动车组牵引系统的试验系统设计

摘    要

为了研制和生产符合国情的交流传动系统，对系统和部件进行比较全面和深入的试验研究也是重要的一环。这就需要对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统以及轨道动车的全车控制进行功率试验和性能测试。

首先介绍了国产CRH2型动车组基本结构、内部供电系统模型。然后提出了现在国内两种基本的试验平台，能量消耗型和能量互馈型交流传动试验平台。在确定交流传动试验平台的主要参数之后，对能量互馈型试验平台元部件进行了选型。最后选取了消耗型的大功率交流传动系统试验平台进行了仿真。仿真中，选取基于转差频率的矢量控制策略对异步电机进行调节，用调节直流发电机所带的负载，来间接调节异步电机的负载转矩，以起到模拟负载的效果。

仿真结果表明：能量消耗型试验平台仅对于一些小功率的传动平台是极其有效的，设计与系统仿真与既有的大功率交流传动系统实验平台相符合。在交流调速就要大范围的取代直流调速的背景下，设计多元功能的交流传动试验平台具有明显的实际意义。

关键词：交流传动系统；试验平台；矢量控制；模拟负载

Abstract

For the purpose of developing and producing AC drive system which appropriate to national conditions, the study of systems and components in a comprehensive and deeply way is also an important part. Power testing and performance testing on AC drive inverter, AC traction motor, converter control system and a rail car full vehicle control are needed.

As domestic basic test platform, the basic structure and internal power supply system model of domestic CRH2 type EMU are introduced firstly, power-consuming and power-feed AC drive test are raised. The type of component parts on reciprocal power-feed test platform is chosen after the main parameters of AC drive test platform are determined. Finally, power- consuming AC drive test platform is selected to simulation. Based on slip frequency vector control strategies is selected to adjust synchronous motors, meanwhile, by adjusting the load of DC generator, the load torque on asynchronous motors is regulated indirectly which plays a load effect in the simulating.

Simulation results show that: power-consuming test platform is extremely effective only for some small power transmission platform, design and system simulation with existing is consistent to high-power AC drive experimental platform. In the trend of AC drive will replace DC converter with a wide range, design on AC drive test platform with multiple functions has obvious practical significance.

Key Words: AC drive system, Test platform, Vector control, Simulated load

目    录

摘    要    I

Abstract    II

目    录    III

1 绪论    1

1.1 课题背景及意义    1

1.2 课题发展现状    1

1.3 课题的设计内容和目标    1

2 动车组牵引电传动系统的试验系统理论分析    2

2.1 CRH2型动车组    2

2.1.1 CRH2型动车组简介    2

2.1.2 动车组电传动系统主电路参数    2

2.2 牵引电传动试验系统的理论分析    4

2.2.1 试验系统概述    4

2.2.2 试验系统结构设计    5

2.2.3 试验系统主要设备    5

2.2.4 试验系统主电路设计    7

3.1 试验系统模块仿真设计    11

3.1.1 转速PI调节设计    11

3.1.2 函数运算设计    12

3.2 试验平台仿真运行及结果    13

3.2.1 试验系统仿真设计    13

3.2.2 试验系统仿真结果    15

3.3 仿真结果分析    17

结    论    19

致    谢    20

参考文献    21

1 绪论

1.1 课题背景及意义

在我国，高速动车组的发展正处于新兴阶段。因其具有行驶速度快、运行性能平稳、车内环境优雅、旅客乘坐感好等优势，得到了广大旅客的喜爱。成为人们出行的首选。目前我国高速动车组技术正处于对国外技术的引进和消化吸收阶段，如何充分利用现有的有利资源与良好的外界条件来发展我国高速动车组技术，成为摆在我国机车研究与“铁路人”面前的一道难题。

为了研制和生产符合国情的交流传动系统，必须强化对大功率交流传动系统的研究和开发,对系统和部件进行比较全面和深人的试验研究。这意味着要对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统以及轨道动车的全车控制进行功率试验,性能测试，这都离不开交流传动试验系统。

