CN110481388B - 大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路机车过分相区的控制方法，具体为大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法。本发明的目的是在机车接收到过分相开始信号，进入过分相工况时，通过MCPU逻辑判断来控制四象限整流器和逆变器进行相应动作，从而稳定中间直流母线电压，实现使辅助系统供电不间断的目的。本发明将牵引系统的过分相控制方法分为三部分：MCPU中的逻辑控制，主要用于控制整流和逆变，协调它们的运行顺序；整流器控制，用于控制四象限整流的运行状态；逆变器控制，用于控制各个电机的运行状态。本发明梳理清楚过分相过程中各个部分的逻辑顺序及相应动作；解决了过分相过程中辅助系统不间断供电的问题和高速时抑制永磁电机反电势的问题。

Description

大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法

技术领域

本发明涉及铁路机车过分相区的控制方法，具体为大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法。

背景技术

随着全国铁路大提速，带动着铁路行业朝高速、舒适的方向发展。单台电机功率高达1225KW，该机车为目前国内首次采用永磁直驱技术的大功率交流传动电力机车。大功率永磁直驱机车的总效率提升3％以上，每小时可节约电能200度，具有绿色环保、维护成本低等特点。

由于铁路牵引接触网使用的是单相工频交流电，为了平衡电网负载，变电所会送出不同相位，故在供电区设立分相来防止短路，从而形成“分相区”或者“无电区”。大功率永磁直驱机车正常运行时，通过中间直流母线2800V给辅助系统供电，维持风机、空调等设备的运行。在机车进入过分相区时，断开主断路器来保证设备的安全，电机进行制动工况来通过分相区，网压恢复正常后再闭合主断，设备依次正常启动。

由于永磁电机在不受控且电机有转速时，存在反电势，同时电机反电势与电机转速成正比。牵引工况特别是高速时，若电机反电势过高，则向中间直流母线侧充电，四象限整流会向电网回馈能量。这种情况很容易导致中间直流母线过压保护，若反电势超过IGBT耐压阈值，则会损坏模块。

而现有的技术控制策略存在以下问题:

1)未能实现辅助系统不间断供电，辅助系统停止工作，降低了客运机车的舒适性；

2)过分相区时，机车上的辅助系统存在停止工作并重新启动，增加了接触器开关动作次数，同时也减少了接触器开关寿命，增加了维修成本；

3)高速过分相区时，对电机隔离接触器这种机械开关操作会产生延时，该时间段极易产出很大反电势，易触发中间直流母线过压故障，严重地会损坏模块。

发明内容

本发明的目的是在机车接收到过分相开始信号，进入过分相工况时，通过MCPU逻辑判断来控制四象限整流器和逆变器进行相应动作，从而稳定中间直流母线电压，实现使辅助系统供电不间断的目的。

本发明是采用如下的技术方案实现的：大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，包括以下步骤：

(1)网络控制系统接收到过分相开始信号后，将信号发送到TCU中的MCPU上，若MCPU接收到过分相开始信号，则整流、逆变器过分相开始动作，否则退出过分相程序；

(2)整流、逆变器过分相动作完成后，MCPU向网络控制系统发送过分相准备完毕信号；

(3)若网络控制系统接收到过分相准备完毕信号，则断主断路器，若未接到过分相准备完毕信号，且过分相开始信号发出时长到达设定时长时，则网络控制系统强制断主断路器，随后进入无电区；

(4)通过无电区后且网压恢复正常，若网络控制系统接收到过分相结束信号，则合主断路器，MCPU接收到该信号后，整流器开始发脉冲，否则继续断开主断路器；

(5)若整流器启动完成，则进入逆变器过分相结束动作，否则整流器继续启动；

(6)当逆变器过分相结束动作完成，若MCPU接收到过分相恢复完成信号，则退出过分相，否则继续进行逆变器过分相结束动作。

上述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，逆变器过分相按照以下步骤进行：

(1)若逆变器接收到MCPU过分相开始信号，则电机开始降功并至0，否则逆变器过分相结束；

(2)电机降功至0后，根据辅助系统的总功率计算出其中一电机转矩，该电机转制动状态来维持中间母线电压稳定，随后向MCPU发送一个制动OK信号；

(3)若接收到MCPU的过分相结束信号，则该制动电机降功为0，否则继续维持中间母线电压稳定；

(4)该制动电机降功为0后，若所有电机的牵引力或制动力达到过分相前的级位要求，则向MCPU发送过分相恢复完成信号，逆变器过分相结束。

上述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，降功完成后，给制动电机以外的电机正常发脉冲来抑制电机反电势，同时也起到减少电机隔离接触器的动作次数，延长器件使用寿命的作用。永磁电机电压公式为：

