進(jìn)行各種試驗來了解系統(tǒng)與部件的特性以及與外部環(huán)境的相互關(guān)系，而各種試驗都離不開大功率交流傳動試驗平臺。
目前，國內(nèi)的大功率交流傳動試驗平臺可分為兩種：一種是耗能型，另一種是饋能型。前者是在被試電機(jī)軸端對接一直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)的軸端接阻性員載，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵磁電壓來調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)矩。但直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電難以被二次利用。這種浪費(fèi)在地鐵這樣的大功率系統(tǒng)中尤其嚴(yán)重。后者是在被試電機(jī)軸端對接一個由直流發(fā)電機(jī)一直流電動機(jī)交流同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的能量回饋系統(tǒng)，把電能同饋給電網(wǎng)。通過調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)組的三個勵磁電壓來調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)矩，并維持同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定。這種試驗方式控制非常復(fù)雜，成本昂貴。而直流電機(jī)的存在也限制r電機(jī)高速運(yùn)行工況的試驗。另外，二者在進(jìn)行大功率試驗時，均需較大的配電容量。
本文基于matlab/simulink r2007a構(gòu)建了一種“雙逆變器電機(jī)”結(jié)構(gòu)的地鐵牽引試驗平臺。該平臺陪試部分采用了籠型異步電機(jī)，克服了上述兩種傳統(tǒng)交流傳動試驗平臺由于直流電機(jī)帶來的種種缺點(diǎn)，具有能量消耗低、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)行各種試驗提供了便利。
1地鐵牽引試驗平臺結(jié)構(gòu)和原理
地鐵牽引試驗平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由直流電源dc，變流器inv1、inv2及對應(yīng)的控制器ctr1、ctr2，被試電機(jī)m1陪試電機(jī)m2組成，其中m1、m2為異步電機(jī)。m1采用雙露閉環(huán)控制（外環(huán)為轉(zhuǎn)速，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩），模擬實際地鐵列車的牽引裝；m2采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，模擬地鐵列車運(yùn)行過程所受阻力和負(fù)載。
為了說明地鐵牽引試驗平臺的工作原理，在此做一些符號上的假定。假定inv1、inv2輸出的交流電頻率分別為，f1、f2，m1和m2的軸端轉(zhuǎn)速折算后的等效頻率為六通過ctr1、ctr2對inv1、inv2施加不同的控制策略來控制f1、f2的相對大小。
其中，m1的轉(zhuǎn)差頻率
m2的轉(zhuǎn)差頻率
根據(jù)異步電機(jī)的基本作用原理：當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率大于零時，異步電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率小于零時，異步電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)需要模擬地鐵列車牽引過程時，通過施加一定的控制策略必然分于f1和f2之間，即δf1>0，δf2<o，從而可以推得m1處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，m2處于發(fā)電機(jī)運(yùn) |
