一種解決架線式機車短時脫網的方法

摘 要：架線式機車經常遇到電源短時脫網現象，本文提出了一種新的解決方法—發電穩壓，具備電壓穿越功能，并且和常規的方法通過對比顯示其優越性，最后使用仿真驗證了其可行性。

關鍵詞：脫網；電壓穿越；電壓控制；環路切換

中圖分類號：TM921.51

在機車使用過程中，經常會出現直流側母線會出現短時脫網的現象，恢復供電后，需要控制器馬上投入正常工作。由于這個時候電機轉速可能還比較高，電機的磁場還沒有完全消失，控制器由于欠壓保護而輸出關閉，如果未經任何處理直接連接電機，則會出現較大的電流沖擊導致控制器損壞。本文對于解決減少沖擊的幾種方法進行分析，并且提出了一種高效可行的方法。

1 方案對比

一般控制器會采用上述的其中一種，若客戶需要快速啟動功能，使用電壓檢測的方式，基本能達到用戶的使用要求。本文的提出方法為發電穩壓方案，不僅能夠省去硬件傳感器的成本，還能在脫網期間控制電機，進行電剎車，提高安全性能。

2 控制策略

（1）在t1時脫網發生，但是控制器未得知，繼續正常工作；（2）脫網發生時（t2），母線電壓從V5：500V開始跌落，但控制器當時是無法檢測該狀態；（3）直至電壓跌落至V2：385V時（t2），啟動電壓環控制，力矩Trq*給定從力矩環輸出改為電壓環輸出，控制目標由轉速ω改為母線電壓Udc，即電壓控制在V3：400V；（4）當電網開始恢復（t3），母線電壓開始抬升，但是由于電機控制還在電壓環，所以出的力矩為正力矩，即電動狀態；（5）當電壓到達V4：430V時，控制模式從電壓控制切回速度控制。

3 特殊工況

下面是方案3發電穩壓在各個特殊工況響應策略：

3.1 脫網期間能夠響應電磁制動工況。脫網期間如果整車要求剎車，是需要響應電磁制動指令，體現系統控制優勢。當電磁制動時，系統很快會退出電壓控制模式。最惡劣情況為在脫網期間，又使能速度控制，系統會再一次進入母線電壓控制模式，不會有什么風險。這種電磁制動指令優先級最高的模式能夠滿足客戶需求。

3.2 勵磁電流隨母線電壓快速響應。由于在脫網期間轉速會有變化，所以勵磁電流也需要根據轉速和電壓變化，防止vdq電壓飽和而導致勵磁電流無法建立，在電流環計算id較合適，響應速度要快。

3.3 脫網切換時加入重啟時間。在脫網時若采用電壓環控制，若發生保護則立刻關管，根據 ，即使電流消失，磁鏈也不會馬上消失，這時在定子側會有反電勢存在。為防止過快啟動引起沖擊，則需要根據電機轉子的時間常數設置一個最小時間。

3.4 脫網后立即恢復無風險。發電穩壓方案由于存在響應延時，所以需要降低關管電壓值，并且切換發生保護再關閉繼電器，需要20ms左右的時間，母線電壓下降不多，在母線直接和電網連接，沖擊不大。

4 仿真結論

4.1 一般脫網工況。從圖3來看，在脫網后，響應比較及時，快速切換成電壓環，維持穩定電壓，恢復電壓能夠立即輸出功率，達到了預計的效果。

（1）速度變化較平穩，力矩接近于零，說明用來維持的動能較??；（2）母線電壓和相電流波形較穩定，說明環路控制穩定。

4.2 脫網短時發電工況。為了能更真實模擬脫網期間工況，把可能發生的都加入仿真模型：（1）速度控制時母線脫網；（2）脫網期間發生電磁制動；（3）制動時觸發過壓斬波；（4）電磁制動后進行速度控制；（5）電網恢復后，再發生電磁制動。

可以從圖4中看出，無論是電壓過低和過高，控制器都進行了有效的控制，保證在脫網穿越期間電機系統在受控的范圍內，當電網恢復正常后，工作狀態恢復正常。脫網期間電機系統只有無法響應速度控制，其他的功能如電磁制動都工作正常。

參考文獻：

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[2]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統--運動控制系統（第4版）.2011

作者簡介：殷浩（1983-），男，上海人，就職于格至控智能動力科技（上海）有限公司，部門主管，助理工程師，工程碩士，研究方向：電氣工程。

作者單位：同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804