牵引仿真（精选7篇）
牵引仿真 篇1
1 系统结构
根据采用的牵引计算模型是多质点列车模型,并参考铁道科学研究院机车车辆研究所的牵弓电算软件,根据牵引计算的过程,大体把程序可以分成三个模块:输入模块、牵引计算模块、输出模块。如图1所示。
2 输入模块
输入模块又包括三个子模块:列车数据输入模块、线路数据输入模块、牵引制动特性输入模块。
列车数据输入模块根据列车类型分为:城轨列车、动车组、机车三类。需要输入列车外型尺寸、列车编组、列车重量、列车载荷等数据。
线路数据输入模块需要输入线路情况参数:站间距、坡道、曲线、限速。
牵引制动特性输入模块需要输入牵引特性、制动特性、功率、特征点。
3 牵引计算模块
牵引计算模块根据牵引策略分为三种计算模式:快速牵引模式、经济牵引模式、优化牵引模式三种模式。
不同的策略采用不同的计算过程,都需要经过受力计算、运行参数计算、能耗计算、等效电流计算。牵引计算界面如图2。
4 结果输出模块
输出模块有表格输出、曲线输出两种模式,分别叫结果输出、结果显示。可以以中英文二种语言输出。结果显示界面如图3。
参考文献
[1]彭其渊,石红国,魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算[M].成都:西南交通大学出版社,2005.
[2]石红国,彭其渊,郭寒英.列车运行模拟模型的多目标改进遗传算法[J].西南交通大学学报,2006(5).
[3]周锋.动车组牵引计算建模与软件仿真[D].西南交通大学硕士学位论文,2007.
[4]廖勇,袁意,刘明.基于自动驾驶的列车牵引计算系统[J].铁路计算机应用,2008(10).
武汉大汉阳项目牵引仿真计算研究 篇2
关键词：牵引仿真,现代有轨电车,储能电源
1 概述
武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验线工程线路全长约19.955km。 车辆采用四模块编组, 三动一拖, 编组形式:=Mc1+T++M+Mc2=, 最高运行速度70km/h。
2 计算输入条件及基本公式
2.1 计算输入条件如下
(1) 线路参数 (由轨道建设方提供) 。站台数量共29 座, 路口共31 个, 其中路口起始至终止限速30km/h。
(2) 车辆重量。空车重量54.5t, AW3 车辆重量为77t。
(3) 车辆的牵引、制动特性。在平直、干燥轨道, 车轮半磨耗, AW2 载荷条件下:平均启动加速度 (0-40km/h) :≥ 1.0m/s2, 平均加速度 (0-70km/h) :≥ 0.7m/s2, 常用制动平均减速度 (70km/h-0) :≥ 1.2m/s2。
(4) 车辆的基本阻力特性, 即各种工况下的基本阻力计算公式见2.2.1。
(5) 储能电源容量、充电电流等。采用9500F单体电容, 储能电源电压在DC500V-900V之间为可用能量, 计算考虑储能电源全寿命周期内20% 的容量衰减。
(6) 车辆交、直流负载功率。根据辅助负载计算结果, 储能电源电压900-750V时, 功率为52.7k W;600-750V时, 功率为52k W;500-600V时, 功率为51.7k W。
2.2 列车阻力
2.2.1 基本阻力
基本阻力采用常规戴维斯公式:Fw=516*n+ mges* (0, 006374 +0, 00032905*v) + A*v2式中Fw=列车阻力[N];n=列车编组数;mges=列车重量+ 负载[kg];v= 速度[m/s]。
2.2.2 附加阻力
附加阻力由两部分组成坡道阻力和曲线阻力。坡道阻力= 列车总重* 坡度;曲线阻力=600/R, 折算成坡度。
2.2.3 运行阻力
运行阻力基于以下公式进行计算:
mFzg= 车辆总重[kg]; v= 速度[m/s] ;
2.3 能量计算
能量公式基于以下公式进行计算为
W= 总能量 (J) ;C= 电容容量 (F) ;U1、U2= 电压 (V) ;因储能电源电压为DC 500-DC 900V之间为可用能量, 储能电源电压为U时, 剩余能量为
WT= 辅助、牵引能耗 (Wh) , PT= 辅助、牵引功率 (k W) , T= 运行时间 (S) , 本项目通过公式进行计算得总能量为10104Wh。
3 计算结果
