電力機車交流傳動系統(tǒng)半實物仿真的研究.pdf

1、電力機車交流傳動系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高。其控制裝置設(shè)計測試定型周期長，成本高。研究開發(fā)系統(tǒng)半實物仿真平臺，通過仿真模型代替物理交流傳動系統(tǒng)作為測試手段，可以對原型控制方案進(jìn)行分析、設(shè)計和驗證；可以對實現(xiàn)程序進(jìn)行修改，發(fā)現(xiàn)可能的問題并確定最佳參數(shù)。利用交流傳動系統(tǒng)半實物仿真平臺研發(fā)控制裝置，可以有效地節(jié)約開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高公司市場競爭力。 本文查閱了大量的國內(nèi)外交流傳動系統(tǒng)仿真方面的文獻(xiàn)資料，調(diào)研了我所(株洲電

2、力機車研究所)電力機車交流傳動系統(tǒng)研究和開發(fā)現(xiàn)狀。在了解熟悉dSPACE仿真平臺的基礎(chǔ)上，開展了半實物仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與算法實現(xiàn)研究。開展電力機車交流傳動系統(tǒng)半實物仿真的研究，既要解決一些建立系統(tǒng)模型確定算法的理論問題，又要處理在實現(xiàn)模型和算法的開發(fā)過程中遇到的實際問題。并且所研發(fā)的系統(tǒng)需要通過實際的交流傳動系統(tǒng)地面試驗結(jié)果進(jìn)行評估驗證。無論建立數(shù)學(xué)模型或開發(fā)實現(xiàn)都必須把理論和實際緊密結(jié)合起來，理論建模時必須考慮實際開發(fā)實現(xiàn)時軟硬件環(huán)

3、境的限制，實際開發(fā)實現(xiàn)時的近似處理必須考慮其理論依據(jù)。文章首先把實際的電力機車交流傳動系統(tǒng)抽象為目標(biāo)系統(tǒng)，在抽象的過程中，從建立模型的目的出發(fā)，確定模型應(yīng)該反映的實際系統(tǒng)特定的物理規(guī)律和應(yīng)該描述的實際系統(tǒng)變量。在此基礎(chǔ)上，簡化實際系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)，抽象出合適的目標(biāo)系統(tǒng)描述。然后，針對目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行模型的劃分和子模型描述。本報告的主要研究內(nèi)容如下。 1）對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，綜合實物控制裝置的PWM脈沖信號和交流側(cè)電流方向確定了模型的算法實現(xiàn)。通過半實物仿真結(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，實現(xiàn)了半實物閉環(huán)仿真。在不同負(fù)載電流情況下，對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實驗并分析了仿真結(jié)果。3)建立了異步電機的四階微分方程描述，推導(dǎo)了電力機車的動力傳遞模型，針對模型和實物控制裝置采樣時間不一致性，對逆變器模型進(jìn)行了等磁鏈電壓補償。所建立的模型實現(xiàn)

5、了半實物閉環(huán)仿真。并且結(jié)合傳動控制組開發(fā)新的控制算法實驗對模型系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實驗和完善。4)在兩個子系統(tǒng)的研發(fā)基礎(chǔ)上，搭建了整個電力機車交流傳動系統(tǒng)模型。采用了“中華之星”電力機車參數(shù)數(shù)據(jù)的模型和“中華之星”電力機車交流傳動控制裝置構(gòu)成閉環(huán)進(jìn)行了半實物仿真實驗。仿真結(jié)果和“中華之星”電力機車交流傳動系統(tǒng)地面實驗報告中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明了整個交流傳動系統(tǒng)的模型是有效的，達(dá)到了開發(fā)系統(tǒng)級仿真平臺的目的。同時也表明各子系統(tǒng)模型的

6、正確性和有效性。5)為了再現(xiàn)電力機車交流傳動系統(tǒng)運行時其中元器件的電壓電流情況或給設(shè)計變流器產(chǎn)品提供參考依據(jù)，我們開展了相構(gòu)件仿真的研究。對相構(gòu)件仿真，需要考慮如何導(dǎo)入實時仿真數(shù)據(jù)，如何構(gòu)建電路模型和確定模型計算的初始狀態(tài)，其出發(fā)點是利用半實物系統(tǒng)級仿真數(shù)據(jù)作為輸入，建立更復(fù)雜的部件模型(考慮換流時的吸收保護(hù)電路)，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行離線仿真。并對模型的正確性和仿真結(jié)果的有效性作出評估。我們探索出了實現(xiàn)相構(gòu)件仿真

7、的可行的方法。 dSPACE軟硬件系統(tǒng)是一個具有計算功能強大，使用方便的仿真平臺。我們可以根據(jù)實際需要，通過建立更多的仿真模型提高其使用效益，發(fā)揮半實物仿真平臺作為現(xiàn)代化的測試手段在產(chǎn)品研制開發(fā)過程中的作用。作為電力機車交流傳動系統(tǒng)仿真的擴展，可以開展以幾方面的研究工作?？砷_展電力機車外特性建模與仿真，為設(shè)計電力機車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象的數(shù)學(xué)模型及其它電機的數(shù)學(xué)模型，使得仿真模型系列化