摘 要：本文設(shè)計(jì)了一套城市軌道交通牽引驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件電路，詳細(xì)分析了試驗(yàn)系統(tǒng)的組成、工作原理與實(shí)現(xiàn)的功能，通過(guò)該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)和驗(yàn)證各種控制算法，為人們研究開(kāi)發(fā)軌道交通控制系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：軌道交通；牽引驅(qū)動(dòng)；控制算法
軌道交通車輛牽引與控制系統(tǒng)是一個(gè)融合了先進(jìn)控制、變頻驅(qū)動(dòng)、通訊、機(jī)械振動(dòng)、降噪、降溫冷卻等多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，由于其頻繁啟動(dòng)，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性要求很高。本文設(shè)計(jì)了一套城市軌道交通牽引驅(qū)動(dòng)與控制試驗(yàn)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件電路，詳細(xì)分析了試驗(yàn)系統(tǒng)的組成、工作原理與實(shí)現(xiàn)的功能，通過(guò)該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)和驗(yàn)證各種控制算法，為人們研究開(kāi)發(fā)軌道交通控制系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
一、設(shè)計(jì)總體方案
1. 配電設(shè)備方案。配電設(shè)備利用學(xué)校現(xiàn)有的三相380V AC 50Hz電網(wǎng)，通過(guò)總電源屏進(jìn)行獨(dú)立的用電管理�？傠娫雌脸司哂须妷�、電流等電參量的檢測(cè)功能外，集成了過(guò)流、缺相等保護(hù)功能，從而保證試驗(yàn)系統(tǒng)不會(huì)對(duì)學(xué)校其余的用電單元產(chǎn)生影響。功率因數(shù)補(bǔ)償屏則是為了提高整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)而設(shè)計(jì)的，同時(shí)可以起到減小諧波干擾的作用。
2.模擬電網(wǎng)。即由感應(yīng)調(diào)壓器TM1、十二脈波整流變壓器TM2和十二脈波整流器U1組成了模擬電網(wǎng)。TM2有兩組獨(dú)立的、相位相差30°的次邊繞組，U1則是兩個(gè)三相全橋六脈波整流器串聯(lián)組成。通過(guò)使用十二脈波整流電源，同時(shí)在高壓電器箱中設(shè)計(jì)匹配的平波電抗器，可以大大提高模擬電網(wǎng)的電源品質(zhì)。為了滿足模擬電網(wǎng)DC1000V~DC1800V的變化需求，增加了三相感應(yīng)調(diào)壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓來(lái)改變直流十二脈波整流電源的直流輸出電壓。感應(yīng)調(diào)壓器的最低輸出電壓接近0V，從而能夠利用調(diào)壓器進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)的空載特性試驗(yàn)，也能利用感應(yīng)調(diào)壓器完成異步電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行的試 驗(yàn)。
3.高壓電器箱。高壓電器屏作為逆變器的前端輸入級(jí)，集成了高速斷路器、線路濾波器、接觸器、過(guò)壓保護(hù)等。高速斷路器具有雙向過(guò)流保護(hù)功能，可由DCU控制系統(tǒng)控制斷開(kāi)，高速斷路器的狀態(tài)可在控制PC機(jī)的顯示器上顯示。接觸器分為線路接觸器和預(yù)充電接觸器，兩接觸器的吸合與斷開(kāi)完全由DCU控制系統(tǒng)控制，接觸器的動(dòng)作參數(shù)與狀態(tài)受DCU控制系統(tǒng)的監(jiān)控。線路濾波器主要起到濾波和限制瞬態(tài)過(guò)流的作用，減小對(duì)供電系統(tǒng)的干擾。線路濾波器采用自然走行風(fēng)冷。
4.逆變器。采用VVVF牽引逆變器，主要由三相逆變器和驅(qū)動(dòng)控制單元（DCU）組成。三相逆變器的功率元件采用IGBT，采用模塊化設(shè)計(jì)，采取熱管散熱技術(shù)，保證牽引逆變器在規(guī)定的條件下正常工作。DCU采用32位的多個(gè)微處理機(jī)控制，采用模塊化設(shè)計(jì)和PWM控制技術(shù)。DCU通過(guò)列車通信網(wǎng)與司機(jī)控制臺(tái)及控制PC機(jī)進(jìn)行通信。容量能滿足牽引特性和制動(dòng)特性試驗(yàn)的要求。有良好的電磁兼容性，不會(huì)對(duì)通訊、信號(hào)、供電等系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。逆變器的保護(hù)功能有：輸入電流過(guò)流；制動(dòng)斬波器過(guò)流；輸入電壓過(guò)壓和欠壓；主電路差動(dòng)電流；輸出相電流過(guò)流；缺相或3相不平衡；功率元件過(guò)熱。
5.異步牽引電動(dòng)機(jī)。異步牽引電動(dòng)機(jī)采用已經(jīng)應(yīng)用于上海地鐵A型車的JD118A型異步牽引電動(dòng)機(jī)。
6. 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用具有LonWorks網(wǎng)絡(luò)通訊功能的JCZ2型智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。
7.速度同步裝置。速度同步裝置主要是通過(guò)機(jī)械和電的耦合來(lái)準(zhǔn)確地模擬機(jī)車的運(yùn)行速度，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)線路模擬信號(hào)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。