(1) 全力南路站- 硃山湖大道站, 线路里程为全长876m , 该区间共的4 个路口及停车等待时间为全力三路- 全力南路 (60s) 、救援中心消防站路口 (45s) 、东风乘用车1 路口 (45s) 、全力三路- 硃山湖大道 (130s) 。以该区间为例, 分别对三种工况计算结果进行对比分析 (路口起始位置- 终止位置限速30km/h) , 计算结果见表1。
1) 工况1 AW3、空调全载、4 个路口均等待一个红灯周期。
2) 工况2 AW3、空调全载、救援中心消防站、东风乘用车1两路口优先通过, 区间限速30km/h。
3) 工况3 AW3、空调全载、区间路口不起停、不等待。
仿真计算结果如表1。
由此可得, 工况1:区间最低电压为463V, 低于储能电源的正常工作电压。车辆起停次数为5 次、停车等待时间为280s, 牵引能耗占总能量的49.97%, 辅助能耗占总能耗的46.74%, 回收能量占总能量的63.77%。工况2, 区间最低电压在储能电源正常工作电压范围内, 车辆起停次数为3 次, 停车等待时间为190s, 牵引能耗占总能量的32.46%, 辅助能耗占总能耗的45.11%, 回收能量占总能量的21.55%。工况3, 区间最低电压在储能电源正常工作电压范围内, 车辆起停次数为1 次, 无停车等待时间, 牵引能耗占总能量的42.91%, 辅助能耗占总能耗的13.68%, 回收能量占总能量的48.53%。
由此可见, 区间设置过多的路口, 起停次数过多、等待时间过长, 相应的牵引、辅助能耗增加, 影响车辆性能的发挥;反之, 区间路口越少、起停次数越少, 将大大降低牵引、辅助能耗, 缩短站间运行时间, 提高车辆的平均旅行速度, 最大限度解决交通压力, 更有利于城市的发展。
(2) 枫树一路站- 后官湖大道站, 线路里程为全长1281m, 该区间共的2 个路口及停车等待时间为后官湖大道- 四环路 (80s) 、后官湖大道- 莲湖路 (90s) 。以该区间为例, 分两种工况进行对比分析 (路口起始位置- 终止位置限速30km/h) 。
1) 工况1:AW3、空调全载、路口等待一个红灯周期
2) 工况2:AW3、空调全载、路口等待一个红灯周期, 限速65km/h。仿真计算结果如表2。
由此可得, 工况1, 区间最低电压在储能电源正常工作电压范围500-900V, 最高运行速度70km/h, 牵引能耗占总能量的48.78%, 辅助能耗占总能耗的41.46%, 回收能量占总能量的74.27%。工况2, 区间最低电压在储能电源正常工作电压范围500-900V, 最高运行速度65km/h, 牵引能耗占总能量的44.61%, 辅助能耗占总能耗的41.46%, 回收能量占总能量的67.08%。
由此可见, 在不影响车辆性能的同时, 车辆采取限速措施, 能更好的优化车辆的运营方案, 节约能源。
4 结语
通过对武汉大汉阳现代有轨电车试验线项目的仿真计算, 对列车的实际线路运行情况作了较为深入、全面的分析和仿真, 为武汉大汉阳现代有轨电车项目车辆运营方案提出了优化建议, 为提高列车运行品质提供了理论依据, 对其他城市的现代有轨电车线路建设具有一定的参考价值。
参考文献
牵引仿真 篇3
汽车牵引钩是汽车的牵引装置,当汽车出现故障时,牵引车将通过牵引钩拖动故障车。强度是构件抵抗破坏的能力,刚度是构件抵抗变形的能力[1]。两者其一不满足要求,构件都不能正常工作。如果牵引钩强度不足,在拖车时,会直接在螺栓根部断裂(如图1所示)。还有一种经常出现的情况就是拖车后,牵引钩变形较大,而无法取出(如图2所示)。
牵引钩及其安装点的强度和刚度是汽车安全性能的考核指标之一。做牵引钩及其安装点强度和刚度试验,至少需要半个白车身,几次试验下来会浪费大量成本。运用CAE仿真分析,可以大量节省试验成本。本文对牵引钩进行了台架试验,将仿真分析结果与试验结果进行对比,从而找到有效的仿真分析方法。笔者根据多年工作经验,对牵引钩常见故障问题及其相应的优化方法做了几点总结。
2 显示分析理论
本文对牵引钩及其安装点的分析属于瞬态动力问题,采用LS-DYNA显示求解方法。LS-DYNA采用显示中心差分法来进行时间积分,在已知的0,……,tn时间步解的情况下,求解tn+1时间步的解,运动方程[2]如下:
