1.2.3　动车组牵引系统控制策略

对于传动系统性能来说，重要的是选择合适的控制方法。对于铁路牵引用的电压源型逆变器供电的变频传动系统，制定基本控制策略的出发点可概括为三点：

（1）通过对变流器输出的适当控制，使电动机在零速度到基速的这个范围内，接近恒定磁通工作状态，而在基速以上的范围内，以一个固定的端电压工作。图1.9给出了端电压、滑差频率、力矩和定子电流与定子频率的变化关系。从图1.9可以看出，从零速到基速ωb之间，电动机在最大恒定定子电流I1下提供恒力矩M；在基速到临界速度ωmc之间为恒功率运行。在恒力矩区中，滑差频率f1保持恒定，而在恒功率区内随定子频率线性增加，并在临界速度时达到最大值。如果电动机超过临界值运行，其滑差频率保持为最大值，并且定子电流和功率减少。

图1.9　端电压、滑差频率、力矩和定子电流与定子频率的变化关系

（2）系统或部件的过载或故障必须通过控制来处理，而不是随意增加设计容量或加大尺寸。

（3）尽可能降低损耗，提高系统效率。

为了实现既定的控制策略，人们提出各种控制原理和控制方法。交流传动系统作为一个调节系统，如果对暂态性能没有什么特殊要求，而且电动机长期在稳定速度下运行，那么由调频电源进行交流电机的开环控制可以提供一个满意的结果。但是，如果要求系统在诸如电压和负载波动时具有快速动态响应能力和精确的稳态运行性能，则必须采用反馈闭环控制。比如说，对传动系统的要求突然加速或减速的情况，由于定子频率突变时不能保证不超过颠覆点，所以开环控制是不能满足要求的。在采用闭环控制时，需要精确的反馈信号，并进行系统的优化设计，保证静态控制精度和动态稳定性。对于铁路牵引，要求传动系统在一个相当宽度的范围内，对每个速度点都提供相应的合适的力矩值。所以速度和力矩值被认为是系统的被调量，并取为反馈控制信号。

图1.10（a）是一个具有闭环力矩控制的交流传动系统框图。在牵引传动中，这个力矩环是一个基本的、必不可少的基本单元。对于高性能的速度控制系统或位置控制系统中，它也是一个基本组成部分。如图所示，由一个直流参考电压表示的指令力矩或给定力矩M*与实际力矩信号M相比较，所产生的偏差ΔM=M*-M送到力矩调节器。实际力矩信号由测定出来的电量如电流和磁通确定。

如果已经获得满意的力矩控制性能，还可以在外面再增加速度控制环，以获得双闭环的速度控制系统，如图1.10（b）所示。其参考信号ω*也是一个模拟电压，它的大小和极性表示所希望的电动机转速与转向。这个指令速度或给定速度ω与负载的实际转速相比较，所得的速度偏差Δω=ω*-ω提供给速度调节器。从速度外环得到的补偿误差信号变成了力矩内环的力矩指令信号或力矩给定信号。

图1.10　传动系统的控制策略

在一些特殊的应用中，譬如需要精确控制位置的传动系统中还可能增加第二个外环。一般地，在这种级联控制结构中，每一个控制环的输出都将作为下一个内环的指令信号或给定信号。

在直流电机中，当气隙磁通恒定时，电动机的力矩和电枢电流成正比。所以利用电枢电流环既可以有效地控制力矩，又可以在快速暂态过载和稳态过载时保护功率变流器和电动机。但是，感应电动机是一个复杂的、非线性、多变量控制对象，而且在鼠笼结构中，还没有办法检测转子电流。所以，不像直流电机那样，有一种标准的控制结构，还需要人们去开发各种各样的方法。像铁路牵引这类要求高性能的异步电动机传动系统，为了建立一个有效的力矩控制环，不外乎有两种方法：一种是利用测定的或估算的力矩值作为反馈信号，与给定力矩进行比较，产生力矩调节器的输入偏差信号；另一种是由给定力矩信号产生与力矩相关联的其他物理量作为给定信号，并测定这些物理量的实际值作为反馈信号。譬如把气隙磁通、滑差频率或定子电流的控制环结合在一起，也可以有效地控制电动机力矩。所以，对于高性能的异步电动机传动系统的控制，归根到底可以划分成上述两大类，即直接力矩控制法和间接力矩控制法。后者已广泛应用于各种具有交流传动的机车和动车上；前者刚开始在动力牵引系统中使用。应当注意的是，无论控制结构如何复杂，或采取什么样的反馈环和反馈量，功率变流器只有两个控制变量，即电压和频率。