自动驾驶电力机车牵引变流器中IGBT寿命损耗优化策略

作为牵引变流器的核心部件,IGBT模块寿命损耗很大程度上直接决定了牵引变流器全寿命周期成本。为此文中在不影响机车整车输出牵引性能的基础上,提出一种基于电力机车各轴牵引力动态分配的IGBT寿命损耗最优策略,以降低牵引变流器全寿命周期成本。基于牵引电机结构原理与相关现场数据,该方法首先建立IGBT寿命损耗与牵引力及区间速度的量化模型;然后基于上述量化模型与机车自动驾驶系统规划的区间速度及牵引力发挥曲线对不同牵引力分配策略下逆变器IGBT寿命损耗进行实时计算,得出寿命损耗最优的牵引电机功率分配方案,控制机车各轴牵引电机输出。最后,基于HXD1自动驾驶机车现场某区间运行数据,对所提方法进行测试,验证所提方法的有效性。     

中速磁悬浮列车分段式长定子永磁直线同步电机牵引控制策略

采用分段式长定子永磁直线同步电机牵引的中速磁悬浮列车在定子段换步时,相邻定子段绕组交链的永磁磁链的改变会导致牵引力损失,除此以外,在牵引过程中,馈电电缆长度的增加使得电机漏阻抗增大,在变流器供电容量的限制下,列车无法在试验线中完成全速度运行。该文首先建立含有定子段换步的长定子永磁直线同步电机数学模型,在此基础上,提出全速度运行的换步控制策略,以及适用于该电机的弱磁控制策略。该策略对q轴电流实时分配,保证在换步区间相邻定子段的q轴电流均跟随参考值;利用电机端电压计算得到d轴电流参考值,使电机在id=0控制和弱磁控制两种工况之间平滑切换。通过硬件在环实验,验证了采用所提策略可在线路长度和变流器容量限制下,实现列车全速度运行,并消除电机在定子段换步时的牵引力损失。     

基于改进下垂控制的贯通同相系统负荷分配方法

贯通同相供电系统中,相邻牵引变电站同时给机车负载供电。各牵引变电站与机车间线路阻抗及分配的负荷功率随机车位置变化,传统下垂控制无法实现功率的有效分配。提出了一种基于自适应虚拟阻抗的改进下垂控制策略。针对功率变化问题,通过自适应虚拟阻抗环节,补偿线路的变化量,满足传统下垂控制的使用条件。对传统下垂控制加以改进,在改进后的下垂控制中加入补偿项,提高功率分配精度。此外,提出基于改进下垂控制分析负荷分配方法,通过改变虚拟阻抗与下垂控制系数实现负荷在相邻牵引变电站间任意分配。最后,利用基于时变相量的小信号模型选取下垂参数。仿真结果验证了理论分析的正确性。     

货运列车自适应模型平滑切换及节能优化研究

为了使货运列车运行过程切近实际,提出了一种基于加速度自适应的货运列车质点模型平滑切换方法。首先,建立列车的单质点和多质点模型,基于扰动加速度偏差变化率进行列车多模型的自适应切换研究。然后,为了降低大功率机车牵引电机的工作能耗,引入货运列车牵引控制的多目标和约束条件,建立了多目标优化模型,并提出一种新型的多目标飞蛾扑火(MOMFO)算法用于优化货运列车运行过程。最后,采用HXD1型电力机车牵引50节C80货车作为研究对象,通过仿真验证了所提方法对货运列车牵引电机节能及运行过程优化具有重要意义。     

单边直线感应电机法向力牵引力解耦控制

单边直线感应电机(single-sided linear induction motor,SLIM)的法向力和牵引力可以通过初级和次级磁链的幅值和夹角表示。通过选择PWM变频器最优电压矢量、改变磁链的瞬态幅值及夹角,可以实现单边直线感应电机法向力和牵引力的解耦控制。由此可以将单边直线感应电机的法向力和牵引力分别用于直线电机车辆的悬浮及牵引控制,实现不设悬浮电磁铁的直线感应电机车辆的悬浮牵引同时运行。实验结果表明,在整个运行期间,悬浮牵引兼用直线电机车辆的悬浮气隙及运行速度均能快速的跟踪给定值,体现了良好的精度和稳定性能。提出的力解耦控制方案得到了较好的验证。     