上式中,P(tn)为外力向量列阵,Fint(tn)为内力矢量,为单元内力和接触力之和,表达式为,单元的内力由当前构型的应力场的散度求得,H(tn)为沙漏阻力。
把质量矩阵移到方程的右边,求得tn时刻的加速度如下:
tn+1时刻的速度和位移由以下公式求得:
这样可以求得在tn+1时刻的位移,更新tn时刻的系统几何构型,得到tn+1时刻的系统新的几何构型。
3 台架试验
本文为了节省成本,设计了一个简单的台架试验。从图3可以看出,牵引钩用2块铁板固定螺母。模拟实车的前后2块铁板固定螺母的方式,对牵引钩30°方向缓慢加载汽车满载质量的0.5倍的力,分别做了M14、M16牵引钩试验各2组。
对比M14和M16牵引钩的变形量,M14牵引钩拖环处位移量约21 mm;M16位移量约12 mm。如图4所示,图上为M14牵引钩试验后状态,图下为M16牵引钩试验后状态。
4 有限元模型的建立
本文按照台架试验,对牵引钩进行了有限元建模。有限元模型主要包括牵引钩及牵引钩螺母。如果此有限元模型仿真分析结果与试验结果基本一致,就能证明仿真分析方法的有效性。将此有限元模型放在白车身模型中,使用同样的仿真方法分析,能仿真出实际拖车时牵引钩的变形情况。
在本文的分析中,对模型进行了简化。去除了牵引钩及其螺母的螺纹。
4.1 单元类型的选择
本文的仿真分析前处理工作使用的是ALTAIR公司的HyperMesh软件。对于钣金件类型的零部件,单元必须建立在中性面上,采用一阶四边形壳单元和一阶三角形壳单元划分网格,一阶三角形壳单元的精度不够高,整体模型三角形壳单元的数量应控制在5%以内。对于牵引钩及其螺母等铸造件类的零部件,采用六面体网格和四面体网格划分。由于四面体网格的刚度过大,只有牵引钩头形状不规则的部分用了四面体网格;其他形状规则的牵引钩都用六面体网格。
零部件间的螺栓连接采用刚性单元,焊点采用BEAM单元(如图5所示)。
4.2 网格划分
在CAE仿真分析中,网格划分是一个很重要的环节,它决定着分析结果的精度和计算成本[3]。在有限元分析收敛的前提下,应力的误差与单元尺寸成正比,位移的误差与单元尺寸的平方成正比[4]。
焊点的布置由相应的产品工程师提供。为了对建成的有限元模型进行检查,本文对该模型进行了模态计算,检查焊接点的连接情况,并进行修改。
图6为按照台架试验建的有限元模型,本文称为模型1。
4.3 约束
模型1按照台架试验约束,约束螺母部分节点的6个方向自由度。按照同样的建模方法建立的带有车身的模型(本方称模型2),约束白车身阶段处6个方向自由度和前悬安装点6个方向自由度。
4.4 载荷
本文的仿真分析给牵引钩施加了冲击力,随时间变化的力,整个加载过程共400 ms,前100 ms为加载阶段,100～200 ms为加载维持阶段,200～300 ms为卸载阶段,300～400ms为卸载后恢复阶段(如图7所示)。力的大小为汽车满载质量的0.5倍即9 500 N,与台架试验一致。
5 仿真结果及误差分析
5.1 仿真结果
模型1的仿真分析结果显示,M16牵引钩塑性变形为15.9 mm,M14牵引钩塑性变形为22.1mm。通过与台架试验结果对比,仿真结果与试验结果接近,证明了试验结果的有效性(如图8所示)。
以上结果证明了模型2的有效性(如图9所示)。模型2的仿真结果显示,M14牵引钩端部永久变形为32.8 mm;M16牵引钩端部塑性变形为17.74 mm (如图10所示)。M14牵引钩在实车试验时,确实发生过断裂(如图1所示)。
5.2 误差分析
通过对试验和仿真模型进行分析,得出产生误差的原因主要有以下几点。
(1)零部件材料曲线不够准确。拉伸试验测出的材料曲线与具体零部件的材料曲线有出入,并且不是同一批生产出来的材料,材料曲线也会有出入。
(2)牵引钩及其安装点螺纹的简化处理会对结果产生影响。
(3)试验结果的测量存在误差。
(4)台架试验时,力是缓慢加上去的。而仿真分析时,力是在100 ms内加上去的。
基于以上可能产生误差的分析,仿真结果与试验结果在误差范围内基本一致,证明了仿真结果的有效性。
6 牵引钩常见故障问题及其相应的优化方法
根据多年的工作经验,本文对牵引钩常见故障问题和相应的优化方法做了几点总结。
(1)进行CAE分析前,一定要确保不是零部件的制造工艺出现问题。如图11所示,牵引钩脱出,是因为焊接质量有问题,所以此类问题不需要进行仿真分析。