8.負(fù)載系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方式。依照IEC61377- 1推薦的典型電路原理，采用了背靠背的試驗(yàn)原理，由一套相同的逆變器和異步牽引電動(dòng)機(jī)組成。整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行則是通過(guò)特殊的試驗(yàn)控制系統(tǒng)程序?qū)2、U3進(jìn)行精確、快速的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在牽引工況下負(fù)載異步牽引電動(dòng)機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，在制動(dòng)工況下負(fù)載異步牽引電動(dòng)機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同時(shí)為了與實(shí)際情況盡可能一致，每個(gè)逆變器都配備了斬波電阻和制動(dòng)電阻，模擬電網(wǎng)不能進(jìn)行能量反饋時(shí)的工作狀態(tài)。①斬波電阻。能承受制動(dòng)斬波模塊故障所引起的過(guò)流或短路；能消耗的能量要能滿足制動(dòng)特性試驗(yàn)的要求，所有電制動(dòng)能量都消耗在制動(dòng)電阻上；采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)網(wǎng)罩，以防止雜物吸入，網(wǎng)罩應(yīng)便于拆卸與清洗；系統(tǒng)應(yīng)對(duì)斬波電阻的電流進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)；電阻元件及支撐元件應(yīng)安裝牢固、穩(wěn)定、有良好的耐熱性，有足夠的電氣間隙和爬電距離。②負(fù)載電阻。負(fù)載電阻由幾個(gè)不同電阻值的功率電阻組成，它們可以通過(guò)電控開(kāi)關(guān)的切換獲得不同的組合，提供不同的負(fù)載特性。③網(wǎng)絡(luò)控制方案。設(shè)置了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的司機(jī)控制、顯示平臺(tái)（分試驗(yàn)控制室顯示平臺(tái)和試驗(yàn)參數(shù)展示平臺(tái)），司機(jī)控制臺(tái)與逆變器之間采用MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，從系統(tǒng)調(diào)節(jié)的給定方式、顯示等模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，同時(shí)司機(jī)控制臺(tái)具備與逆變器之間通過(guò)硬連線進(jìn)行通訊的功能，從而可以對(duì)運(yùn)行方向、牽引、制動(dòng)、惰行、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)等工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制、連鎖（邏輯控制） 采用分布式PLC控制，PLC之間、PLC與上位機(jī)之間的通訊采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)的讀取則是通過(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，提高了通訊速率和可靠性。控制PC機(jī)與PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間通過(guò)LAN網(wǎng)進(jìn)行連接，可以保證PXI與信號(hào)調(diào)理單元與被測(cè)對(duì)象就近布置，從而減小線路干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。④數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對(duì)于變流器、異步電動(dòng)機(jī)的電壓、電流等高速信號(hào)的測(cè)量將同時(shí)采用基于PXI的虛擬測(cè)試儀器，對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行讀數(shù)和諧波分析，增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)該P(yáng)XI測(cè)試系統(tǒng)的硬件資源還可以與其他試驗(yàn)系統(tǒng)共享。⑤技術(shù)參數(shù)。模擬電網(wǎng)的額定輸出電壓 ：DC1500V； 輸出電壓范圍 ：DC1000V~DC1800V；額定輸出功率：620kW。⑥系統(tǒng)性能指標(biāo)。控制系統(tǒng)：逆變器輸出的電壓、電流或這轉(zhuǎn)矩的精度小于1%。測(cè)試系統(tǒng)：試驗(yàn)系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，總體要求為：對(duì)于交直流電流、電壓的測(cè)量小于±1%，轉(zhuǎn)速測(cè)量小于±0.1%或±1r/min，轉(zhuǎn)矩測(cè)量小于±2％。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.信號(hào)檢測(cè)與通訊試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)一方面對(duì)實(shí)際線路的一些狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行了模擬和采集，另一方面該試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試和控制涵蓋了電壓、電流、溫度、DI、DO等信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理和測(cè)量、分析，同時(shí)具有LAN-PROFIBUS、LonWorks等多種網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，為教學(xué)提供了一個(gè)非常好的實(shí)例。借助基于PXI的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，學(xué)生可以自行開(kāi)發(fā)信號(hào)測(cè)試與分析處理程序，進(jìn)行實(shí)踐，必將大大促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。
2.牽引變流器及電子控制裝置的試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)允許教師可以按照IEC61287- 1：2005對(duì)牽引變流器進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)項(xiàng)目為表1所示。
3.逆變器供電的電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)組合試驗(yàn)。利用地面試驗(yàn)系統(tǒng)教師能完成IEC61377- 1：2006、TB/T3117規(guī)定的變流器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)的試驗(yàn)研究工作，用以驗(yàn)證一種新的電傳動(dòng)組合系統(tǒng)的定額、特性和性能，為優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目為表2所示。
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成信號(hào)檢測(cè)與通訊試驗(yàn)、牽引變流器及電子控制裝置的試驗(yàn)、逆變器供電的電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)組合試驗(yàn)，對(duì)地鐵牽引驅(qū)動(dòng)控制策略開(kāi)展研究提供了基礎(chǔ)保障。