其中ω_γ＝2πf，f为永磁电机的频率，

为永磁电机的转子磁链，高速时

为恒定值，f比较大，永磁电机电压很容易超过设定域值引起电压过压故障。逆变发脉冲形成的调制波，能够产生一个同幅值同相位的电压使永磁电机的端电压恒定，从而达到抑制永磁电机反电势的目的。

上述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，整流器过分相过程包括以下步骤：

(1)MCPU接收到过分相开始信号后，通过逻辑判断后发送停止指令给四象限整流器，整流器先判断是否处于工作状态，若处于工作中，则四象限停止工作，否则四象限过分相结束。

(2)若没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，但接收到MCPU发送的启动四象限命令，则先判断四象限启动条件是否满足，若满足，则四象限发脉冲启动，否则查找故障并复位，继续判断是否满足四象限启动条件。

(3)若既没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，也没有接收到MCPU发送的启动四象限命令，则四象限过分相结束。

上述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，所述设定时长为160/V，其中V为当前车速。160指的是线路上两个磁石间距为160m，V为机车速度，单位为km/h，160/V的单位为时间s。

本发明技术方案带来的有益效果为：

1.梳理清楚过分相过程中各个部分的逻辑顺序及相应动作；

2.解决了过分相过程中辅助系统不间断供电的问题和抑制永磁电机反电势的问题。

附图说明

图1为网络控制系统与牵引系统的控制框图。

图2为MCPU过分相控制逻辑流程图。

图3为四象限整流过分相控制方法流程图。

图4为逆变过分相控制方法流程图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

网络控制系统介绍

1.网络控制系统结构

网络控制系统包含中央处理单元(MPU)、牵引控制系统(TCU)、司机显示单元(DDU)、远程输入输出单元(RIOM)、制动控制系统(BCU)、辅助控制系统(ACU)、MVB/WTB网关(GW)。

MPU是整个网络控制系统的核心，完成整个网络的总线管理，也可以完成网络控制系统的中央处理功能，即实现车辆控制功能。TCU负责机车电气牵引于制动控制功能。DDU负责机车状态信息的实时显示、配置网络参数和维护处理故障信息等功能。RIOM负责采集司机室、辅助电气柜、低压电气柜的现场信息和数据，同时驱动司控台的显示灯和执行控制命令，驱动相应的继电器、接触器等现场执行设备。BCU负责机车空气制动控制功能。ACU负责辅助变流器及充电机控制功能。GW负责WTB(绞线式列车总线)网络和MVB(多功能车辆总线)网络之间的数据转换，实现机车之间的信息传输。

2.控制过程

机车由司机控制时，远程I/O单元(RIOM)获取司机通过操纵台上的控制部件(如司机控制器、扳键开关、显示屏等)发出的控制指令，经过中央控制单元MPU的处理，传递给相关设备，控制设备动作，完成司机发出的控制指令。

实施例：

本实施例中涉及2个TCU，1个TCU控制1个变流柜和3个电机，6个电机按序号分为1、2、3、4、5、6电机，其中1、2、3电机被一个TCU控制，4、5、6电机被另一个TCU控制，变流柜内有四象限整流器和逆变器，四象限整流器和逆变器之间连接中间电容。

大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，包括以下步骤：

1.网络控制系统接收到过分相开始信号后，将信号发送到TCU中的MCPU上，MCPU通过逻辑判断分别控制四象限整流器和逆变器；

2.MCPU接收到过分相开始信号，进行逻辑判断，控制逆变的6个电机均开始降功，直到功率为0为止；

3.降功完成后，通过给1、3、4、6电机正常发脉冲来抑制电机反电势，而2、5电机转制动继续工作，直到稳定中间直流母线为2800V左右；

4.当中间母线稳定后，2、5电机向MCPU发送制动OK标志位；

5.以上动作完成后，MCPU接收到信号后向网络控制系统发送过分相准备完毕信号，网络控制系统接收到该信号后，断开主断路器；

6.当网压恢复后，MCPU接收到过分相结束信号，命令四象限整流器开始发脉冲；

7.当四象限整流器启动完成后，2、5电机开始制动降功为0，同时1、3、4、6电机开始出力；

8.当6个电机均恢复至与级位相匹配的牵引力或制动力，则发送过分相恢复完成信号，退出过分相工况。

结合附图1，将牵引系统的过分相控制方法分为三部分：

1.MCPU中的逻辑控制，主要用于控制整流和逆变，协调它们的运行顺序；

2.整流器控制，用于控制四象限整流的运行状态；

3.逆变器控制，用于控制各个电机的运行状态。

第一部分为过分相控制逻辑过程，结合附图2进行阐述：

1.进入过分相工况后，若MCPU接收到过分相开始信号，则整流、逆变器过分相开始动作，否则退出过分相程序。

2.整流、逆变器过分相动作完成后，MCPU向网络控制系统发送过分相准备完毕信号。

3.若网络控制系统接收到过分相准备完毕信号，则断主断路器，若未接到过分相准备完毕信号，且过分相开始信号发出时长到达160/V(其中V为当前车速)时，则网络强制断主断路器，随后进入无电区。