1.2 课题发展现状

目前在国内外提出了有许多不同的大功率交流试验平台的方案，国内的交流试验平台主要分为两类：第一类是“能量消耗式”交流传动试验平台，由变流器连接异步牵引电动机联轴带动一个直流发电机，直流发电机的输出端接电阻性负载，通过调节负载电阻电流来调节它的输出转矩，从而达到调节异步电机负载转矩的效果。

第二类是“能量反馈式”交流传动试验平台,由异步牵引电机同轴带动直流发电机,而后直流发电机给直流电动机供电, 直流电动机又同轴带动三相交流同步发电机，发出的电回馈电网。这种方式机组多、复杂、不易稳定运行、容易出现超调和振荡。

近年来，有关交流传动试验平台的论文频频发表，再次显现出交流传动平台在今后的发展潜力和重要性，同时也说明我国在动车组技术领域上将会有重大突破和成就。

1.3 课题的设计内容和目标

本文的主要内容是对动车组牵引电传动系统的试验系统设计。以国产CRH2型动车组数据、模型为原型，通过对其数据筛选和计算，选择出能量互馈型试验平台的电压等级，整流器、逆变器和牵引电机的容量。计算出基于转差频率的间接矢量控制的参数，来对系统中的电机进行控制。最后在Matlab/Simulink中搭建出能量消耗型试验平台的仿真图，将异步电机和直流发电机并轴，直流电机带阻性负载，通过改变阻性负载的值以达到改变电枢电流，直流电机的电磁转矩、异步电机的负载转矩的目的。实现对机车和动车组负载的模拟。

2 动车组牵引电传动系统的试验系统理论分析

2.1 CRH2型动车组

2.1.1 CRH2型动车组简介

CRH2型电力动车组，是中国南车集团青岛四方机车车辆有限恭喜与日本川崎重工合资成产的，目前我国已拥有自主知识产权。该车原型为日本新干线E2-1000系。该型列车最初配置属于济南、武汉、北京、郑州、上海及南昌等铁路局，随后几年中逐步在全国各铁路局中大量配置，是目前200km/h等级高速铁路客运的主力车型。

CRH2型动车组由8辆车组成，其中4辆动车辆拖车，首尾车辆设有司机室，可双向驾驶，编成后结构如图2.1所示，两列动车组可连挂运行。

图2.1  CRH2动车组基本组成

该动车组以2M+2T为一个基本动力单元。一个基本动力单元的牵引传动系统主要有网侧高压电气设备、2个牵引变压器、2个牵引变流器、8台三相交流异步牵引电机等租车。全列共计2个受电弓，动车组正常运行时升单弓运行，另一个受电弓备用[6]。

2.1.2 动车组电传动系统主电路参数

CRH2型动车组牵引传动系统主电路的结构框图如图2.2所示。牵引传动系统主要包括高压电气设备、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机。

牵引变压器：一个基本动力单元1个，全列共计2个。采用壳式结构、车体下吊挂、液体沸腾冷却方式。效率值大于95%，其主要参数如下表2.1所示。

表2.1  牵引变压器主要参数

	容量(kVA)	额定电压(kV)	额定电流(A)
原边绕组	3060	25	22
牵引绕组	2570	1.5	8572

图2.2  牵引传动系统主电路的结构框图

牵引变流器：一个基本动力单元2个，全列共计4个。采用车下吊挂、液体沸腾冷却方式，主要电路结构为电压型3电平式，由脉冲整流器、中间直流电路、你变器构成，不设有2次谐振滤波装置和网侧谐波滤波器，采用PWM方式控制。中间直流电压为2600~3000V。一个牵引变流器采用矢量控制原理控制四台并联的牵引电机。采用3300V/1200A等级的IGBT元器件[1]。

表2.2  CRH2型动车组牵引电机参数

类型	参数
功率	300kW
电压	2kV
电流	106A
频率	140Hz
转差率	1.4%
额定转速	4140r/min
效率	0.94
功率因数	0.87
重量	440kg