计及再生制动能量回收和电能质量改善的铁路背靠背混合储能系统及其控制方法

为有效回收电气化铁路交流传动型机车产生的大量再生制动电能,同时兼顾改善牵引供电系统电能质量的目的,提出一种背靠背混合储能系统及其控制方法。首先,理论分析系统整体能量分配关系及优化补偿机理;然后,逐一提出混合储能系统目标出力值分配策略,含电能质量指标参数约束的背靠背变流器优化补偿数学模型及限幅功率动态调整的混合储能系统内部协调控制策略,共同构成该系统的复合优化控制方法;最后,基于预设工况及某牵引变电站典型日实测负荷数据,从功率流分配、电能质量改善效果、蓄电池/超级电容全时间段出力情况、不同储能混合度下的制动电能回收率等方面进行仿真分析与验证。结果表明:所提系统及其控制方法能够协调控制制动能量多向按需转移、存储和释放,实现了再生制动能量的合理利用;能够有效降低系统侧负序电流、提高平均功率因数;同时,不同储能介质间能够进行合理的功率分配,有利于提高混合储能系统供电可靠性及长期稳定运行的能力。     

直接转矩控制牵引系统全速度范围运行研究

提出了一套适合大容量牵引系统的直接转矩控制全速度范围运行方案,包括各速度范围的控制方法以及各速度段之间的过渡方法,并在1500V直流环节的铁路机车牵引控制系统中得以应用,现场地面实验结果验证了这套方案的有效性和实用性.     

采煤机牵引变频器功率平衡控制策略的研究

针对两台刚性联接的采煤机牵引电机之间存在功率不平衡的问题,提出了一种基于矢量控制和在线电机参数辨识相结合的采煤机牵引电机功率平衡控制策略,该控制策略不仅保证了牵引电机的速度闭环控制,而且避免了两台牵引电机因为功率不平衡而损坏电机。在线电机参数辨识能够准确辨识在运行过程中产生变化的电机参数,提高了矢量控制的精度。通过样机实验证明该控制策略能够解决两台牵引电机功率不平衡的问题。     

基于LS-SVM的列车牵引电机电流实时估计

为满足列车牵引传动系统在牵引电机状态监测、异常诊断与预测等领域对牵引电机定子电流准确估计的需求,提出了一种基于多工况最小二乘支持向量机（LS-SVM）模型的牵引电机电流实时估计方法。该方法结合牵引电机参数和转矩转速试验测量数据,利用牵引电机机理模型计算得到定子电流估计值;然后根据列车运行规律将其分为多个运行工况,基于历史运行数据的相关变量建立各工况下定子电流的LS-SVM估计模型并研究列车不同运行工况对模型精度的影响,基于多工况模型实现牵引电机全工况下电流的实时有效估计。通过实际运行数据验证了所提方法的有效性和可行性。     

工矿电机车斩波调速微机控制系统

介绍由微型计算机控制的工矿电机车斩调速系统，给出了系统硬件接线及控制程序框图。该系统能对工矿机车的运行速度和牵引电机的电流进行自动调节，并能实现两台电机的同步重联运行。     

A method for improving the energy efficiency of an alternating current electric locomotive in the regenerative braking mode

A method for improving the power factor of an ac locomotive with the commutator motor operating in the regenerative braking mode is proposed. The method improves the control system algorithm of the power converter. The new switching method of inverter thyristors regulates the curve of the instantaneous power during the main switching. It allows reducing the period in which the energy flow passes to the locomotive, leading an increase in the average value of the instantaneous power. A “traction substation–electric traction network–locomotive in the regenerative braking mode” mathematical model is presented to verify efficiency of the method. The model consists of several interacting electric power substations, a section of electric traction grid, a locomotive power transformer, a four-zone inverter, a control system of reversible converter, and a dc circuit. The model is realized in the OrCAD software.     

