一种无速度传感器交流牵引传动系统过电分相方法 【技术领域】
本发明属于电力机车(含动车组)交流传动设备，尤其是无速度传感器交流牵引传动系统过电分相(或长期惰行)的控制技术领域。
背景技术
在交流调速传动系统中，为达到高精度转速闭环控制，必须在电机的传动轴上安装速度传感器，然而速度传感器的安装不仅导致系统成本的增加、体积增大和可靠性降低，而且其性能易受工作环境影响。在现有的电力牵引系统中，高性能控制技术同样依赖于位置或速度传感器，而速度传感器却是引起机车故障的主要根源之一，不能满足传动控制设备对可靠性的要求。因此，无速度传感器控制技术已成为交流传动控制理论和应用研究的热点。
对于铁路牵引行业，采用无速度传感器控制的主要优点如下：
1)减小了牵引电机的体积，提高了电机输出功率。2)提高了传动控制单元(DCU)的系统可靠性。3)节约了成本。
由于轨道牵引传动控制的特殊性，传统的利用牵引电机定子电压、电流信号估算转速的无速度传感器控制系统会在电力机车(或动车组)过电分相或者长期惰行时封锁逆变器，当需要重新启动时，由于机车车辆是大惯性系统，一般异步电动机此时还处于高转速状态，这时要求控制系统必须在电机有较高初速度情况下马上投入工作。但是，以上状态由于封锁了逆变器的脉冲，因此逆变器的输出电压为零，电流则由于电机内电感的电流不能突变而逐渐减小为零，这就会使得依靠电压、电流信号进行转速辨识的算法无法正确估算出电机转速，这样当高速旋转的电机再次通电时，有较大的概率会无法正常工作，进而造成整个系统再上电的失败。因此，有学者设计了初始速度自寻优模糊搜索算法，实现带速重投初始时刻的转速估算，保证成功实现带速重投。但是，该方法只是被动的解决带速重投问题，对于速度较高的传动系统尤其是高速动车组来说，由于带速重投的间隔时间短、次数多，而算法又相对复杂，因此该算法实际可行性及效果还有待检验。附图1是传统无速度传感器交流牵引传动系统过电分相(或长期惰行)流程框图。
【发明内容】
本发明的目的在于提供了一种无速度传感器交流牵引传动系统过电分相的新方法(含长期惰行工况)，以克服传统无速度传感器技术方案以及初始自寻优模糊算法的不足，不需要对现有控制系统做任何改变，即可实现过电分相以及长期惰行期间电机转速的准确估算，避免带速重投问题的发生。本发明的目的是通过以下的手段实现的。
一种无速度传感器交流牵引传动系统过电分相方法，适用于采用无速度传感器矢量控制及无速度传感器直接转矩控制的交流牵引传动系统过电分相。交流传动电力机车(或动车组)过电分相时控制牵引电机处于再生制动状态；列车以再生制动通过电分相后，牵引传动控制系统发出控制指令退出再生制动状态，转入正常运行状态。本方法应用于长期惰行工况时也同样有效。
本发明通过控制无速度传感器交流牵引传动系统在过电分相或长时间惰行期间处于再生制动状态，保证电机端电压、电流信号连续，进而确保无速度估算环节能够准确估算电机转速，避免再次从接触网取流时传动系统发生冲击。克服了传统无速度传感器技术方案以及初始自寻优模糊算法的不足，不需要对现有控制系统做任何改变，即可实现过电分相以及长时间惰行期间电机转速的准确估算，避免带速重投问题的发生，尤其适合高速动车组使用。本发明的优点还在于，不需要对硬件系统作任何改变，简单可行，易于实现。
【附图说明】
附图1是现有技术无速度传感器交流牵引传动系统过电分相(长期惰行)流程框图
附图2是本发明提出无速度传感器交流牵引传动系统过电分相(长期惰行)流程框图，
附图3是无速度传感器交流牵引传动系统再生制动过电分相(长期惰行)控制框图
附图4是一种过电分相地感应器埋设示意图
附图5是预告信号与复位信号时序图
【具体实施方式】
