CN114337472B - 一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，涉及永磁电力机车的控制方法领域。具体为：牵引控制单元TCU接收断开主断路器信号，永磁电力机车高速运行中，司机进行断开主断路器操作，列车控制和管理系统TCMS向TCU下发断主断路器的指令；然后主控单元MCPU判断列车当前运行工况，TCU接收断主断指令后，TCU中的主控单元MCPU通过司机手柄级位先判断列车当前运行工况，共分为3种工况：牵引工况、制动工况、惰性工况；根据列车当前运行工况执行控制逻辑，分别进行三种对应的逻辑操作。本发明抑制反电动势对中间直流侧设备的损坏，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统等故障发生，从而保障列车安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电力机车的控制方法领域，具体为一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法。
背景技术
永磁同步电机转子不需要额外的磁场励磁，由转子结构中的永磁体提供转子磁场。当电机端子无供电且处于旋转状态时，转子在永磁体的作用下仍能产生旋转磁场，从而在定子绕组中产生感应电动势，即空载反电势。空载反电势的大小受永磁体磁链幅值影响，且与电机转速成正比关系。高速下反电势如果不控制，会造成中间直流侧相关部件的损坏，一般通过加入三相交流隔离接触器来抑制反电势。当列车牵引高速100km/h以上运行中，司机进行主动断开主断路器（后文简称主断）工况时，隔离接触器收到断开指令到物理断开的时间差内，反电势会通过三相不控整流进入中间直流侧，抬高中间电压，造成斩波电阻超温故障，从而触发中间电压过压保护故障，影响列车正常运行。
现有技术中提出了一种电力机车永磁同步牵引电动机的反电势抑制方法及装置，解决发生故障时导致反电势失控的问题。文中通过在永磁同步牵引电动机和逆变模块之间设置交流侧隔离接触器基础上，再在中间直流回路模块与逆变模块之间增加设置直流侧隔离接触器，从而避免反电势失控导致中间直流侧设备损坏；但其缺点在于额外增加了一组隔离接触器，不仅系统成本增加，而且单纯依靠硬件保护，存在接触器无法断开的情况，存在损坏直流侧器件的风险。
另外还有一种思路是通过在永磁同步牵引电动机和逆变模块之间设置交流侧隔离接触器，遇到列车牵引高速断主断工况时，TCU发送隔离接触器断开指令，并封锁四象限和逆变脉冲，通过斩波电阻开通来降低相应的过电压，保证列车正常运行。但是该技术的缺点在于这种技术方案不区分牵引制动工况，牵引工况下反电势无法得到很好抑制，容易造成斩波电阻过温故障，影响列车正常运行，只有不断增大斩波电阻的体积，但这样会造成系统设计困难，与未来变流器轻量化的设计理念不符。
发明内容
本发明为了解决上述永磁电力机车牵引高速断主断路器存在反电动势所带来的多种问题，而且现有技术中所存在的缺陷，提供了一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，包括以下步骤：
步骤1：牵引控制单元TCU接收断开主断路器信号，永磁电力机车高速运行中，司机进行断开主断路器操作，列车控制和管理系统TCMS向TCU下发断主断路器的指令；
步骤2：主控单元MCPU判断列车当前运行工况，TCU接收断主断指令后，TCU中的主控单元MCPU通过司机手柄级位先判断列车当前运行工况，共分为3种工况：牵引工况、制动工况、惰性工况；
步骤3：根据列车当前运行工况执行控制逻辑，三种工况分别对应的控制逻辑为：
1）牵引工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 1ms后封锁四象限脉冲，同时发出断开电机隔离接触器指令，延时T 2ms后发出封锁逆变器指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 2-T 1＞T 3 （1）
牵引工况下，永磁电力机车的能量是由网侧-四象限侧-中间直流侧-逆变器电机侧，当接收到断开主断信号时，先切除能量源头即断开四象限侧脉冲，防止网侧能量流向中间直流侧，再保证电机隔离接触器实际断开后再封锁逆变器脉冲，最大程度上减小反电动势流向中间直流侧；
2）制动工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
制动工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通；
3）惰性工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，然后T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；惰性工况采用和制动工况一样的控制方法，因为惰性工况下，电机功率很小，网侧电流也很小，不会造成中间直流侧能量堆积，为了减小控制程序运算量及程序模块化，因此采用和制动一样的控制方法；假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