(2)牵引钩根部断裂或螺纹损坏导致牵引钩无法取出,这种情况应该加粗牵引钩或缩短牵引钩的长度。
(3)牵引钩的刚度和强度满足要求,但是变形很大,说明车身的结构刚度较差,可以通过加强牵引钩车身侧安装点的方法进行优化设计。
7 结论
(1)通过与台架试验结果的对比,证明了本文仿真分析方法的有效性。
(2)在产品设计阶段应用有限元仿真分析,避免了多次造车试验验证过程,大大节省了成本。
(3)本文总结的误差分析,如果能够在后续工作中避免,则能提高仿真结果的准确性。
(4)本文总结的牵引钩常见故障问题和相应的优化方法,可以作为牵引钩及其安装点结构优化设计的参考。
参考文献
[1]许本安,李秀治。材料力学[M]。上海:上海交通大学出版社,1988。
[2]赵海鸥。LS-DYNA动力分析指南[M]。北京:兵器工业出版社,2003。
[3]龚曙光,谢桂兰,邱爱红,等。CAE仿真分析中计算精度与网格划分关系探讨[J]。现代机械,2003(6)。
[4]张铜生,张富德。简量有限元法及其应用[M]。北京:地震出版社,1990。
牵引仿真 篇4
1 城市轨道交通牵引计算的作用
列车牵引计算以力学为基础, 科学实验和先进的操控经验为依据, 分析列车运行过程中的各种现象和原理, 并用以解算列车运营和设计上的一些技术问题和经济问题。城市轨道交通牵引计算在城市轨道交通设计中有着以下诸多作用:
(1) 指导线路专业对平、纵断面的优化设计。牵引计算可以得到不同纵断面的牵引能耗, 通过比较可以得到合理的纵断面设计, 指导节能坡设计。
(2) 指导车辆专业对车辆技术参数的选择。通过牵引计算可以研究比较车辆的技术参数, 指导车辆的选型。
(3) 指导信号专业进行闭塞分区的设计。牵引计算可以得到列车在每个区间的运行时间及状态, 可以指导闭塞分区的设计。
(4) 指导牵引供电专业对主变电站规模的确定以及各牵引降压所数量与分布的确定。牵引计算可以得到每个区间的耗电量, 可以指导主变电站的设计规模及分布。
(5) 指导环控专业对地下车站和地下区间的环控通风设计。牵引计算可以计算出每个区间列车运行的时间, 可以指导中间风井的设置位置。
(6) 指导全线配属列车数量计算。通过牵引计算可以得到全线的运行速度, 进一步可以计算出全线的配车数量。
2 城市轨道交通牵引计算基本原理
2.1 受力分析
2.1.1 牵引力
在实际应用中城市轨道交通中的动车组牵引力大小, 是根据牵引电机的牵引特性曲线 (牵引力—速度) 来给出的, 在已知速度的情况下, 可以从曲线图中找到与速度对应的牵引力。
动车的牵引特性曲线根据车辆生产厂家提供的数据不同, 有的以单电机特性曲线方式给出, 有的以动车组的牵引力特性曲线方式给出。
可以利用插值的方法从单电机牵引特性曲线上计算出所需要的牵引力。
2.1.2 阻力
对于城市轨道交通列车, 阻力等于基本阻力加上附加阻力:
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其中Fr的为阻力;n为动车数量;mm 的为动车质量;k为拖车数量;mt其中的为拖车质量;i表示坡度;a、b、c分别为阻力系数。
2.1.3 制动力
制动是列车调速的重要手段, 尤其是在限制速度、下坡道及进站停车时。根据列车制动设备的类型, 制动方法可以分为机械制动 (空气制动) 和电气制动两种。
城市轨道交通列车制动力可以通过列车制动力曲线图得到。
利用插值的方法从制动力特性曲线图上计算出所需要的制动力。
2.2 运动方程
在分析列车受力之后, 我们可以进一步研究列车的运行方程, 得到列车运行时分的计算方法。
列车运动方程建立的基础是将列车视为刚性系统, 利用系统动能定律可以推导出来。列车的动能分为两部分:一部分是列车线性运动的动能;另一部分是列车旋转部分的转动动能, 得到:
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其中Ek为列车的动能;m为列车质量;v为列车速度;I为列车转动部分的转动惯量;ω为列车旋转部分的角速度;C为合力;γ为回转质量系数。
Mh=m (1+γ) (3)
通过对 (1) 微分并推导得到:
