CN202424614U - 牵引逆变器控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种牵引逆变器控制装置。其中牵引逆变器控制装置包括：参数配置及控制模块、开环恒压频比控制模块、矢量控制模块和脉宽调制模块。参数配置及控制模块用于配置参数，依据参数调用相应的控制模块。开环恒压频比控制模块用于依据接收的调用指令执行开环恒压频比控制并输出经控制后的电压信号。矢量控制模块用于依据接收的调用指令执行矢量控制并输出经控制后的电压信号。脉宽调制模块用于对接收到的电压信号进行脉宽调制控制输出经调制后的脉冲信号。本实用新型具有较高的控制性能和较好的动态响应性能。

Description

牵引逆变器控制装置

技术领域

本实用新型涉及逆变器控制技术，尤其涉及一种牵引逆变器控制装置。

背景技术

大功率电力机车主要是指轴功率在1200KW或1600KW等级的干线货运或客运电力机车，其牵引逆变器主要用于给牵引电机提供电源，满足机车牵引特性和基本控制功能的需要。

牵引逆变器控制算法主要分为牵引电机特性控制、粘着控制和基本功能控制等。牵引电机控制算法主要有转差频率控制、直接转矩控制和矢量控制等。转差频率控制是基于电机稳态模型的控制算法，动态响应较慢。直接转矩控制对牵引电机的电磁转矩直接进行控制，没有电流闭环控制，电流谐波较大易导致电机温度偏高。矢量控制是基于直流电机模型对交流电机进行解耦控制，对输出脉冲进行调制，因此动态响应快且电流谐波小且可控。目前应用矢量控制技术的主要有西门子公司的HXD1型、阿尔斯通公司的HXD2型、东芝公司的HXD2C型和HXD3型电力机车。国内公司中国南车应用于牵引逆变器控制的算法主要为直接转矩控制。

现有的基于矢量控制技术的牵引逆变器控制算法一般包括脉宽调制算法、牵引电机控制算法和机车速度控制算法。其中，脉宽调制算法使用了分段同步调制方法，根据机车速度将牵引逆变器全速度范围分为异步调制、同步调制、过调制、3分频和方波等。牵引电机控制算法采用基于转矩控制的矢量控制算法，使用了较为单一的间接矢量控制系统的基本控制结构，包括电流调节环、解耦单元、磁链观测和脉宽调制单元等。机车速度控制算法采用单轴控制的方法，各轴的牵引逆变器采集机车给定速度和相应本轴的速度进行速度闭环控制，采用防滑防空转控制算法对牵引力给定值进行修正。

上述基于矢量控制技术的牵引逆变器控制算法的存在以下几点缺点：

(1)脉宽调制算法较为复杂，进入同步调制区后使用了过调制算法，需要进行较多的非线性处理，增加了算法实施难度和处理器的负担。

(3)牵引电机控制算法中没有转速开环控制策略，无法单独验证开环系统稳定，无法单独验证脉宽调制算法的正确性，在试验过程中也无法作为陪试设备进行速度控制，对相关试验环境进行考核。另外，牵引电机控制算法采用的矢量控制算法结构单一，由于牵引电机在全速度范围内的特性变化较大，仅使用电流闭环控制难以达到完全解耦的效果，且进入恒功区后的牵引逆变器输出电压基本恒定，电流调节失去作用。

(4)机车速度控制算法为基于单轴控制，由于车轮磨损等原因将会导致每轴检测的速度有一定的偏差，因此可能出现同一时刻下，机车的部分轴处于牵引工况、部分轴处于制动工况的现象，对于基本逻辑和节能控制均是不合理的。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于牵引逆变器控制装置，以克服上述各缺陷，提高控制性能。

