电力机车交流传动系统半实物仿真的研究

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1、摘要电力机车交流传动系统规模大、结构复杂、性能要求高。其控制装置设计测试定型周期长，成本高。研究开发系统半实物仿真平台，通过仿真模型代替物理交流传动系统作为测试手段，可以对原型控制方案进行分析、设计和验证：可以对实现程序进行修改，发现可能的问题并确定最佳参数。利用交流传动系统半实物仿真平台研发控制装置，可以有效地节约开发成本，缩短研发周期，提高公司市场竞争力。我们查阅了大量的国内外交流传动系统仿真方面的文献资料，调研了我所(株洲电力机车研究所)电力机车交流传动系统研究和开发现状。在了解熟悉dSPACE仿真平台的基础上，开展了半实物仿真系统的

2、数学建模与算法实现研究。开展电力机车交流传动系统半实物仿真的研究，既要解决一些建立系统模型确定算法的理论问题，又要处理在实现模型和算法的开发过程中遇到的实际问题。并且所研发的系统需要通过实际的交流传动系统地面试验结果进行评估验证。无论建立数学模型或开发实现都必须把理论和实际紧密结合起来，理论建模时必须考虑实际开发实现时软硬件环境的限制，实际开发实现时的近似处理必须考虑其理论依据。我们首先把实际的电力机车交流传动系统抽象为目标系统，在抽象的过程中，从建立模型的目的出发，确定模型应该反映的实际系统特定的物理规律和应该描述的实际系统变量。在此基础

3、上，简化实际系统的一些细节，抽象出合适的目标系统描述。然后，针对目标系统，进行模型的划分和子模型描述。本报告的主要研究内容如下。1)对单重四象限变流器系统的电路拓扑结构进行了分析，适当简化其中的吸收电路，建立了描述该系统的四阶微分方程数学模型，综合实物控制装置的PWM脉冲信号和交流侧电流方向确定了模型的算法实现。通过半实物仿真结果分析了模型和算法的有效性。2)建立了双重四象限变流器系统的五阶微分方程数学模型，实现了半实物闭环仿真。在不同负载电流情况下，对系统进行了仿真实验并分析了仿真结果。3)建立了异步电机的四阶微分方程描述，推导了电力机车

4、的动力传递模型，针对模型和实物控制装置采样时间不一致性，对逆变器模型进行了等磁链电压补偿。所建立的模型实现了半实物闭环仿真。并且结合传动控制组开发新的控制算法实验对模型系统进行了大量的实验和完善。4)在两个子系统的研发基础上，搭建了整个电力机车交流传动系统模型。采用了“中华之星”电力机车参数数据的模型和“中华之星”电力机车交流传动控制装置构成闭环进行了半实物仿真实验。仿真结果和“中华之星”电力机车交流传动系统地面实验报告中的实验数据进行了比较。结果表明了整个交流传动系统的模型是有效的，达到了开发系统级仿真平台的目的。同时也表明各子系统模型的

5、正确性和有效性。5)为了再现电力机车交流传动系统运行时其中元器件的电压电流情况或给设计变流器产品提供参考依据，我们开展了相构件仿真的研究。对相构件仿真，需要考虑如何导入实时仿真数据，如何构建电路模型和确定模型计算的初始状态，其出发点是利用半实物系统级仿真数据作为输入，建立更复杂的部件模型(考虑换流时的吸收保护电路)，在Matlab／Simulink环境下进行离线仿真。并对模型的正确性和仿真结果的有效性作出评估。我们探索出了实现相构件仿真的可行的方法。dSPACE软硬件系统是～个具有计算功能强大，使用方便的仿真平台。我们可以根据实际需要，通过

6、建立更多的仿真模型提高其使用效益，发挥半实物仿真平台作为现代化的测试手段在产品研制开发过程中的作用。作为电力机车交流传动系统仿真的扩展，可以开展以几方面的研究工作。可开展电力机车外特性建模与仿真，为设计电力机车整体性能要求提供参考依据。可建立其它拓扑结构的整流器和逆变器对象的数学模型及其它电机的数学模型，使得仿真模型系列化，扩展半实物仿真平台的功能。我们的半实物仿真研究只是取得了阶段性的成果，其中有些问题露要作为专门课题进行进一步的研究，以改善和提高仿真系统平台的性能。关键词：交流传动系统：数学模型；算法：半实物仿真Abs仃actTheel

7、ectriclocomotiveAC—DC-ACdrivesystemislargeinscale，complexinstructureandhasahi曲demandinperformance．Theperiodtodesign，testandfinalizethecontrollingdeviceislongandthecostishi曲．Studyinganddevelopinghardware-in—loopsimulationplatformandusingsimulatedmodelasatestingdeviceinstead

8、ofphysicaldrivesystem，wecananalyze，designandtesttheprototypecontrolschemeaswellasmodifyth