CN102904250A - 一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，如果检测到的网压不低于限定值时，不对电机电流进行限制操作，机车不做减载处理；当检测到的网压低于限定值时，对电机电流按照一定的速率进行减流操作，减流量跟网压降低的大小成正比关系，网压越低，减载量越大，减载量随网压的变化而变化；在检测网压变化的过程中，同时监测机车的速度，当机车的速度接近限制值时，停止减流操作；如果检测到网压继续减少，则电机维持当前电流运行；当检测到网压有所恢复时，电机电流按照一定的速率进行恢复操作，恢复到一定坡度时所需的电流值。本发明解决了在既有线路，尤其是长大坡道且电网功率不足的线路上，保证机车安全稳定运行的技术问题。

Description

一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种机车控制方法，尤其是涉及一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法。

背景技术

近年来随着国民经济的快速发展，电气化铁道所承担的运输任务持续增长，但是，一些既有线路，特别是长大坡道区段由于电网容量有限，导致接触网电压不断降低，每台机车分得的能量有限，导致出现电力机车辅机烧损、被迫停车等一系列问题，严重影响了正常的运输秩序。解决这种问题的最好方法就是增大牵引变电所的系统容量，但这会涉及到电力系统的配合，需增设高压变电站，架设高压线路等工作，投资非常巨大，而且在短时间内很难实现。

电力机车控制装置作为电力机车的核心部件在原理上大同小异，基本上采用电子柜集中控制方式。电子柜由柜体、插件箱、插件、风扇冷却装置四种主要部分组成。插件主要包括空转保护、转向架控制、功补控制、输入输出、特性控制、脉冲放大、转换控制。在粘着范围内机车牵引、制动的特性控制主要由车内的电子控制柜来完成。

在牵引时，控制系统可根据机车运行速度，自动调节整流桥触发脉冲移相角，使牵引电流沿着给定的速度－电流曲线变化，机车速度大致稳定在给定级位所对应的速度范围内，并实现最大牵引电流、最大电机电压限制。

在制动时，控制系统根据机车速度，自动调节励磁桥、全控桥的触发脉冲移相角，使制动电流沿着给定的速度-电流线变化，机车速度大致稳定在给定级位所对应的速度范围内，具有最大励磁电流限制、最大制动电流限制、最小制动电流限制等功能。当励磁电流达到最大限制值后，调节全控桥脉冲的移相角，减小逆变电压以维持制动电流不变。

在电子控制柜中，机车牵引、制动特性控制曲线的形成，是由机车特性控制插件来实现的。该插件接收司控器的级位指令，结合速度反馈、电机电流反馈、电压反馈等信号，按照一定的特性曲线公式进行计算，产生电流指令并输出。目前国内的交直电力机车基本上都是由一套控制系统控制着机车，其装置就是电子柜或微机柜，主要由牵引控制、电制动控制、空转和滑行保护控制、功率因数补偿控制等系统组成。控制模式基本一致，而其中的特性控制插件主要用于牵引、制动特性控制。而在低网压下如何保证机车稳定运行至今没有相关方面的研究。对于在低网压情况下如何更好地发挥机车电机的效率，从成本上和技术上综合考虑，只有修改机车特性控制插件，研发一种新的交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，才能快速有效地解决机车稳定运行的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，解决了在既有线路，尤其是长大坡道且电网功率不足的线路上，保证机车安全稳定运行的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法的技术实现方案，一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，包括以下步骤：

S100：检测网压，如果检测到的网压不低于限定值时，不对电机电流进行限制操作，机车不做减载处理；

S101：当检测到的网压低于限定值时，对电机电流按照一定的速率进行减流操作，减流量跟网压降低的大小成正比关系，网压越低，减载量越大，减载量随网压的变化而变化；

S102：在检测网压变化的过程中，同时监测机车的速度，当机车的速度接近限制值时，停止减流操作；

S103：如果检测到网压继续减少，则电机维持当前电流运行；

S104：当检测到网压有所恢复时，电机电流按照一定的速率进行恢复操作，恢复到一定坡度时所需的电流值。

作为本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法技术方案的进一步改进，在上述步骤S101中，当检测到的网压低于限定值时，对电机电流进行减流操作的过程进一步包括以下步骤：