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以时间为步长利用 (4) 和 (5) 式迭代计算, 可以得到各时间段的速度, 里程值。
其中在 (3) 式中的回转质量系数undefined, 因机车车辆形式和列车组成而异, 可以通过试验和计算得到。在地铁动车组牵引计算中γ一般取0.08。
2.3 运行策略
根据国内外的经验, 城市轨道交通列车运行仿真模拟过程中一般采用最节能最快速的运行策略, 所以考虑到节约能耗需遵循以下几个原则:
1) 加速过程中按照最大牵引力计算;
2) 停车制动采用最大的制动力;
3) 除了停车制动外, 尽量避免空气制动;
4) 中间运行过程采用加速和惰行交替的运行策略。
2.4 能耗计算
能量消耗是列车运行计算的重要内容, 能耗直接联系着运营费用, 计算得到的结果可以用于城市轨道交通设计方案的比选。
列车运行过程中的能耗主要分为两部分, 又可以分为列车运行消耗电能和列车运行以外车辆空调等消耗电能两类。
E=∑U·I (v) ·Δt=∑U·I·Δt (6)
其中E为列车运行消耗电能;U为列车的牵引电压;I (v) 为t时刻对应的列车的有功牵引电流;I为列车自用电流;Δt计算时间步长。
3 城市轨道交通牵引计算软件开发
运用C#语言和Microsoft Visual Studio 2005开发环境, 对城市轨道交通牵引计算仿真系统进行开发, 完成包括需求分析、功能设计、模块实现、界面设计、数据库设计和调试等一系列工作。
3.1 系统开发工作大纲
系统开发工作大纲主要包括计算数据输入、输入数据图形化、计算工况、计算精度、结果输出、计算总结果及计算结果图形化等, 见表1。
3.2 系统的计算流程
系统单个计算流程如下:
1) 从区间的结束点B点开始, 以制动的形式反算与下限速和上限速相交得到两个里程值S下和S上, 并存入SB至S上的数据, 计作数据1;
2) 从区间的开始点A点开始, 一开始牵引, 然后以牵引惰行交替的运行方式计算到S下, 并存入SA至S上的数据, 计作数据2;
3) 然后从数据1中提出S上至S下, 为一个线段合集1, 同样然后从数据2中提出S上至S下, 为一个线段合集2, 两个线段合集通过调用求交点函数可以求得制动点SZ;
4) 从数据1中提取SA至SZ, 再从数据2中提取SZ至SB, 把这两部分数据组合, 就得到区间数据SA至SB。
图3是单个区间的计算示意图。
3.3 系统的数据库设计
数据库设计主要包括5个模块:Line数据模块 (线路数据) 、Vehicle数据模块 (车辆数据) 、PerformanceCurve数据模块 (机械特性数据) 、Calculate数据模块 (计算参数数据) 和Resule数据模块 (计算结果数据) 。线路数据输入界面, 如图4所示。
4 算例
广州市轨道交通七号线一期工程 (广州南站至大学城南) 线路全长18.60km, 均为地下线路, 设车站9座。采用4动2拖6节B型车编组形式, 最高运行速度为80km/h.坐席 (AW1) 为256人, 定员 (AW2) 为1460人, 超员 (AW3) 为2062人。
表2将基于城市轨道交通牵引计算仿真系统对七号线一期工程石壁站至谢村站两站一区间的右线进行牵引计算。
4.1 数据输入 (如图5～8所示)
4.2 结果输出 (如图9、10所示)
得到的主要结果见表3。
4.3 结果比较
在同样的输入条件下, 利用北京交通大学开发的城市列车运行计算系统计算得到的结果见表4。
通过对比表3与表4, 发现两种软件计算结果相似, 运行时间几乎相同, 牵引能耗误差不到2%。可以证明城市轨道交通牵引计算软件是准确可行的。
5 结论
通过对城市轨道交通牵引计算的受力分析、运动方程、能耗计算、运行策略等基本原理出发, 基于Microsoft Visual Studio 2005开发环境, 开发了城市轨道交通牵引计算仿真系统, 实现了软件输入、输出、模块可视化等功能。并对广州市轨道交通七号线一期工程石壁至谢村右线进行牵引计算, 并得到可行的结果。
城市轨道交通牵引计算正处于开发的初级阶段, 在下阶段将在文件管理、文件输入、cad结合、列车运行策略模块化、界面友好等方面继续完善。
参考文献
[1]饶忠.列车牵引计算[M]. (第2版) .北京:中国铁道出版社, 1995.