牵引电机：每节动力车4（并联）牵引电机，一个基本动力单元8个，全列共计16个。牵引电机为4极三相鼠笼式异步电机，采用架悬、强迫风冷方式，通过弹性齿型联轴节连接传动齿轮，其主要参数如表2.2所示。

2.2 牵引电传动试验系统的理论分析

2.2.1 试验系统概述

目前国内主要有两种交流传动试验平台。“能量消耗式”和“能量互馈式”。如图2.3所示，“能量消耗式”交流传动试验台有三部分组成，分别是整流环节，逆变器异步牵引电机环节和直流电机负载环节，其中各个环节的功能如下：

(1) PWM整流器环节：输出稳定的直流电压，提供互馈试验台试验时消耗的能量当互馈试验台再生制动使直流侧电压抬高时，PWM整流器向电网回馈能量，从而保证直流侧电压稳定。

(2) 逆变器异步牵引电机环节：通过控制逆变器PWM脉冲来调节异步牵引电机的输出转矩和转速。采用基于转差频率的间接矢量控制技术，以对电机的输出转速和转矩增加稳定性。当加速和稳态运行时，电机工作于电动状态；当减速时，电机工作于发电状态，向直流侧回馈能量。

(3) 直流电机带负载环节：通过将直流电机与异步电机联轴，调节直流电机所带负载以调节直流电机的电磁转矩，间接控制异步电机的负载转矩。

图2.3  “能量消耗式”交流传动试验台

“能量互馈式”交流传动试验台如图2.4所示。四象限变流器从电源变压器取得单相交流电，向逆变器输出直流电源，逆变器向三相异步电机提供三相交流电。被测试的异步电机输出轴上对接一个“直流发电机—直流电动机—交流同步发电机”构成的能量反馈系统。电能通过变压器返回电网。当异步牵引电机转动后，调节直流发电机的励磁。直流发电机发出的电压使直流电动机的转速为同步发电机的所需转速。再分别调节直流发电机、直流电动机、同步发电机的励磁，来调节异步牵引电机的阻力矩，同时维持同步发电机的频率稳定，将电能返回电网。

图2.4  “能量互馈式”交流传动试验台

2.2.2 试验系统结构设计

交流传动互馈试验系统结构如图2.5所示。由配电柜、变流机组I、II、III、牵引电机及司控台几部分组成。变流机组I（脉冲整流器）可以根据需要输出不同大小的稳定直流电压，而且输入电流谐波畸变少，功率因数可调，提高了电网的电能质量。同时具有能量双向流动的能力，有利于进行回馈制动试验。变流机组 I 根据机车控制信号，按照一定控制策略做逆变器－电动机运行，把直流侧电能转换为电机输出的机械动能。而同轴联接的变流机组II则做发电机－整流器运行，以模拟牵引电机的负载特性，并把电机输入的机械能转换为直流电能送回直流母线，实现能量的互馈。

整个系统的运行由司控台进行监控。根据试验要求，司控台发出控制指令并通过

CAN总线传递给各变流器的控制器，同时接收各控制器传递的运行数据，对其进行分

析处理和实时显示。

图2.5  互馈试验台结构框图

2.2.3 试验系统主要设备

(1) 配电滤波柜

该设备是将电网电压引向试验台，根据试验台所需电压选择汇通电气生产的型号为HT低压无源电力滤波柜。本系统选择由汇通电气生产的TH型号配电滤波柜，其额定电压380V，主要滤波频次：3、5、7、11。