S200：接收监控装置发出的包括机车运行的公里标和载重量在内的数据，并监测机车的运行速度，根据公里标、载重量和机车运行速度计算出机车运行时的近似阻力；

S201：根据计算的机车运行时的近似阻力得到在一定坡度上保证机车运行所需的最小牵引力；

S202：根据机车运行的牵引力和电机的电枢电流之间的关系求出实时的限制电流值。

作为本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法技术方案的进一步改进，所述控制方法还包括以下步骤：事先在软件中将机车运行过程中经过的各个路段对应的坡度和距离列成一个表格，在步骤S200中，根据监控装置传送的公里标数据通过查找表的方式，获得列车当前所处的路段的坡度和距离，并根据坡度和阻力的关系计算出当前的阻力。

作为本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法技术方案的进一步改进，根据以下公式计算机车运行时的近似阻力：

机车运行时的近似阻力                                                ；

其中，机车的单位阻力

，货车的单位阻力

，

为坡度，

为货车的总重，

为机车的重量，

为机车运行的速度。

作为本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法技术方案的进一步改进，当机车在坡道运行时，按照机车运行时的近似阻力的1.1～1.3倍计算机车运行所需的牵引力。

作为本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法技术方案的进一步改进，根据以下公式计算实时的电机限制电流值：

电机限制电流值

；

其中，

为机车的牵引力，

为电机的磁通。。

通过实施上述本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明解决了低网压下机车的安全稳定运行的问题，相比投入巨额资金建立变电所而言，投入资本少，开发周期短；

（2）本发明减少了机务段辅机烧损的可能性；

（3）本发明在一定程度上解决了在功率不足情况下机车的运行问题，能够自动对机车进行动力分配，节约了成本；

（4）本发明对于铁路机车运营来说是一种快速有效地处理措施，从目前国内铁路运营线路情况来看具有深远的研究价值及经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式中控制器的系统结构框图；

图2是本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式中速度信号处理电路的电路原理图；

图3是本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式的控制原理框图；

图4是本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式的机车减载步骤流程图；

图5是本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式的程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示为本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法一种具体实施方式中所应用到的机车特性控制插件控制器的系统结构框图，控制器为机车上的机车特性控制插件的一部分。现有电子柜中的机车特性控制插件只是在网压正常的情况下对电机的电压电流进行控制，达到调速的目的，而对于非正常工况（低网压）并没有做特殊处理。而本发明从电力机车本身出发，通过开发一种新的机车特性控制插件，并通过485总线与机车监控装置的监控TAX箱进行通讯。新的机车特性控制插件安装在机车电子柜的内部，各插件间的信号传递采用绕接线连接。新开发的机车特性控制插件单板和原型号接口完全兼容。 新插件采用了485总线与监控TAX箱的显示屏进行通讯。其它厂家也可以采用其它总线技术或者方法交换数据，但其技术实质和实现目的相同，只是实现的手段不同。通过在低网压工况下的动力协调控制方法来实现在低网压下机车的特性控制，合理分配机车所需的能量，保证机车的稳定运行。

机车特性控制插件的功能主要包括：

（1）牵引特性控制；

（2）制动特性控制；

（3）模拟量采集；

（4）LED指示；

（5）模拟量输出；

（6）空电联合；

（7）调制解调功能；

（8）自动过跨功能。

此外，机车特性控制插件还具有动力协调、低网压报警、RS485通讯等功能。

其中，速度信号处理电路由空转保护插件送来的速度信号（电压信号），经过比例变换后（10V转3.3V）送至DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）处理器，比例变换电路如附图2所示。

输入模拟信号处理电路的模拟信号包括机车的4个主辅台司机指令信号、1架和2架电机电压/电流反馈信号、励磁电流信号、网压峰值信号等。上述信号经过比例变换变为DSP处理器允许的输入电压范围。

模拟信号处理包括如下流程：采集外部信号，进行信号调理，将模拟量转换为数字量后，再读入DSP处理器。

DSP处理器完成的功能包括机车的牵引、制动特性、智能减载、网压报警功能。采用TI公司的32位浮点DSP TMS320F28335进行相应功能的控制及实现。

网压检测电路根据高压互感器送来的原边网压信号经过比例调节电路后在进行A/D转换。FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）通过A/D芯片对网压信号进行处理，当检测到网压低于设定值时进行报警，FPGA对外部送来的数字量进行逻辑控制、调制解调控制和重联控制等。

模拟量输出电路，即D/A转换电路在机车特性控制插件需要将某些信号用模拟量的形式送出板外时，这一部分工作由DSP处理器经过运算后送至D/A转换电路来实现。本插件设计了4路模拟信号输出，转换流程如下：DSP处理器的数字量输出至D/A转换芯片，再经过运放跟随器，最后输出至板外。