本实用新型是提供一种牵引逆变器控制装置，包括：

用于配置参数并依据参数调用相应的控制模块的参数配置及控制模块；

用于依据接收的调用指令执行开环恒压频比控制并输出经控制后的电压信号的开环恒压频比控制模块；

用于依据接收的调用指令执行矢量控制并输出经控制后的电压信号的矢量控制模块；以及

用于对所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块输出的电压信号进行脉宽调制控制，输出经调制后的脉冲信号的脉宽调制模块；

其中，所述参数配置及控制模块的控制指令输出端分别与所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块通信连接，所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块的信号输出端与所述脉宽调制模块的信号输入端通信连接。

如上所述的牵引逆变器控制装置，其中，所述矢量控制模块包括：

用于实时检测电机的转速，并在所述转速小于第一预设转速时调用磁链开环控制子模块，在所述转速大于所述第一预设转速小于第二预设转速时调用磁链闭环控制子模块，在所述转速大于所述第二预设转速时调用标量控制子模块的电机速度检测及控制子模块；

用于依据接收的调用指令执行磁链开环控制并输出经控制后的电压信号的磁链开环控制子模块；

用于依据接收的调用指令执行磁链闭环控制并输出经控制后的电压信号的磁链闭环控制子模块；以及

用于依据接收的调用指令执行标量控制并输出经控制后的电压信号的标量控制子模块；

其中，所述电机速度检测及控制子模块的控制指令输出端分别与所述磁链开环控制子模块、所述磁链闭环控制子模块和所述标量控制子模块的控制指令输入端相连。

如上所述的牵引逆变器控制装置，还包括：

用于采样牵引电路中的电压和电流参数，并对采样的参数进行数字化处理的采样模块；

用于实时监测控制指令和状态信息的检测模块；

用于依据采样的电压和电流信息以及实时监测的控制指令或状态信息判断电机是否满足启动条件，若不满足进入停机处理过程的判定模块；

所述采样模块的采样信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接，同时还与所述判定模块通信连接；所述检测模块的监测信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接；同时还与所述判定模块通信连接。

本实用新型的技术效果是：本实用新型提出的控制装置适用于大功率电力机车牵引逆变器控制。该控制装置提供了开环恒压频比控制和矢量控制两种控制策略，通过配置相应参数可进行选择。当采用开环恒压频比控制时本实用新型不仅可以用来单独验证开环系统的稳定性和脉宽调制算法的正确性，还可以在试验过程中作为陪试设备进行速度控制，对相关试验环境进行考核。当采用矢量控制时本实用新型可有效地提高牵引电机的控制性能。

附图说明

图1为本实用新型提供的牵引逆变器控制装置实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型提供的牵引逆变器控制装置实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型提供的牵引逆变器控制装置实施例一的工作流程示意图；

图4为本实用新型提供的牵引逆变器控制装置实施例二的工作流程示意图；

图5为本实用新型提供的实施例中全速度范围的矢量控制算法的原理图；

图6为牵引特性曲线的一具体实例示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的牵引逆变器控制装置实施例一的结构示意图。本实施例所述牵引逆变器控制装置包括：参数配置及控制模块1、开环恒压频比控制模块2、矢量控制模块3和脉宽调制模块4。所述参数配置及控制模块1的控制指令输出端分别与所述开环恒压频比控制模块2和所述矢量控制模块3通信连接，所述开环恒压频比控制模块2和所述矢量控制模块3的信号输出端与所述脉宽调制模块4的信号输入端通信连接。所述参数配置及控制模块1用于配置参数，依据参数调用相应的控制模块。所述开环恒压频比控制模块2用于依据接收的调用指令执行开环恒压频比控制并输出经控制后的电压信号。所述矢量控制模块3用于依据接收的调用指令执行矢量控制并输出经控制后的电压信号。所述脉宽调制模块4用于对所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块输出的电压信号进行脉宽调制控制，输出经调制后的脉冲信号。其中，所述电压信号包括：电压幅值信息和角度信息。

本实施例所述的牵引逆变器控制装置可通过配置相应参数选择开环恒压频比控制和矢量控制这两种控制策略，解决了背景技术中的缺点，有效地提供了控制性能，减小了控制的动态响应时间。