[2]TB/T 1407-1998, 列车牵引规程[S].1998.
[3]彭其渊, 石红国, 魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算[M].成都:西南交通大学出版社, 2005.
[4]朱世麟, 蒋影斐.电牵引基础[M].北京:中国铁道出版社, 1990.
[5]GB50157-2003, 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2003.
牵引仿真 篇5
直接转矩控制法是上个世纪中期在矢量控制的基础上发展起来的新型控制方法[1,2]。把转矩直接作为被控量进行控制,省掉了复杂的矢量变换运算,其控制结构简单,控制手段直接,是一种具有较高动态响应的交流调速技术[3]。在直接转矩控制中有两种磁链控制方式,即六边形磁链和圆形磁链。六边形磁链控制结构简单,逆变器开关频率小,但是电流、磁链脉动较大。圆形磁链控制磁链脉动量较小,但是开关频率相对较大。本文根据高速列车牵引电机的工作特点,结合了这两种控制方式的优点,同时考虑了低速时定子电阻压降的影响,建立了适用于高速列车牵引传动系统的直接转矩控制模型。
1圆形磁链控制
对于定子磁链位置的判断,传统的方法是将磁链分成6个扇区。这种传统方法是建立在忽略定子电阻压降影响的基础上的,认为转矩的变化由转矩角度来决定,并不受定子磁链幅值影响。但是如果考虑电阻压降的影响,空间电压矢量选择表在某些情况下是不准确的,因此为了改善传统六扇区控制的不利影响,本文采用十二扇区细分的方法[4]。这种方法是在传统磁链六扇区的基础上将磁链再度细分,分为十二个扇区,如图1所示。
当θ在-15°~15°区间内,当前定子磁链处于第一扇区θ(1),若此时需要同时增加转矩和磁链时,矢量选择单元选择电压矢量U2(110);当定子磁链处于第二扇区θ(2)时,若此时需 要增加转 矩并减小 磁链时,矢量选择单元选择电压矢量U1(100);当定子磁链处于第三扇区θ(3)时,若此时需要减小转矩并增加磁链时,矢量选择单元选择电压矢量U4(100),以此类推[5]。
2六边形磁链轨迹控制
六边形磁链控制系统在1/6周期中只采用一种开关状态,不需要实时计算磁链矢量的相角和幅值,只需要将定子静止坐标系(αβ)下的磁链分量Ψsα和Ψsβ投影到三相坐标系(β)的βa,βb,βc轴上,得到三相定子磁链分量Ψβa,Ψβb,Ψβc,再通过滞环比较器得到3个磁链开关信号SΨa,SΨb,SΨc,由磁链开关信号可以很方便地得到逆变器开关信号Sa,Sb,Sc。另一方面,根据测得的定子电压us和定子电流is,通过电磁转矩计算得到实际电磁转矩Te,将Te与给定电磁转矩Te*比较之后经过转矩滞环比较器得到转矩开关信号TQ,由TQ控制逆变器开关信号的输入,进而控制异步牵引电机。
3恒转矩区段全速度控制策略
综合圆形磁链控制和六边形磁链控制的优点,在低速范围内,即15%基速以下,采用圆形磁链控制;在高速范围内,即15%基速以上,采用六边形磁链控制。磁链控制方式以15%基速为切换点,切换通过编写的S函数来实 现。根据直 接转矩控 制理论,建立MATLAB/Simulink仿真模型。
4全速度控制系统仿真与分析
本文参考的某动车组编组方式为四动四拖。通过MATLAB/Simulink仿真,得到的结 果如图2~ 图5所示。
结合图2、图3和图4可以看出:在全速范围内,定子磁链轨迹呈圆形和六边形混合图形;在低速范围内,磁链轨迹为圆形;在高速范围内,磁链轨迹为六边形;当牵引电机处于圆形磁链控制时,定子磁链的波动明显小于六边形控制。
在列车起动初始,起动阻力要大于列车运行阻力。从图5中可以看出列车起动时电机负载转矩约为290Nm,并随列车速度的增加而减小;在0.015s,此时列车阻力为列车运行阻力,并随着列车速度的增加而增加。结合图2可以看出,在电机负载转矩变化的同时,转速平稳过渡,并没有出现大的波动,说明建立的系统动静态性能响应良好。
为了对比传统圆形磁链控制和十二扇区细分圆形磁链控制,单独建立了两种圆形磁链控制模型。牵引电机基本参数不变,初始给定 电机转速 为40rad/s,0.3s给定电机转速为80rad/s,0.6s给定电机转速为30rad/s;电机负载转矩初始给定值为0Nm,0.6s负载转矩为400Nm。仿真结果如图6、图7所示。
