李永忠

摘 要：交流傳動(dòng)電力機(jī)車的車網(wǎng)電壓在機(jī)車整個(gè)運(yùn)行的過程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦鞣N原因而導(dǎo)致的車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生；所以我們?yōu)榱四軌蛘嬲乇苊夂徒鉀Q這一系列的問題以及問題形成的因素，首先就需要對車網(wǎng)電壓的線性化處理過程進(jìn)行分析，只有推導(dǎo)出直流電壓對系統(tǒng)閉環(huán)控制的有關(guān)函數(shù)，才能根據(jù)小增益原理導(dǎo)出直流電壓環(huán)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的有利條件，并利用軟件仿真實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步地分析推理出可靠的理論依據(jù)，最后進(jìn)行解決方案的研究和實(shí)施。

關(guān)鍵詞：交流傳動(dòng)電力機(jī)車；小增益原理；傳遞函數(shù)

1 車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的原因分析

2007年底，太原鐵路部門引進(jìn)了多輛電力機(jī)車進(jìn)行運(yùn)營，由于運(yùn)營的電力機(jī)車牽引變流器與接觸傳動(dòng)車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致了變流器中間的回路發(fā)生了故障，使得機(jī)車最后被迫停止了運(yùn)行；同樣的情況還發(fā)生在瑞士，由于車網(wǎng)振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致了電力機(jī)車的大范圍停止運(yùn)行，這一系列的狀況都使得研究人員不得不進(jìn)行高度重視，我們國家也安排了專門人員投入到車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的影響因素分析和處理的相關(guān)研究中。

1.1 理論分析

交流傳動(dòng)電力機(jī)車一般都由牽引變壓器、網(wǎng)側(cè)PWM四象限變流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器以及牽引電機(jī)組成其自身的重要牽引系統(tǒng)；包含牽引供電機(jī)制的交流傳動(dòng)電力機(jī)車等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 交流傳動(dòng)電力機(jī)車等效電路

在圖1中，Vlinc表示的是整個(gè)系統(tǒng)的變電器多牽引供電變壓器輸出電壓折算到電力機(jī)車變壓器副邊上的電壓，它也是電力機(jī)車交流傳動(dòng)等效電路系統(tǒng)最為合理的電壓，Zs表示的是牽引供電變壓器的阻抗與電動(dòng)機(jī)車電流輸入端口接觸網(wǎng)線路阻抗的集合，我們可以將這兩種阻抗一起折算到機(jī)車變壓器的副邊阻抗當(dāng)中；而Zt則是代表著電動(dòng)機(jī)車的變壓器的整體阻抗。iac是PWM四象限變流器的輸入電流；idc則表示為PWM四象限變流器的輸出電流；Vdc是表示直流環(huán)節(jié)的具體電壓，而旁邊的L2和C2則在一起組成了二次濾波環(huán)節(jié)，Cd所表示的是直流側(cè)支撐電容，iload表示的是電機(jī)逆變器的直流側(cè)面的等效電流值。由此我們可以得知，在同一條供電臂上的同一處位置，一旦有多臺機(jī)車一同進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，就會(huì)使網(wǎng)側(cè)阻抗的電壓達(dá)到一輛電力機(jī)車的N倍，忽略四象限變流器所產(chǎn)生的損耗不計(jì)，四象限變流器的輸出和輸入功率在多臺電動(dòng)機(jī)車同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行的過程中，只有在系統(tǒng)整體各項(xiàng)系數(shù)為正數(shù)的時(shí)候，才有可能保證交流傳動(dòng)電力機(jī)車的車網(wǎng)電壓和運(yùn)作系統(tǒng)維持穩(wěn)定性。

1.2 增益原理

基于赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的前提下，我們?yōu)榱耸怪绷鬏敵鲭妷哼_(dá)到相對穩(wěn)定，可以適當(dāng)?shù)膶刂葡到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，具體情況可以根據(jù)小增益原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2所示的就是一個(gè)典型的不確定的控制系統(tǒng)，我們依據(jù)小增益原理可以進(jìn)行假設(shè)，如果標(biāo)稱系統(tǒng)H（s）和擾動(dòng)系統(tǒng)△（s）都是相對比較穩(wěn)定的，那么只需要