4.通过无电区后且网压恢复正常，若网络控制系统接收到过分相结束信号，则合主断路器，MCPU接收到该信号后，四象限整流器开始发脉冲，否则继续断开主断路器。

5.若四象限整流器启动完成，则进入逆变器过分相结束动作，否则四象限整流器继续启动。

6.当逆变器过分相结束动作完成，若接收到过分相恢复完成信号，则退出过分相，否则继续进行逆变过分相结束动作。

第二部分为四象限整流器过分相控制方法，结合附图3进行阐述：

1.若接收到MCPU发送的停止四象限命令，则先判断整流器是否处于工作状态，若处于工作中，则四象限停止工作，否则四象限过分相结束。

2.若没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，但接收到MCPU发送的启动四象限命令，则先判断四象限启动条件是否满足，若满足，则四象限发脉冲启动，否则查找故障并复位，继续判断是否满足四象限启动条件。

3.若既没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，也没有接收到MCPU发送的启动四象限命令，则四象限过分相结束。

第三部分为逆变器过分相控制方法，结合附图4进行阐述：

1.逆变器过分相开始，若接收到MCPU过分相开始信号，则1、2、3电机开始降功并至0，否则逆变过分相结束。

2.1、2、3电机降功至0后，根据辅助系统的总功率计算出2电机转矩，2电机转制动状态来维持中间母线为2800V稳定，随后向MCPU发送一个制动OK信号。

3.若接收到MCPU的过分相结束信号，则2电机降功为0，否则继续维持中间母线电压稳定。

4.2电机降功为0后，若1、2、3电机的牵引力或制动力达到过分相前的级位要求，则向MCPU发送过分相恢复完毕信号，逆变过分相结束。

Claims (3)

1.大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）网络控制系统接收到过分相开始信号后，将信号发送到TCU中的MCPU上，若MCPU接收到过分相开始信号，则整流、逆变器过分相开始动作，否则退出过分相程序；

（2）整流、逆变器过分相动作完成后，MCPU向网络控制系统发送过分相准备完毕信号；

（3）若网络控制系统接收到过分相准备完毕信号，则断主断路器，若未接到过分相准备完毕信号，且过分相开始信号发出时长到达设定时长时，则网络控制系统强制断主断路器，随后进入无电区；

（4）通过无电区后且网压恢复正常，若网络控制系统接收到过分相结束信号，则合主断路器，MCPU接收到该信号后，四象限整流器开始发脉冲，否则继续断开主断路器；

（5）若整流器启动完成，则进入逆变器过分相结束动作，否则四象限整流器继续启动；

（6）当逆变器过分相结束动作完成，若MCPU接收到过分相恢复完成信号，则退出过分相，否则继续进行逆变器过分相结束动作；

逆变器过分相按照以下步骤进行：

（1）若逆变器接收到MCPU过分相开始信号，则电机开始降功并至0，否则逆变器过分相结束；

（2）电机降功至0后，根据辅助系统的总功率计算出其中一电机转矩，该电机转制动状态来维持中间母线电压稳定，随后向MCPU发送一个制动OK信号；

（3）若接收到MCPU的过分相结束信号，则转为制动状态的电机降功为0，否则继续维持中间母线电压稳定；

（4）转为制动状态的电机降功为0后，若所有电机的牵引力或制动力达到过分相前的级位要求，则向MCPU发送过分相恢复完成信号，逆变器过分相结束；

整流器过分相过程包括以下步骤：

（1）MCPU接收到过分相开始信号后，通过逻辑判断后发送停止指令给四象限整流器，整流器先判断是否处于工作状态，若处于工作中，则四象限停止工作，否则四象限过分相结束；

（2）若没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，但接收到MCPU发送的启动四象限命令，则先判断四象限启动条件是否满足，若满足，则四象限发脉冲启动，否则查找故障并复位，继续判断是否满足四象限启动条件；

（3）若既没有接收到MCPU发送的停止四象限命令，也没有接收到MCPU发送的启动四象限命令，则四象限过分相结束。

2.根据权利要求1所述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，其特征在于降功完成后，给制动电机以外的电机正常发脉冲来抑制电机反电势。

3.根据权利要求1或2所述大功率永磁直驱机车牵引系统自动过分相控制方法，其特征在于所述设定时长为160/V，其中V为当前车速,160指的是线路上两个磁石间距，单位为m。

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