基本功能：电网电压引向试验台，将电压变为试验所需电压220kV，并且滤起到滤除因变压产生的谐波；

输入：三相交流电380V/50Hz；

输出：三相交流电220V/50Hz、600V/50Hz两个等级；

(2) 脉冲整流器

基本功能：高功率因数整流(PFC)、能量可回馈电网；

输入：三相交流电220V/50Hz、600V/50Hz两个等级；

输出：直流电750V、1500V两个等级；

额定容量：100kVA；

(3) 逆变柜I，II

基本功能：直流电逆变成三相交流电，分别给异步牵引电机I，II供电；

输入：直流电750V、1500V两个等级；

输出：三相可调压调频交流电；

额定容量：150kVA；

(4) 异步牵引电机I，II，电机参数如表2.3所示

基本功能：异步牵引电机I做牵引工况运行，速度可调；

异步牵引电机II做制动工况运行，力矩可调；

两台电机连轴，角色功能可以互换；

表2.3  牵引电机参数

额定功率	130kW	额定功率因数	0.84
额定电压	1100V	质量	380kg
额定电流	88A	极数	4极
额定效率	88%	绝缘等级	H级
额定频率	71Hz	通风方式	自通风
额定转速	2094r/min	定子绕组接法	Y
最大工作转速	3900r/min	悬挂方式	地脚安装

(5) 司控台基本功能：

通过速度手柄位，控制异步牵引电机I的速度来调节速度；

通过力矩手柄位，控制异步牵引电机II的力矩来模拟负载；

通过机车工况手柄位，控制牵引/制动工况。

(6) 测试分析台

基本功能：数据采集与监控，也可以通过软件修改电机及负载参数。控制方式

简单易操作，控制实时性好。

(7) 转矩传感器

在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数：旋转扭矩。为了检测旋转扭矩传统使用较

多的是扭转角相位差式传感器，本实验系统中应用的为JN338型数字式转矩转速传感器该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。

2.2.4 试验系统主电路设计

系统主电路图如图2.6所示，由空气断路器(QS)；变压器(B)；刀形转换开关(MS)；主接触器(KM1)；电容充电回路接触器(KM2)；电抗器(L1)；脉冲整流器(变流机组I)、逆变器I(变流机组II)、逆变器II(变流机组III)及牵引电机M等几部分组成。

图2.6  变流机组主电路图

配电柜输入端为三相线电压380V/50Hz交流电压，通过变压器B输出三相线电压为220V或600V交流电压，通过转换开关(MS)改变变压器副边绕组来实现。

(1) 空气断路器又叫空气开关(QS)，其动作原理是靠操作机构手动或电动合闸，由

自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上，如果电路发生故障，自由脱口机构在有关脱扣

器的推动下，使钩子脱开。本系统采用施耐德公式生产的型号为NS100/160/250(H)，额定电流100A，额定绝缘电压800V，额定冲击耐受电压8kV，额定工作电压750V。壳架电流也为100A。其中所谓的壳架电流就是断路器不可能为每种规格设计一种外壳和接线端子。不同额定电流（但相近）的断路器会使用同样一种体积甚至同样触头、同样的接线端子，这就是壳架电流。因此，同一壳架电流的断路器其额定电流可能不同，但其安装尺寸是相同的。

表2.2  变压器两侧线圈接法

线圈	电压	电流
一次	380V	76A
二次	380V   220V	30.4A   52.5A
	600V	38.5A

(2) 变压器(B)，采用型号为ZSG-40/0.38、绝缘等级为B级、频率50Hz、总重量为267kg、额定容量50kVA。本实验台系统工作原理：考虑到南、北方电网系统差异，电网电压(380V/50Hz)经配电柜滤波变压后，可分别输出220V/50Hz、600V/50Hz这两个电压等级，经整流柜整流输出可得到750V、1500V两个等级，逆变柜I，II经过逆变压器后分别供给电机I，II，实现对两台电机的控制要求。该试验台可完成电机的启动、加速、高速运行、停车制动等一系列功能。表2.2是变压器两侧线圈接法。

(3) 接触器：是一种自动控制电器，它可以用来频繁地远距离接通或断开大容量的交、直流负载。一般可分为直流接触器和交流接触器两种，目前在控制电路中多数采用交流接触器控制电路的分断与闭合。试验系统中的电路结构中含有三个接触器。