由于自动过电分相是电力机车(或动车组)采用的主要方式，因此本发明主要针对自动过电分相的方式进行叙述。如图2可看出，本发明方法采用交流传动机车过电分相时控制牵引电机处于再生制动状态，列车以再生制动通过电分相后，牵引传动控制系统发出控制指令退出再生制动状态，转入正常运行状态。
图4给出了一种过电分相地感应器埋设示意图，在离分相区两端约60m处的线路上左、右各埋1块磁铁，一个分相区只需要4块磁铁，列车运行时，只有一侧的预告信号起作用。列车头部靠近铁轨处左右各设1个感应器，当列车头部通过磁铁时，感应器接收到信号，再由感应器向列车微机控制系统发送110V电平的预告信号。列车微机控制系统在收到该预告信号后延迟一定时间，向感应器发出一个20ms宽、110V电平的复位信号，使感应器复位，预告信号随之消失。所延迟的时间用于完成对预告信号的确认，并留有一定裕量。图5是过分相信号的时序图。
以该方案为例，本发明的具体实施方式如图3所示。具体工作过程如下：1、牵引传动控制系统接收到外部过电分相的预告信号后，控制系统进行信号确认；2、在确认为进分相信号的情况下，控制系统控制牵引电机进入再生制动状态，该状态是由控制系统给出一个负的给定转矩实现的，并且该转矩的大小是可以根据需要进行设定的，设定的原则是：如果再生制动的能量不需要进行利用，则只需要施加一个较小的负转矩，维持牵引电机的再生制动状态即可；如果需要给列车的辅助系统等供电，则施加一个较大的负转矩，使再生制动的能量供给相应的负载；3、列车以再生制动通过电分相后，控制系统会接受到一个反向预告信号，在确认为出分相信号后，牵引传动控制系统发出控制指令退出再生制动状态，转入正常运行状态。
对于长期惰行状态，列车进入再生制动状态是由牵引传动控制系统自行完成地，本发明的具体实施方式如图2所示。具体工作过程如下：1、牵引传动控制系统根据系统的控制要求计算出转矩Te*；2、控制系统判断Te*是否为零，如果为零，则判断列车进入惰行工况，此时控制系统控制牵引电机进入再生制动状态，它是通过控制系统给出一个负转矩实现的，由于此时不需要将再生制动能量供给其他系统使用，因此此时只需要施加一个较小的负转矩维持电机的再生制动状态即可；3、控制系统每隔一段时间进行计算并判断Te*，Te*为零，进入再生制动工况，Te*不为零，就退出惰行工况。
由于本发明保证了无速度传感器交流牵引传动系统在过电分相以及长期惰行时牵引电机端电压、电流信号的连续，因此适用于所有采用电机电压、电流信号进行转速估算的算法。
为了验证本发明的有效性，以采用转速自适应磁链观测法构造的无速度矢量控制系统为例建立了仿真模型，模型在0～0.3s给定转速为100rad/s，0.3～0.6s给定转矩为零，同时封锁逆变器脉冲(模拟传统过电分相或长期惰行方式)，0.6～0.8s重新上电并且给定转速为100rad/s，模拟传统过电分相或长期惰行后的带速重投。
从其仿真结果可以看出，在传统的控制方式下，由于过电分相(长期惰行)需要封锁逆变器脉冲，因此定子电压输出为零，而定子电流经过震荡后也变为零，导致依靠电压、电流信号推算的转速无法正确运行。系统再次上电时，由于无法正确检测转子位置，因而造成过电流冲击，实际的情况可能会更加严重。
采用本发明，对同样的仿真系统施行以下控制：0～0.3s给定转速为100rad/s，0.3～0.6s切断逆变器的供电电源(模型过电分相或长时间惰行)并给定转矩为-10N·m，0.6～0.8s重新上电并且给定转速为100rad/s，模拟传统过电分相或长期惰行后的带速重投。
从仿真结果来看，由于采用了再生制动方式通过电分相(或长期惰行工况)，电机转速所有工况下均可准确估计，因而就从根本上避免了带速重投的问题，也即采用这种方式就没有了带速重投的概念。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。