如图2所示，本实用新型提供的牵引逆变器控制装置实施例二的结构示意图。基于实施例一，本实施例中所述的矢量控制模块包括：电机速度检测及控制子模块301、磁链开环控制子模块302、磁链闭环控制子模块303和标量控制子模块304。所述电机速度检测及控制子模块301的控制指令输出端分别与所述磁链开环控制子模块302、所述磁链闭环控制子模块303和所述标量控制子模块304的控制指令输入端相连。其中，所述电机速度检测及控制子模块301用于实时检测电机的转速，并在所述转速小于第一预设转速时调用磁链开环控制子模块，在所述转速大于所述第一预设转速小于第二预设转速时调用磁链闭环控制子模块，在所述转速大于所述第二预设转速时调用标量控制子模块。所述磁链开环控制子模块302用于依据接收的调用指令执行磁链开环控制并输出经控制后的电压信号。所述磁链闭环控制子模块303用于依据接收的调用指令执行磁链闭环控制并输出经控制后的电压信号。所述标量控制子模块304用于依据接收的调用指令执行标量控制并输出经控制后的电压信号。本实施例矢量控制模块可依据电机的转速采用不同的控制子模块，有效地克服了背景技术中第二个缺点，提高了牵引电机的控制性能。

进一步地，基于上述各实施例，本实施例提供牵引逆变控制装置的第三个实施例。本实施例在上述各实施例的基础上增设了以下几个模块，分别为：采样模块、检测模块和判定模块。所述采样模块的采样信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接，同时还与所述判定模块通信连接；所述检测模块的监测信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接；同时还与所述判定模块通信连接。其中，采样模块用于采样牵引电路中的电压和电流参数，并对采样的参数进行数字化处理。检测模块用于实时监测控制指令和状态信息；其中，所述控制指令包括：运行方向和/或手柄级位，状态信息包括：故障状态和/或指令状态。判定模块用于依据采样的电压和电流信息以及实时监测的控制指令或状态信息判断电机是否满足启动条件，若不满足进入停机处理过程。

所述采样模块和所述检测模块可为其他模块提供执行控制过程时所需的相关信息，还能够在电机启动时提供启动条件的判定依据。所述判定模块可在电机不能正常启动时及时进入停机处理过程，避免误操作。

为帮助理解本实用新型所述牵引逆变器控制装置的工作原理，下面分别对上述各实施例的工作过程作详细的说明。

如图3所述，本实用新型提供的牵引逆变器控制装置的实施例一的工作流程示意图。包括：

步骤S1、配置参数，依据所述参数进入开环恒压频比控制或矢量控制；

步骤S2、对经上述步骤S1后输出的电压信号进行脉宽调制控制；

其中，步骤S1中所述的开环恒压频比控制，如下实现：

步骤S101、依据设定斜率进行给定频率的爬升指令输入；

步骤S102、依据输入的给定频率的爬升指令分别计算出对应的电压信号，所述电压信号包括电压幅值信息和角度信息；

步骤S2中所述的矢量控制，如下实现：

步骤S103、判断是否有定速控制指令，是，采集机车实际速度信号和给定速度值，并依据所述速度信号和给定速度值计算得出给定转矩值；否则，依据牵引特性曲线计算出给定转矩值；其中，所述牵引特性曲线为各机车牵引单元的固有特性，可通过实验过程来获得，如图6所示。