① 主接触器(KM1)采用型号为LC1D80，采用三相式、电流量最大为150A、符合

IEC947热态标准、具有高分断能力、符合1N/O及1N/C标准。主接触器用来分断电源主回路，主接触器的好坏直接影响整套系统的运行。

② 电容充电回路延时接触器(KM2)其原理和普通接触器类似，只是接触或断开之前会有一个延时。本系统采用型号为LA2-DT2。其作用是保证在接通时，控制电路得电要优先于主回路，断开时，保证主回路先失电断开，然后控制回路在断电，这样能确保操作人员安全，也保证设备及系统本身的安全。

③ 控制回路接触器KM3，用于接通或分断控制回路电源。

(4) 限流电抗器：80A/5mH，3个。电力网中所采用的电抗器，实质上是一个无导磁材料的空心线圈。它可以根据需要布置为垂直、水平和品字形三种装配形式。在电力系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。如果不加以，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。因此，为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，短路电流。由于采用了电抗器，在发生短路时，电抗器上的电压降较大，所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。电抗器按用途分为7种：

① 限流电抗器：串联于电力电路中，以短路电流的数值；

② 并联电抗器：一般接在超高压输电线的末端和地之间，起无功补偿作用；

③ 通信电抗器：又称阻波器。串联在兼作通信线路用的输电线路中，用以阻挡载波信号，使之进入接收设备；

④ 消弧电抗器：又称消弧线圈。接于三相变压器的中性点与地之间，用以在三相电网的一相接地时供给电感性电流，以补偿流过接地点的电容性电流，使电弧不易起燃，从而消除由于电弧多次重燃引起的过电压；

⑤ 滤波电抗器：用于整流电路中减少电流上纹波的幅值；也可与电容器构成对某种频率能发生共振的电路，以消除电力电路某次谐波的电压或电流；

⑥ 电炉电抗器：与电炉变压器串联，其短路电流；

⑦ 起动电抗器：与电动机串联，其起动电流；

(5) 刀形转换开关：200A，1个。用于切换220V和600V两种电压等级。

(6) 变流机组I、II、III容量均为150kVA，具有相同的硬件结构，正常运行时，变流机组I做脉冲整流柜，负责四象限脉冲整流。变流机组II、III做逆变柜使用，将逆变过的电源传送给两台电机。直流侧储能电容总容量为17000μF(共90支，每支耐压400V、电容量6800μF、每3个并联为一排，6排串联组成一组。电容器分别放置在变流机组I（18支）、II（36支）、III（36支）柜中。)

(7) 逆变柜主开关元件采用型号为FF400R33KF2的IGBT，它是由德国EUPEC（欧派克）公司生产。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。本系统使用的IGBT性能参数如表2.3所示。

表2.3  IGBT参数表

最大集射电压		25°C	3300V
最大集电极电流		80°C 25°C	400A 660A
总功耗	P	25°C	480kW

3 动车组牵引电传动系统的试验系统仿真

3.1 试验系统模块仿真设计

3.1.1 转速PI调节设计

在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况。这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。在基于转差频率适量控制系统中，为了满足快速性这一主要性能指标，设计了转速PI调节器这一动态校正装置。

采用模拟控制时，可以用运算放大器来实现PI调节器这一调节功能。当初始条件为零时，可得PI调节器的传递函数如公式3.1所示。

        (3.1)

上式表明，PI调节器为一比例环节和一积分环节组成，在零初始状态和给定输入下，可得PI调节器输出的电压时间特性曲线如图3.1所示。

图3.1  PI调节器输出的电压时间特性曲线

从图3.1可以看出比例积分作用的物理意义，开始给定电压后，输出电压首先突跃到，这样就保证了一定的快速响应，但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因此，快速性被降低了，以此换来对稳态性能的保证。如果只有的比例放大作用，稳态精度必然会降低，但PI调节现在还有积分部分，在过渡过程中，由于积分的作用，使线性的增长，相当于在动态中把放大系数逐渐提高，最终满足稳态精度的要求。但如果输入电压一直存在，那么积分环节就会不断进行积分，直到输出电压达到输出的给定值时为止。因此为了保证线性放大作用，并保护系统的各环节，对运算放大器设置输出电压限幅值是很有必要的。在实际设置闭环系统中，当转速上升到给定值时，调节器的，积分过程将自动停止。