整个控制系统可以用如附图3所示的简化形式来表示。控制器根据从监控TAX箱送来的相关数据，和通过采集到的电机电压电流信号、速度信号、网压等，经过特性运算，送出低网压报警信号，以及在一定网压下的电机电枢电流值，达到机车自动动力协调控制的目的。新开发的机车特性控制插件保持了原有接口和功能，采用现今主流控制模式DSP+FPGA的开发模式，通过增加与机车监控装置的通讯，通过485总线读取监控TAX箱的数据，获取相关的数据，主要有公里标、车次、总重等信息。根据公里标信息通过查表求出机车当前运行的坡度，根据坡度和总载重数据，计算出列车运行时的总阻力，再根据阻力来求近似的牵引力值。进而求出近似的牵引电流值，并按照一定的逻辑控制实现低网压下机车的稳定运行。

本发明中新的机车特性控制插件增加了网压检测功能，当检测到网压低于某限定值时，电机电流按一定的速率减流，减流量跟网压降低的大小成正比关系。网压越低，减载量越大，减载量随网压的变化而变化。为了保证机车的正常运营，在检测网压变化的过程中，同时监测机车的运行速度，当速度值接近限制值时，停止减流；如网压继续减少，则电机维持当前电流运行，否则将会造成机车坡停；当网压有所恢复时，电流则按一定的速率恢复，恢复到一定坡度时所需的电流值。

如果网压在设定的允许范围内，系统根据实际情况进行正常的牵引、制动特性运算，不作减载处理；当网压降低时，根据不同的网压范围进行不同的减载处理，具体流程如附图5所示。

本发明通过获取监控TAX箱中的相关信息来计算一定坡度和速度下的机车运行最小电机电枢电流，使机车在低网压下所消耗的能量最小且保证机车的正常运营。交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法根据机车当前的相关信息：区间、坡道、上下行、公里标等监控信息，结合当前的网压、速度相关运行信息，对电机的电枢电流进行实时监测并控制。保证机车在低网压下的正常运行。控制器通过485总线获取监控装置相关数据信息，根据公里标、载重量计算阻力，进而推算牵引力，根据电机牵引力和电流的关系对机车电机的电枢电流进行控制，达到智能减载的目的。

目前的交直型电力机车上都装有机车监控装置，即附图2中所示的监控TAX箱就是其中的通讯装置。机车特性控制插件的电子柜采用485通讯方式与监控TAX箱进行通讯，获取相关信息，跟本发明有关的数据有：公里标数据、载重数据等。每条线路都有一定的坡度，这是固定不变的，本发明为本发明交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法在软件中将各个路段的坡度、距离列成一个表格，根据监控中传送的公里标信息通过查表的方式，可以获得列车当时所处的坡度状况，根据坡度和阻力计算公式计算出当时的阻力，具体计算公式如下所述。阻力和牵引力有一定的关系，这样就可以推导出列车在某一坡度上的最小牵引力，而牵引力跟电机的电流相关，最终可以求出一定坡度上列车运行所需的最小牵引力。而不是根据电机的自然特性运行，这样就可以节约一部分能量供其他路段的机车使用，减少能量消耗，特别是低网压情况下，使机车发挥最小的功率运行，保证了行车的安全。

如附图5所示的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法的具体实施方式，包括以下步骤：

S100：检测网压，如果检测到的网压

不低于限定值

时，不对电机电流进行限制操作，机车不做减载处理；

S101：当检测到的网压

低于限定值

，但高于限值

时，则按照限制曲线1进行处理，即对电机电流按照一定的速率进行减流操作，减流量跟网压降低的大小成正比关系，网压越低，减载量越大，减载量随网压的变化而变化；

S102：在检测网压变化的过程中，同时监测机车的速度

，当机车的速度

接近限制值

时，停止减流操作；

S103：如果检测到网压继续减少，低于限值

时，则按照限制曲线2进行处理，即电机维持当前电流运行；

S104：当检测到网压有所恢复时，电机电流按照一定的速率进行恢复操作，恢复到一定坡度时所需的电流值。恢复操作操作的过程与减流操作的过程相反。

如附图4所示，在步骤S101中，当检测到的网压低于限定值时，对电机电流进行减流操作的过程进一步包括以下步骤：

S200：接收监控装置发出的包括机车运行的公里标和载重量在内的数据，并监测机车的运行速度，根据公里标、载重量和机车运行速度计算出机车运行时的近似阻力；

S201：根据计算的机车运行时的近似阻力得到在一定坡度上保证机车运行所需的最小牵引力；

S202：根据机车运行的牵引力和电机的电枢电流之间的关系求出实时的限制电流值。

作为一种优选的实施方式，交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法还进一步包括以下步骤：事先在软件中将机车运行过程中经过的各个路段对应的坡度和距离列成一个表格，在步骤S200中，根据监控装置传送的公里标数据通过查找表的方式，获得列车当前所处的路段的坡度和距离，并根据坡度和阻力的关系计算出当前的阻力。