步骤S104、基于粘着控制算法对给定转矩值进行修正；

步骤S105、基于全速度范围的矢量控制算法依据经修正后的所述给定转矩值计算出电压信号；所述电压信号包括电压幅值信息和角度信息。

本实施例提供了开环恒压频比控制和矢量控制两种控制策略，可通过配置相应参数进行选择以满足试验或运营的需要，具有很好的适用性；此外采用本实施例提供的控制装置能有效地提高牵引电机的控制性能，并通过定速控制避免了同一时刻下机车的部分轴处于牵引工况、部分轴处于制动工况的现象发生。此外，在实际应用时，所述的配置参数复位有效，这样就可以依据实际的需求在系统上电重启后重新配置相应参数，根据参数选择相应的控制策略。步骤S103中依据所述速度信号和给定速度值计算得出给定转矩值，在实际应用时可将速度信号和给定速度值输入PI调节器来进行计算，得出给定转矩值。

如图4所示，本实用新型提供的牵引逆变器控制装置的实施例二的工作流程示意图。实施例二基于实施例一，实施例一中所述步骤S105中全速度范围的矢量控制算法，具体实现如下：

实时监测电机的转速，判断所述转速是否小于第一预设转速，若是，采用磁链开环控制算法；否则，继续下一步骤；

判断所述转速是否大于所述第一预设转速小于第二预设转速，若是，采用磁链闭环控制算法；否则，继续下一步骤；

判断所述转速是否大于所述第二预设转速，采用标量控制算法；否则，该转速为异常值，返回重新监测电机的转速。

实施例二依据电机的转速采用不同的矢量控制方式，克服了背景技术中第二个缺点，有效地提高了牵引电机的控制性能。

结合图5所述的原理图，本实用新型提供的牵引逆变器控制装置各实施例中全速度范围的矢量控制算法的实现过程，如下：

步骤a、根据设定斜率进行给定转矩的爬升指令输入；

步骤b、根据输入的给定转矩的爬升指令分别计算出转矩电流给定值，将所述转矩电流给定值和转矩电流检测值进行偏差计算输出电压Q轴分量；本步骤中偏差计算可采用转矩电流调节器，该转矩电流调节器可以是比例积分调节器。

步骤c、根据电机转速和磁链曲线计算出磁链给定值，将所述磁链给定值和采用预设磁链观测模型观测的磁链观测值经磁链调节器计算得出励磁电流给定值；将所述励磁电流给定值和励磁电流检测值进行偏差计算输出电压D轴分量；本步骤中所述偏差计算可采用励磁电流调节器，该励磁电流调节器可以是比例积分调节器。

步骤d、将上述的电压Q轴分量和电压D轴分量分别和相应的前馈电压相加后经坐标变换得到输出电压的幅值和角度；

其中，所述电机全速度范围划分为三个转速范围，所述预设磁链观测模型在所述电机转速处于不同转速范围内采用不同的磁链观测模型。Q轴和D轴的定义：在交流电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为D轴，垂直于转子磁场方向为Q轴。

实施例二中全速度范围的矢量控制算法是对控制算法的横向划分，对应不同的转速范围采用不同的控制以提高控制性能。而图5所述的全速度范围的矢量控制算法是对控制算法的纵向划分，对应不同的转速范围基本上都采用图5所示的算法，不同只在于处于不同转速范围内的预设磁链观测模型应采用不同的磁链观测模型，计算励磁电流给定值的计算方式不同。

如图4所示，本实用新型牵引逆变器控制装置实施例三，本实施例基于上述各实施例的基础上，在所述步骤S1之前，还包括：

步骤S′101、采样牵引电路中的电压和电流信息，并对采样的信息进行数字化处理；

步骤S′102、实时监测控制指令和状态信息；其中，所述控制指令包括：运行方向和/或手柄级位，状态信息包括：故障状态和/或指令状态；

步骤S′103、依据采样的电压和电流信息以及实时监测的控制指令或状态信息，判断电机是否满足启动条件，若不满足，进入停机处理过程；否则，执行后续步骤。

步骤S′101和S′102的设置是为了提供后续步骤中所需相关信息，并且还能够在电机启动时提供启动条件的判定依据。步骤S′103的设置是为了在电机不能正常启动时及时进入停机处理过程，避免误操作。