惰性工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，该方法在不改变现有硬件的基础上，通过软件优化实现，从能量流通的角度考虑，针对牵引及制动不同工况优化封锁脉冲逻辑，减小斩波电阻开通时间，从而抑制反电动势对中间直流侧设备的损坏，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统（含列车供电柜）等故障发生，从而保障列车安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的高速断主断路器的控制逻辑图。
图2为优化前高速断主断路器的脉冲封锁时序图。
图3为优化后高速断主断路器的脉冲封锁时序图。
图4为优化前牵引满载工况冷态20℃断主断路器波形图，图内标示了各个波形的通道定义名称，以下的图中均与此图中的通道定义名称对应相同。
图5为优化前牵引满载工况热态150℃断主断路器波形图。
图6为优化后牵引满载工况断主断路器波形图。
图7为优化后制动满载工况断主断路器波形图。
图8为优化后惰性工况断主断路器波形图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例的一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，控制逻辑如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：牵引控制单元TCU接收断开主断路器信号，永磁电力机车高速运行中，司机进行断开主断路器操作，列车控制和管理系统TCMS向TCU下发断主断路器的指令；
步骤2：主控单元MCPU判断列车当前运行工况，TCU接收断主断指令后，TCU中的主控单元MCPU通过司机手柄级位先判断列车当前运行工况，共分为3种工况：牵引工况、制动工况、惰性工况；
步骤3：根据列车当前运行工况执行控制逻辑，三种工况分别对应的控制逻辑为：
1）牵引工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 1ms后封锁四象限脉冲，同时发出断开电机隔离接触器指令，延时T 2ms后发出封锁逆变器指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 2-T 1＞T 3 （1）
牵引工况下，永磁电力机车的能量是由网侧-四象限侧-中间直流侧-逆变器电机侧，当接收到断开主断信号时，先切除能量源头即断开四象限侧脉冲，防止网侧能量流向中间直流侧，再保证电机隔离接触器实际断开后再封锁逆变器脉冲，最大程度上减小反电动势流向中间直流侧；
2）制动工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
制动工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通；本实施例中T 7=60ms，也就是T 6-T 5＞60；
3）惰性工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，然后T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；惰性工况采用和制动工况一样的控制方法，因为惰性工况下，电机功率很小，网侧电流也很小，不会造成中间直流侧能量堆积，为了减小控制程序运算量及程序模块化，因此采用和制动一样的控制方法；假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
惰性工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通，本实施例中T 7=60ms，也就是T 6-T 5＞60；
图2是优化前高速断主断脉冲封锁时序图，针对永磁电力机车现场实际工况，设定电机隔离接触器实际断开时间为T3=100ms，优化前不区分工况就为一套封锁脉冲逻辑，封锁脉冲时序为：MPU断主断信号发出后，逆变器立即降载，降载T4=200ms后发出电机隔离接触器断开指令，T3=100ms后隔离接触器断开，约T5=350ms后封锁逆变器脉冲，T6=420ms后封锁四象限脉冲。
图3是优化后高速断主断脉冲封锁时序图，针对永磁电力机车现场实际工况，设定电机隔离接触器实际断开时间为T3=100ms，牵引工况封锁脉冲时序为：MPU断主断信号发出后，逆变器立即降载，降载T1=200ms后封锁四象限脉冲，同时发出电机隔离接触器断开指令，T3=100ms后隔离接触器断开，约T2=350ms后封锁逆变器脉冲；制动及惰行封锁脉冲时序为：MPU断主断信号发出后，逆变器立即降载，降载T4=200ms后发出电机隔离接触器断开指令，T3=100ms后隔离接触器断开，T5=350ms后封锁逆变器脉冲，T6=420ms后封锁四象限脉冲。
图4~图8是依据图1及图2的控制逻辑，进行半实物仿真验证，为验证实际效果，搭建了基于“DSP+FPGA”半实物仿真平台。系统参数设定如下：网侧电压有效值Us = 25KV，中间直流侧电压Udc=2800V，开关频率fs=450Hz，斩波电阻R=3Ω，设置电机隔离接触器断开时间为100ms，仿真参数与环线试验实际参数一致。针对高速160km/h速度点，分别进行优化前后两种工况仿真对比分析。
图4为优化前牵引满载工况冷态20℃断主断波形图，160km/h牵引满载工况冷态20℃时反电势5151V（峰值），逆变脉冲封锁后，能量堆积在中间直流侧，导致母线电压抬升至斩波开通阈值，斩波累积开通时间60ms，四象限脉冲封锁后，母线电压逐渐下降。