满足上述要求所示的转速PI调节器如图3.2所示。

图3.2  转速PI调节器仿真模型图

3.1.2 函数运算设计

由基于转差频率矢量控制原理图可以看出，在保持转子磁链不变的控制下，电动机转矩直接受定子电流的转矩分量的控制，由定子电流的转矩分量的计算公式：

        (3.2)

因此可以求得转差角频率的计算公式：

        (3.3)

转子磁链可以由定子电流的励磁分量计算公式：

        (3.4)

在系统中，转速通过转速调节器PI调节，输出定子电流的转矩分量，然后计算得到转差角频率,在采用磁通不变的控制方式时，转差角频率的计算公式：

        (3.5)

转差角频率与转子频率相加得定子频率，根据定子频率与矢量转角计算公式：

        (3.6)

得定子矢量转角的计算公式：

        (3.7)

根据上述原理，搭建的函数运算模块仿真模型如下图3.3所示。

图3.3  函数运算模块仿真模型图

使用Matlab中的异步电机及相关模块来搭建牵引试验平台。在Matlab中，异步电机的数学模型只有负载转矩这一个转矩的输出接口，如果异步电动机所加的载转矩为正时，异步电动机就运行在电动的状态；但是，如果异步电动机被加的负载转矩为负时，异步电动机就运行在发电的状态。然而，在Matlab中，异步电机没有电机轴这个概念，因此不能从直观上进行机械的联轴，所以采用物理意义上的等效模型来模拟两台电机的轴是同轴连接的。对于两台异步电机在机械上同轴连接，在仿真系统中应用了电机M1的电磁转矩为电机M2的负载转矩，M2的电磁转矩为M1的负载转矩的这种形式。在这样的连接方式下两电机的电磁转矩和负载转矩相等，同时有两电机互为负载的物理意义实际连接。

3.2 试验平台仿真运行及结果

3.2.1 试验系统仿真设计

图3.4给出了仿真的结构图，表3.1是仿真过程中各个元器件的参数设置。

图3.4  带消耗型负载的电传动试验平台

表3.1  试验平台中个元器件参数

模块	参数	设置值
控制系统放大器	G1	25
	G2	0.15
	G3	0.0076
	G4	2
	G5	9.55
	G6	1/9.55
给定值模块		5.2
		1400
电机模块		700
	R	10、100
限幅模块	Sta	[-17,17]

图3.4是交流传动平台带消耗性负载的仿真图，在整个仿真图中，用直流电机和异步电机实现物理意义上的联轴，异步电机的输出转速接直流电机的输入转速，直流电机的输出转矩，接异步电机的输入负载转矩。直流电机做发电机使用。

3.2.2 试验系统仿真结果

在牵引电传动试验平台带消耗型负载时，调节直流电机负载电阻，分别将其值跳到10、100，观察异步电机的输出转矩有何变化。

当R=10时，异步电机输出转矩、直流电机输出转矩、负载电压电流、转速波形图如图3.5—图3.7所示。

图3.5  异步电机输出转矩

图3.6  异步电机转速变化

图3.7  直流电机负载电压和电流

由图3.5可以看出，异步电机启动时，输出转矩在0.1s后达到稳定值，转矩值为380，在0到0.1s内，属于反馈控制时间。异步电机在转速稳定后，为1400r/min此时负载电压为740V，电流为72A。

当R=100时，调节仿真负载值，此时异步电机输出转矩、转速和负载的电压电流如图3.8—图3.10所示。

图3.8  异步电机转矩

图3.9  异步电机转速变化图

图3.10  负载电压电流变化图

由图3.8—图3.10可知，当调动直流电机负载时。可以间接改变直流电机的负载转矩。起到模拟负载的作用。增大电阻，使R=100，此时异步电机的变化时明显的，异步电机的负载转矩从R=10时的380降低到40。而异步电机的转速却没有发生较大的改变。