优选地，上述各实施例中所述的脉宽调制控制，可采用如下步骤实现：

步骤S201、设置4个依次增大的切换速度值，分别为第一速度值、第二速度值、第三速度值和第四速度值，从所述第一速度值至所述第四速度值依次增大；

步骤S202、小于第一速度点之前的速度区间采用异步调制；

步骤S203、第一速度点至第二速度点之间的速度区间采用15分频同步调制；

步骤S204、第二速度点至第三速度点之间的速度区间采用7分频同步调制；

步骤S205、第三速度点至第四速度点之间的速度区间采用3分频同步调制；

步骤S206、第四速度点以后的速度区间采用方波调制。

上述过程的脉宽调制控制方法，克服了背景技术中的第一缺陷，采用了分段同步调制方式，在牵引逆变器输出的整个频率范围内使用异步调制、15分频同步调制、7分频同步调制、3分频同步调制和方波调制方法。此外，在各调制方式之间最好使用平滑过渡策略和滞环控制。其中平滑过渡策略是基于对切换点进行条件选择以保证过渡过程无电流冲击。滞环控制是一种应用很广的闭环电流跟踪控制方法，通常以响应速度快和结构简单而著称。在各种变流器控制系统中，滞环控制单元一般同时兼有两种功能，一则作为闭环电流调节器，二则起着PWM调制器的作用，将电流参考信号装换为相应的开关指令信号。本实用新型中所述的滞环控制可采用现有技术中的滞环控制理论来实现，在每个切换速度点处均设置一个滞环控制带，各切换速度点和滞环宽度通过参数进行配置。此外，这里需要说明的是：上述各速度点可依据电机速度和功率模块允许的最大开关频率开设定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种牵引逆变器控制装置，其特征在于，包括：

用于配置参数并依据参数调用相应的控制模块的参数配置及控制模块；

用于依据接收的调用指令执行开环恒压频比控制并输出经控制后的电压信号的开环恒压频比控制模块；

用于依据接收的调用指令执行矢量控制并输出经控制后的电压信号的矢量控制模块；以及

用于对所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块输出的电压信号进行脉宽调制控制，输出经调制后的脉冲信号的脉宽调制模块；

其中，所述参数配置及控制模块的控制指令输出端分别与所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块通信连接，所述开环恒压频比控制模块和所述矢量控制模块的信号输出端与所述脉宽调制模块的信号输入端通信连接。

2.根据权利要求1所述的牵引逆变器控制装置，其特征在于，所述矢量控制模块包括：

用于实时检测电机的转速，并在所述转速小于第一预设转速时调用磁链开环控制子模块，在所述转速大于所述第一预设转速小于第二预设转速时调用磁链闭环控制子模块，在所述转速大于所述第二预设转速时调用标量控制子模块的电机速度检测及控制子模块；

用于依据接收的调用指令执行磁链开环控制并输出经控制后的电压信号的磁链开环控制子模块；

用于依据接收的调用指令执行磁链闭环控制并输出经控制后的电压信号的磁链闭环控制子模块；以及

用于依据接收的调用指令执行标量控制并输出经控制后的电压信号的标量控制子模块；

其中，所述电机速度检测及控制子模块的控制指令输出端分别与所述磁链开环控制子模块、所述磁链闭环控制子模块和所述标量控制子模块的控制指令输入端相连。

3.根据权利要求1所述的牵引逆变器控制装置，其特征在于，还包括：

用于采样牵引电路中的电压和电流参数，并对采样的参数进行数字化处理的采样模块；

用于实时监测控制指令和状态信息的检测模块；

用于依据采样的电压和电流信息以及实时监测的控制指令或状态信息判断电机是否满足启动条件，若不满足进入停机处理过程的判定模块；

所述采样模块的采样信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接，同时还与所述判定模块通信连接；所述检测模块的监测信息输出端与开环恒压频比控制模块和/或矢量控制模块通信连接；同时还与所述判定模块通信连接。

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