基于TCN动车组牵引电机控制系统建模方法研究

针对动车组交流异步牵引电机的空间分布性特点,讨论了基于列车通信控制网络(TCN)的牵引电机控制系统建模方法。采用输入输出反馈线性方法对牵引电机的5阶非线性模型进行线性化和解耦,之后将其引入基于TCN的动车组网络控制系统,并考虑了网络控制系统中的网络延迟。使用动态输出反馈控制方法,得到网络化的异步牵引电机控制模型。运用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统进行了稳定性分析,给出了系统的渐近稳定条件。     

定子轴向通风孔对三相异步牵引电机温度场的影响

以一台大功率机车用异步牵引电机为例,根据传热理论,给出相应的求解域和数学模型。利用有限元法,计算了稳态运行的温度场,得到定子轴向通风孔不同孔距和孔径对电机温度场的影响,并对结果进行分析,得到一些有益的结论。     

电气化铁道牵引变电所负荷概率模型

考虑牵引负荷具有随机波动的特点,提出了一种利用概率模型描述牵引变电所有功功率和无功功率的方法.基于实测数据,统计分析了电力机车和牵引变电所有功功率分布特点.利用单台电力机车有功功率分布和行车密度分布联合对牵引变电所有功功率进行概率建模,进而通过按功率因数特性对机车适当分类,建立了无功功率概率模型.给出了采用模拟退火算法完成概率模型参数辨识的方法.最后通过实例求解和蒙特卡洛仿真,验证了所提出的概率模型的有效性.     

基于HIL仿真试验平台的动车组电机缺相故障研究

牵引控制系统中异步电机定子绕组发生故障,导致定子绕组不对称连接,严重影响动车组(EMU)牵引控制系统的安全稳定运行。针对牵引控制系统中异步电机定子一相绕组缺相故障,考虑端电压约束条件,推导电机一相缺相的数学模型,并基于硬件在环(HIL)仿真试验平台对数学模型进行验证。详细阐述了HIL测试平台的系统框架,设计实现方法,软硬件连接配置。将Xilinx软件下搭建的电机缺相数学模型下载至dSPACE仿真机上运行,与牵引控制单元(TCU)连接,进行HIL仿真,通过检测算法对电机缺相故障作出判断与处理。结果表明该仿真测试平台的有效性,可提供接近真实的测试环境,为牵引控制系统电机缺相故障诊断与算法功能开发提供了理论基础和设计依据。     

列车再生制动能量管理及控制系统研究

为回收利用交流电气化铁路列车产生的再生制动能量,研究了再生制动能量管理及控制系统.提出一种基于牵引负荷状态的能量综合管理策略,以牵引变压器两供电臂负荷功率为信息载体表示系统的不同工作模式,多种工作模式可相互切换.在混合储能装置内部功率分配中,通过引入锂电池荷电状态SOC(state of charge)及超级电容中间调...     

高速磁浮系统最小能耗下的运控曲线计算

目前高速磁浮交通牵引系统多采用双端供电模式,针对该工作模式下给定运控曲线的等电流、等电压分配策略产生大量区间能耗的问题,研究了一种以最小能耗为目标的运控曲线计算。首先建立双端供电模式下长定子直线同步电机的d-q轴等效电路模型,分别根据等电流法和等电压法分配双端变流器的电流,然后将整个高速磁浮交通牵引系统的能耗作为目标函数,再把运行耗时和区间距离作为约束条件,最后通过拉格朗日条件极值法求出最小能耗点,进而得到高速磁浮的运控曲线。经仿真计算发现,该方法能在满足等电流和等电压分配策略的情况下,找到符合约束条件的最小能耗点和其所对应的运控曲线,使得整个高速磁浮交通牵引系统的能耗降低。     

Simulation Model of a Direct-Current Electric Locomotive with Commutator Traction Motors

A dc electric locomotive simulation model is considered that makes it possible to study transient and steady processes and may serve as a basis for the notion of a “digital locomotive” being implemented within the “Digital Railway” project. One of the most popular electric locomotives is selected, which is designed for pulling freight trains along long-distance railways electrified with direct current with a voltage of 3000 V. The electric locomotive model is based on a mathematical model of a collector traction engine. The model takes into account the nonlinearity of the main pole’s magnetic characteristic, as well as the effect of eddy currents in solid magnetic circuit sections on the magnetic flux variation. The model provides a mechanism for regulating motors in the course of investigations in accordance with operating conditions. The processes of resistor starting and voltage regulation by connection to resistors by means of transposition, as well as motor regulation by changing the magnetic flux, are taken into account. The possibility of using the developed model to study the traction substation–traction network–electric rolling stock system, which is determined by different operating modes of the traction network in the process of converting electrical energy into mechanical, is shown. Calculations of various locomotive operating modes in the event of failure in the contact network are carried out.