对比图6(a)和图6(b)可以看出:在列车低速范围内,传统磁链控制会出现微小的磁链畸变;而采用十二扇区细分法得到的磁链轨迹能够更快地达到圆形。对比图7(a)和图7(b)可以看出:传统磁链控制电机电磁转矩在±30Nm范围内,而采用十二扇区细分法,电机电磁转矩在±25Nm左右,这表明十二扇区细分法能够有效地减小转矩脉动。
5结论
根据直接转矩控制理论,基于某动车组参数,建立恒转矩区段全速度控制模型,仿真结果表明:
(1)在考虑列车运行阻力和起动阻力的条件下,根据给定的参数,仿真得到的电机电磁转矩和定子电流没有产生大的波动,控制方式的切换比较平稳,定子磁链比较完整,没有产生畸变,系统具有良好的动静态响应性能。
牵引仿真 篇6
1. 全并联AT供电系统模型的建立
1.1 全并联AT供电系统
牵引网全并联AT供电系统从牵引变电所到接触网，是一个十分复杂的系统，架空线包括接触线、正馈线、加强线、保护线、吊玄和承力索，地面包含钢轨、大地，每隔一段距离的AT变压器等电气因素。线路分单线、复线以及站场咽喉等等。为简化系统，便于系统模型的建立，忽略了加强线与保护线，将承力索、吊弦与接触线等效为一条接触线T，将两条钢轨等效为一条线路N，并忽略AT变压器漏抗。同时，将牵引网视为空载。
1.2 AT模型
AT (Auto-Transformer）变压器的等值电路和单相双绕组变压器相同。AT变压器仿真模块采用Sim PowerSystems模块中的单相双绕组饱和变压器"Saturable Transformer"来实现，根据AT变压器的接线方式，将一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接在一点作为中间抽头接钢轨，其他两端的抽头作为接触线和正馈线的抽头。如图1-1。
1.3 牵引网复线模型
由于牵引网供电供电臂相对比较短，一般不会超过50km，因此每个供电臂的线路模型可以用串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵的集中参数模型的π型模型来代替。其中串联阻抗矩阵包含导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感；并联导纳矩阵包含导线之间或者导线之间的电容和漏电阻。然而，由于每个供电区段比较短，并联导纳通常可以忽略不计。处于同一电压等级的所有的导线都可以用一根等值导线来代替，同时，假定地导线的电压为零，等值地导线可以忽略不计。从而复线牵引网系统就可以简化为上下行之间含有互感的等值模型。
根据上述的简化方法，结合Matlab中的线路模型，采用Sim PowerSystems中的“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块来分别表示导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感。利用这两个线路模型，根据简化的牵引网模型，建立的牵引网仿真模块内部结构如图1-2所示。六个输入、输出端子分别表示上行简化的牵引网T线、R线、F线和下行简化的牵引网T线、R线、F线。
1.4 短路模块
短路模块采用Sim PowerSystems里的“Breaker”模块, 利用常熟模块，通过matlab程序利用参数b1, 、b2、b3控制断路器（Breaker1～6）的开端来实现距牵引变电所不同距离的牵引网短路。短路时刻从0.05s开始。
1.5 牵引变压器
牵引变压器采用“Sim PowerSystem”中的“Linear Transformer”模块，变压器原本为目前牵引变电所普遍采用的220k V，副边分别有2, 3两个绕组，分别为左右两个供电臂供电，其模块及参数如图1-3所示。
综合上述各模块的建立，建立全并联AT牵引网模型如图1-4所示。短路阻抗测量模块位于牵引变电所副边牵引网馈线处，通过MATLAB的M语言编程在距牵引变电所不同距离点出作出各种短路故障仿真，通过模型对接触网的接触线（T）、正馈线（F）和钢轨（N）相互间短路进行仿真。
2. 牵引网短路仿真
根据某实际AT牵引网参数：L1=15 km, L2=12km, L3=15 km;
ZT=0.2314+j0.581;ZF=0.14+j0.740;ZR=0.