图5为优化前牵引满载工况热态150℃断主断波形图，160km/h牵引满载工况冷态20℃时反电势4325V（峰值），逆变脉冲封锁后，能量堆积在中间直流侧，导致母线电压抬升至斩波开通阈值，斩波累积开通时间58ms，四象限脉冲封锁后，母线电压逐渐下降。
图6为优化后160km/h牵引满载工况，由图6可以看出，收到断主断指令后，逆变开始降载，然后四象限脉冲封锁同时发出断开隔离接触器指令，逆变器继续工作导致中间直流侧电压下降，反电势继续抬高母线，母线电压抬升至斩波开通阈值，斩波开通，待隔离接触器断开后，母线电压下降，斩波累积开通时间12ms，较优化前明显降低了斩波开通时间。
图7为优化后160km/h制动满载工况，由图7可以看出，收到断主断指令后，逆变开始降载，发出断隔离接触器指令，待隔离接触器断开后，封锁逆变脉冲，最后封锁四象限脉冲，整个过程中处于制动状态，中间直流侧能量通过四象限回馈至网侧，母线电压未抬升，斩波未开通。
图8为优化后160km/h惰行工况，由图8可以看出，惰性工况下能量很小，高速断主断后，母线电压未发生明显波动，斩波未开通。
以下表格为图4至图8中，从上到下的波形通道定义。
| 通道 | 定义 | 通道 | 定义 |
| 1 | 网压 | 9 | 电机1V相电流 |
| 2 | 四象限1电压 | 10 | 电机2U相电流 |
| 3 | 四象限1电流 | 11 | 电机2V相电流 |
| 4 | 四象限2电流 | 12 | 电机3U相电流 |
| 5 | 母线电压 | 13 | 电机3V相电流 |
| 6 | 斩波1电流 | 14 | 电机线电压 |
| 7 | 斩波2电流 | 15 | 逆变器脉冲 |
| 8 | 电机1U相电流 | 16 | 转矩 |
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：牵引控制单元TCU接收断开主断路器信号，永磁电力机车高速运行中，司机进行断开主断路器操作，列车控制和管理系统TCMS向TCU下发断主断路器的指令；
步骤2：主控单元MCPU判断列车当前运行工况，TCU接收断主断指令后，TCU中的主控单元MCPU通过司机手柄级位先判断列车当前运行工况，共分为3种工况：牵引工况、制动工况、惰性工况；
步骤3：根据列车当前运行工况执行控制逻辑，三种工况分别对应的控制逻辑为：
1）牵引工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 1ms后封锁四象限脉冲，同时发出断开电机隔离接触器指令，延时T 2ms后发出封锁逆变器指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 2-T 1＞T 3 （1）
牵引工况下，永磁电力机车的能量是由网侧-四象限侧-中间直流侧-逆变器电机侧，当接收到断开主断信号时，先切除能量源头即断开四象限侧脉冲，防止网侧能量流向中间直流侧，再保证电机隔离接触器实际断开后再封锁逆变器脉冲，最大程度上减小反电动势流向中间直流侧；
2）制动工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，延时T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；其中，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T 3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
制动工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通；
3）惰性工况：当TCU接收到断主断信号时，先立即向逆变器发送降载指令，然后T 4ms后发出断开电机隔离接触器指令，T 5ms后发出封锁逆变器指令，最后T 6ms后发出封锁四象限脉冲指令；惰性工况采用和制动工况一样的控制方法，假设电机隔离接触器从接收断开指令到实际断开的时间为T3ms，则必须满足如下公式：
T 5-T 4＞T 3 （2）
T 6-T 5＞T 7 （3）
惰性工况下，永磁电力机车的能量是由逆变器电机侧-中间直流侧-四象限侧-网侧，当接收到断开主断信号时，依据根据能量有效疏通角度考虑，先断开能量源头逆变电机侧隔离接触器，再封锁逆变脉冲，经过T 7=55ms~65ms的时间将中间直流侧堆积的能量通过四象限流回至网侧，最后封锁隔离四象限脉冲，最大程度上保证中间直流侧能量的流通。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，其特征在于：制动工况及惰性工况下，T 7=60ms。
3.根据权利要求1所述的一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，其特征在于：牵引工况下：T1=200ms，T2=350ms，T3=100ms。
4.根据权利要求1或2所述的一种永磁电力机车高速断主断路器反电动势抑制控制方法，其特征在于：制动工况和惰性工况下，T3=100ms，T4=200ms，T5=350ms，T6=420ms。
Priority Applications (2)
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