基于智能控制的电力机车控制系统计(3)
“中华之星”电动车组（DJJ2）是我国自行图 1-1“中华之星”电力动车组设计，拥有自主知识产权的高速电力动车组，采用交流传动系统、动力集中型电动车组。交流电动机作为牵引电动机使用, 具有其独特的优势：(1)交流电动机体积小、重量轻、功率大、体积小, 运行可靠。(2)交流电动机保持恒定大功率的速度范围宽,有利于实现客货通用型机车。(3)交流电动机无换向器和电刷装置,消除了电刷与换向器磨耗,省去了许多有触点电器，提高了可靠性,也降低了制造和文修成本。(4)异步交流电动机具有优异的牵引性能,陡峭的自然特性有利于提高粘着利用,能更好地发挥牵引力。（5）电网功率因数高、谐波干扰小。基于上述原因,本文中对电力机车的关键技术牵引传动系统的控制进行研究就具有了重要的理论意义和实际意义。
1.3 电力机车电牵引传动系统的发展电力牵引交流传动系统技术是一门跨学科的技术，它涉及到电力电子器件、脉宽调制技术、电机与电器、控制理论及微电子学在内的许多领域。经过近 30 多年的发展，交流传动技术在国内外电力牵引领域得到了广泛的应用。但是由于这一领域所具有的跨学科的特点，在系统控制理论和许多实用技术上，还存在些许问题，等待进一步的研究和改进。（1）电力电子器件的发展电力电子器件是电力机车牵引变流器的基础和核心，其性能好坏直接决定了牵引变流器的性能指标，甚至可以说每一代电力电子器件都成就了新一代的变流技术的发展。电力电子器件的发展大致经历了两个重要阶段，即以晶闸管（SCR）为代表的传统半控型电力电子时代和以绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为代表的全控型自关断现代电力电子器件时代。1 可关断晶闸管（GTO）可关断晶闸管是高电压、大电流双极性全控型器件，与普通的晶闸管相比，它的工作频率较高且具有自关断的能力，省去了强迫环流电路，在组成变流器时整机体积减小、重量减轻、效率提高、可靠性增加。2 绝缘栅双极性晶体管（IGBT）IGBT是一种增强型场控复合器件，集大功率晶体管GTR 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET 驱动功率小， 开关速度快、 输入阻抗高、 热稳定性好的优点于一身。大功率的IGBT的研制成功提高了电力电子装置的性能，特别是为牵引变流器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。(2)微处理器技术的发展随着微电子技术的发展， 数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大的提高,这使得以 MCU，DSP 等微控制器为核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能，极大地促进了交流调速系统的发展[11]。例如采用数字芯片代替模拟器件，高性能 DSP作为核心控制器，可以提高系统响应速度、缩小系统体积、控制精度，改善系统性能；采用智能功率模块(IPM），IPM 是采用微电子技术和先进制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的驱动模块。它的采用使变频器开关速度更快，驱动控制更为简单，故障保护功能也更加完善，各种噪音干扰都能够得到有效的控制。(3)控制理论的发展交流传动系统是一个多变量、强耦合和非线性的系统。系统中通常可控的输入量是电压（或者电流）和频率，输出量是转速、位置和转矩，它们彼此之间以及和气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部的量之间都是非线性耦合的关系。由于系统模型相当复杂以及运行中参数和变量又不可能十分精确测量，所以传统的几种控制系统都是基于反馈控制环节来实现传动系统的控制，例如电压-频率协调控制、电流-转差频率控制系统 、恒磁通控制系统等，它们都是把电压和频率两个输入量相关联起来，从而转化成单变量系统，保证系统的静态性能。现代控制理论的发展和应用促进了多种控制系统的诞生，并且解决了传统反馈理论所不能够解决的控制问题，如转子磁链定向控制系统、直接转矩控制系统、变结构控制系统、自适应控制系统和智能控制系统等。
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