根据以下公式计算机车运行时的近似阻力：

整个交直机车包括机车和货车两部分，所以机车运行时的近似阻力也包括机车的阻力和货车的阻力两部分。则机车运行时的近似阻力

；

其中，机车的单位阻力

，货车的单位阻力，

为坡度，

为货车的总重，为机车的重量，

为机车运行的速度。在一种典型的实施方式中，机车的重量为138t。

当机车在坡道运行时，按照机车运行时的近似阻力的1.1～1.3倍计算机车运行所需的牵引力。根据电机牵引力计算公式：

，

，其中，

将数值代入后，根据以下公式计算实时的电机限制电流值：

电机限制电流值

其中，

为机车的牵引力，为电机的磁通，

为传动装置效率，

为电机效率。磁通

的计算跟电机的电枢电流和励磁电流

有关，根据以上公式可以求出牵引力和电枢电流的近似关系。

本发明针对低网压工况下如何保证机车安全运行，通过接收机车监控装置发出的相关数据如区间信息、载重量、上下行等，根据这些数据计算出机车运行时的近似阻力，进而得到在一定坡度上保证机车运行所需的最小牵引力，再根据牵引力和电枢电流的关系求出实时的限制电流值，当网压低于设定值时减载功能发挥作用，将电流限制到按上述方法计算出的最小电流值，保证机车运行。本发明在保持了跟原有机车特性控制插件电气接口相同的基础上对非正常情况下（低网压）作出了一套较为智能化的特性控制技术方案，主要应用于那些长大坡道且电网功率不足的线路，当机车在极其恶劣的工况下运行时起到了一定的保护作用。解决了低网压下机车的运行采取的处理措施及方法，相比投入巨额资金建立变电所而言，投入资本少开发周期短。一方面减少了机务段辅机烧损的可能性，另一方面在一定程度上解决了功率不足情况下机车的运行问题，节约了成本。对于铁路机车运营来说是一种快速有效地处理措施，从目前国内铁路运营线路情况来看具有深远的研究价值及经济效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：检测网压，如果检测到的网压不低于限定值时，不对电机电流进行限制操作，机车不做减载处理；

S101：当检测到的网压低于限定值时，对电机电流按照一定的速率进行减流操作，减流量跟网压降低的大小成正比关系，网压越低，减载量越大，减载量随网压的变化而变化；

S102：在检测网压变化的过程中，同时监测机车的速度，当机车的速度接近限制值时，停止减流操作；

S103：如果检测到网压继续减少，则电机维持当前电流运行；

S104：当检测到网压有所恢复时，电机电流按照一定的速率进行恢复操作，恢复到一定坡度时所需的电流值。

2.根据权利要求1所述的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于，在步骤S101中，当检测到的网压低于限定值时，对电机电流进行减流操作的过程进一步包括以下步骤：

S200：接收监控装置发出的包括机车运行的公里标和载重量在内的数据，并监测机车的运行速度，根据公里标、载重量和机车运行速度计算出机车运行时的近似阻力；

S201：根据计算的机车运行时的近似阻力得到在一定坡度上保证机车运行所需的最小牵引力；

S202：根据机车运行的牵引力和电机的电枢电流之间的关系求出实时的限制电流值。

3.根据权利要求2所述的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：事先在软件中将机车运行过程中经过的各个路段对应的坡度和距离列成一个表格，在步骤S200中，根据监控装置传送的公里标数据通过查找表的方式，获得列车当前所处的路段的坡度和距离，并根据坡度和阻力的关系计算出当前的阻力。

4.根据权利要求2或3所述的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于，根据以下公式计算机车运行时的近似阻力：

机车运行时的近似阻力                                               

；

其中，机车的单位阻力

，货车的单位阻力

，

为坡度，

为货车的总重，

为机车的重量，

为机车运行的速度。

5.根据权利要求4所述的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于：当机车在坡道运行时，按照机车运行时的近似阻力的1.1～1.3倍计算机车运行所需的牵引力。

6.根据权利要求5所述的一种交直机车在低网压工况下的动力协调控制方法，其特征在于，根据以下公式计算实时的电机限制电流值：

电机限制电流值；

其中，

为机车的牵引力，

为电机的磁通。

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