這一公式成立，這個(gè)反饋系統(tǒng)就能在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)了。我們依照小增益定論可以有效的推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論，那就是在小增益定理依據(jù)滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的情況下，直流電壓環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的充分條件應(yīng)該為

由此我們可以得到結(jié)論那就是，只有電力機(jī)車的數(shù)量n與Pl調(diào)節(jié)器的參數(shù)k是相對比較好調(diào)節(jié)的，因此當(dāng)n產(chǎn)生變化的時(shí)候，我們只需要對k進(jìn)行必要的調(diào)整，就可以有效的保證系統(tǒng)整體運(yùn)行的完整性和穩(wěn)定性。而n與網(wǎng)側(cè)阻抗Ls也有著必然的聯(lián)系，Ls的數(shù)據(jù)值越大，可以一同進(jìn)行運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就是n的數(shù)值就會(huì)越小。所以，在阻抗參數(shù)值較高的牽引供電系統(tǒng)中，同一個(gè)供電臂下聚集大量的高功率電力機(jī)車就是導(dǎo)致車網(wǎng)振蕩的主要誘發(fā)因素。

我們從以上的研究當(dāng)中可以得知，當(dāng)k=0.9且n=7的時(shí)候，我們只需要對k的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可以使其重新回歸相對穩(wěn)定安全的狀態(tài)中去。因此我們也就能夠推理出，上述的理論分析和研究是具有可靠性的，當(dāng)控制系統(tǒng)的參數(shù)能夠達(dá)到赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，k的參數(shù)調(diào)整能夠使系統(tǒng)維持穩(wěn)定和安全。n的參數(shù)與網(wǎng)側(cè)的阻抗R是相互對應(yīng)的，R的參數(shù)越大，能夠同時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)和運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就相對越少，而網(wǎng)側(cè)阻抗參數(shù)R越小，赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)無法被滿足，這個(gè)時(shí)候，無論對k進(jìn)行怎么樣的調(diào)整，系統(tǒng)的運(yùn)行都無法得到穩(wěn)定，因此，在同一地點(diǎn)絕對不能夠安設(shè)大量密集的高功率電力機(jī)車，不然就會(huì)成為引發(fā)車網(wǎng)振蕩的外部直接因素。

2 關(guān)于交流傳動(dòng)電力機(jī)車車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定因素的研究結(jié)論

根據(jù)以上的論述和分析我們可以得出結(jié)論，當(dāng)系統(tǒng)充分滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)和小增益原理的時(shí)候，盡管n在進(jìn)行變化，只要通過調(diào)整k的數(shù)據(jù)值就可以保證整個(gè)系統(tǒng)維持完整的穩(wěn)定性，如果赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)不能得到滿足，那么我們就只能調(diào)整系統(tǒng)原本參數(shù)這一種辦法來維持穩(wěn)定了，但這種操作方法的難度系數(shù)非常大，很難輕易地完成。

3 結(jié)束語

交流電力機(jī)車在相同的一條供電臂的供電環(huán)境下，電力機(jī)車的數(shù)量與網(wǎng)側(cè)的阻抗往往能夠直接影響到機(jī)車整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和流暢性。網(wǎng)側(cè)阻抗數(shù)值越大，可以同時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)和運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就相對越少，總的來說，在大多數(shù)情況下，我們只需要變動(dòng)Pl調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)參數(shù)k就能夠讓電力機(jī)車的車網(wǎng)重新穩(wěn)定下來，而一旦電力機(jī)車的數(shù)量在調(diào)整之后無法達(dá)到赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的時(shí)候，就應(yīng)該及時(shí)的停止這一方案的施行。對于電路和機(jī)車，我們可以為其裝上帶有源濾波器的一系列特殊裝置來在一定程度上減少車網(wǎng)電壓的振蕩，抑制其不穩(wěn)定的因素發(fā)生。

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