電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的研究.pdf

1、電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高。其控制裝置設(shè)計(jì)測(cè)試定型周期長(zhǎng)，成本高。研究開(kāi)發(fā)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過(guò)仿真模型代替物理交流傳動(dòng)系統(tǒng)作為測(cè)試手段，可以對(duì)原型控制方案進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；可以對(duì)實(shí)現(xiàn)程序進(jìn)行修改，發(fā)現(xiàn)可能的問(wèn)題并確定最佳參數(shù)。利用交流傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)研發(fā)控制裝置，可以有效地節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 本文查閱了大量的國(guó)內(nèi)外交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真方面的文獻(xiàn)資料，調(diào)研了我所(株洲電

2、力機(jī)車(chē)研究所)電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀。在了解熟悉dSPACE仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與算法實(shí)現(xiàn)研究。開(kāi)展電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的研究，既要解決一些建立系統(tǒng)模型確定算法的理論問(wèn)題，又要處理在實(shí)現(xiàn)模型和算法的開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題。并且所研發(fā)的系統(tǒng)需要通過(guò)實(shí)際的交流傳動(dòng)系統(tǒng)地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。無(wú)論建立數(shù)學(xué)模型或開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)都必須把理論和實(shí)際緊密結(jié)合起來(lái)，理論建模時(shí)必須考慮實(shí)際開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)時(shí)軟硬件環(huán)

3、境的限制，實(shí)際開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)時(shí)的近似處理必須考慮其理論依據(jù)。文章首先把實(shí)際的電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)抽象為目標(biāo)系統(tǒng)，在抽象的過(guò)程中，從建立模型的目的出發(fā)，確定模型應(yīng)該反映的實(shí)際系統(tǒng)特定的物理規(guī)律和應(yīng)該描述的實(shí)際系統(tǒng)變量。在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化實(shí)際系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)，抽象出合適的目標(biāo)系統(tǒng)描述。然后，針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行模型的劃分和子模型描述。本報(bào)告的主要研究?jī)?nèi)容如下。 1）對(duì)單重四象限變流器系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，適當(dāng)簡(jiǎn)化其中的吸收電路，建立了描

4、述該系統(tǒng)的四階微分方程數(shù)學(xué)模型，綜合實(shí)物控制裝置的PWM脈沖信號(hào)和交流側(cè)電流方向確定了模型的算法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)半實(shí)物仿真結(jié)果分析了模型和算法的有效性。2)建立了雙重四象限變流器系統(tǒng)的五階微分方程數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物閉環(huán)仿真。在不同負(fù)載電流情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)并分析了仿真結(jié)果。3)建立了異步電機(jī)的四階微分方程描述，推導(dǎo)了電力機(jī)車(chē)的動(dòng)力傳遞模型，針對(duì)模型和實(shí)物控制裝置采樣時(shí)間不一致性，對(duì)逆變器模型進(jìn)行了等磁鏈電壓補(bǔ)償。所建立的模型實(shí)現(xiàn)

5、了半實(shí)物閉環(huán)仿真。并且結(jié)合傳動(dòng)控制組開(kāi)發(fā)新的控制算法實(shí)驗(yàn)對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和完善。4)在兩個(gè)子系統(tǒng)的研發(fā)基礎(chǔ)上，搭建了整個(gè)電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)模型。采用了“中華之星”電力機(jī)車(chē)參數(shù)數(shù)據(jù)的模型和“中華之星”電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)控制裝置構(gòu)成閉環(huán)進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果和“中華之星”電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)地面實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明了整個(gè)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的模型是有效的，達(dá)到了開(kāi)發(fā)系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)的目的。同時(shí)也表明各子系統(tǒng)模型的

6、正確性和有效性。5)為了再現(xiàn)電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)其中元器件的電壓電流情況或給設(shè)計(jì)變流器產(chǎn)品提供參考依據(jù)，我們開(kāi)展了相構(gòu)件仿真的研究。對(duì)相構(gòu)件仿真，需要考慮如何導(dǎo)入實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，如何構(gòu)建電路模型和確定模型計(jì)算的初始狀態(tài)，其出發(fā)點(diǎn)是利用半實(shí)物系統(tǒng)級(jí)仿真數(shù)據(jù)作為輸入，建立更復(fù)雜的部件模型(考慮換流時(shí)的吸收保護(hù)電路)，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行離線(xiàn)仿真。并對(duì)模型的正確性和仿真結(jié)果的有效性作出評(píng)估。我們探索出了實(shí)現(xiàn)相構(gòu)件仿真

7、的可行的方法。 dSPACE軟硬件系統(tǒng)是一個(gè)具有計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便的仿真平臺(tái)。我們可以根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)建立更多的仿真模型提高其使用效益，發(fā)揮半實(shí)物仿真平臺(tái)作為現(xiàn)代化的測(cè)試手段在產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中的作用。作為電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的擴(kuò)展，可以開(kāi)展以幾方面的研究工作?？砷_(kāi)展電力機(jī)車(chē)外特性建模與仿真，為設(shè)計(jì)電力機(jī)車(chē)整體性能要求提供參考依據(jù)。可建立其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流器和逆變器對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及其它電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，使得仿真模型系列化