3.3 仿真结果分析

从上述实验数据来看，当启动仿真后，在0.1s内，电机属于阶段，转速超调量不是很大，而转矩的超调量过大，这是电机反馈控制所决定的。在0.1s后，电机一切参数趋于稳定。

当R=10时，异步电机=380，负载电压740V，负载电流=74A。根据转速、转矩与功率的计算公式：

由上式计算可得异步电机电机的输出功率为5.56kW

而直流电机的输出功率有所带负载的计算公式：

将以上数据代入公式可得P=5.47kW。

由上得，从能量流动的角度看该实验平台的能量流动是正确的。

当R=100时，异步电机=40，负载电压760V，负载电流=7.8A。根据转速、转矩与功率的计算公式求得5.86kW。负载功率为P=5.76kW。同样，该实验结果是合理的。

另外从试验平台的选型和仿真搭建的过程中可以知道，在能量消耗型试验平台中直流发电机发出的电难以被再利用，电能完全被电阻消耗掉，因而对能源的浪费很大，若长期进行大功率试验，电能浪费惊人，试验费用非常高，用它来做常规检查是不划算的。同时，还必须考虑电阻负载的散热处理，这往往会增加设备及试验室的面积。而能量互馈型试验平台这种方式将部分能量反馈回电网，大大节约了电能，节省了试验费用。但使用设备多，在建设试验平台时一次性投资大。另外由于控制对象多，方法复杂，控制难度增大，容易出现超调，造成系统振荡。由于试验电机驱动的是直流发电机，转速受到换向器，难以试验交流牵引电机的高转速区段。

结    论

通过介绍国产动车组的基本结构和参数，了解交流传动试验平台的实用意义。在分析计算了交流传动试验平台中各个元器件参数。主要介绍了能量消耗型试验台和能量互馈型这两种试验台。并根据现在试验室电压等级对能量互馈型的试验平台进行了元器件选择，设计出了和动车组结构相同的结构框架，在常用电压等级下对其中所用到的元件电压等级。然后设计了基于矢量控制的异步电机的交流传动试验平台。并在Matlab中搭建了交流传动试验平台的仿真模型，根据不同负载转矩，观测出异步电机各参数，最后来验证交流传动试验平台的可行性，可靠性。 

得到的结论主要如下： 

(1) 对能量互馈型交流传动试验平台进行了元件选型，使其适用于不同电压等级下的传动试验平台。

(2) 对能量消耗型交流传动试验平台重新设计了异步电机的控制策略，完成了基于转差频率的矢量控制系统的计算方法和仿真。

需进一步结决的问题：

(1) 本文仿真所用的平台是能量消耗型的，对于一些小功率的传动系统有较好的模拟性和试验性。但对于大功率的传动平台还需进一步调节，使其能量能够反馈。 

(2) 能量消耗型交流传动试验平台所用到的元器件选型电压等级相对还是比较低，若要试验一些特大功率电机，需要重新选型。

致    谢

本设计（论文）的工作是在高锋阳老师的悉心指导下完成的，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，使我的论文能够顺利的完成。在此衷心感谢高锋阳老师对我的关心和指导。

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学张毅、孙立峰和贾鹏宇以及实验室全部同学，在我写论文的过程中给予了我很多相关的素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

参考文献

[1] 杨耕,罗应立.电机与运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006:281-312.

[2] 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍.电机学[M].机械工业出版社,2008:157-211.

[3] 郭世明.机车动车交流传动技术[M].机械工业出版社,2012:228-315.

[4] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2009:162-179.

[5] 张全竹,邓永红,潘玉民.交流牵引传动能量互馈试验台的研究[J].电气自动化,2007:1-4.

[6] 路小娟.动车组控制技术[M].西南交通大学出版社,2011:25-66.