212+j0.555;ZFR=0.050+j0.315;ZTF=0.050+j0.403;ZTR=0.050+j0.311；其中L1为牵引变电所至第一个AT (AT1）的距离，L2、L3分别是AT1至AT2和AT2与AT3之间的距离。
通过短路仿真，得出牵引网分别在T-F短路、T-N短路、F-N短路故障下在牵引变电所馈线处测得短路阻抗曲线如图2-1所示。从图中可以看出牵引网接触线、正馈线、钢轨之间的短路阻抗曲线呈一系列的鞍形曲线，这与文献[2]中的理论计算是相符合的。
结论
(1）通过MATLAB/Simulink建立全并联AT供电系统模型，利用短路模块，测得牵引网短路故障的阻抗曲线，得到一系列的鞍行曲线，这与文献[2]中理论计算的结论相符，说明建立的系统模型基本正确。
(2）由于实际电气化铁道牵引供电系统是一个复杂的非线性系统，通过简化，将系统线性化，并忽略了AT的漏抗以及PW线等的影响，所以后续工作可以将系统模型更加细化，使仿真结果更加接近实际。
参考文献
[1]李群湛贺建闽编著.牵引供电系统分析[M].成都:西南交通大学出版社.2007.9.
[2]王继芳, 高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析[J].电气化铁道, 2005, (4) :20-23.
[3]薛定宇, 陈阳泉.基于MATLAB/simulink的系统仿真技术与应用[M」.北京:清华大学出版社, 2002.
牵引仿真 篇7
作为城市轨道交通电力系统的重要组成部分,直流牵引供电系统的仿真技术一直备受关注,国外已有一些相对成熟的分析软件,如德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司的Open Power Net、美国CarnegieMellon大学的EMM等,国内的一些设计院和科研所也自行开发了一些相关的软件。这些软件大都是针对电力机车和牵引供电装置的实时运行进行动态仿真, 旨在辅助城轨电网的设计和建设; 但是针对牵引供电系统继电保护仿真的软件研究还很欠缺[1,2,3,4,5]。
与交流系统相比,轨道交通直流系统的继电保护定值计算与校验手段相对落后。由于缺乏统一的整定规程,往往由技术人员根据保护装置的说明书,结合工作经验给出,线路正式投运之前,会进行列车的试运行,在此过程中,如果未发生开关跳闸等异常现象,则校验成功,系统将正式投入运行。显然,这种校验方式是不够充分的,仅能够保证在部分正常运行情况下保护不会发生误动,无法保证在故障或异常情况下保护能够及时、正确地动作。即使考虑周全,试验系统上的校验也无法考虑到所有复杂情况,而且随着线路复杂性的提高,工作量的加大,出现错误的几率也会随之增高,这与城市交通对安全性的高要求不相匹配。
本研究针对轨道交通直流牵引系统的继电保护定值缺乏有效验证手段的问题,开发相应的仿真校验软件。
1直流牵引供电系统保护仿真软件的需求
轨道交通直流牵引供电系统主要特征如下: 1一条运行线路上分布着若干个牵引变电站,牵引变电站中的整流机组将交流电流整流后提供给直流牵引网, 为列车供电。直流牵引网由直流母线、馈线、回流线、 接触网、钢轨和架空地线构成,运行中的列车通过受电弓从接触网上获得电能,再由钢轨回流; 2为了方便故障的切除,接触网是分段的,每段接触网由两侧的牵引变电站共同供电,保护装置安装在站内的馈线开关上, 当某段线路发生短路时,两侧的馈线开关都要跳开,以实现故障切除; 3电动机车是系统的唯一负荷,由于列车启停和位置变动等原因,负荷电流的波动范围较大。 典型的双边供电直流牵引系统如图1所示。
供电系统保护仿真软件需要具备如下功能:
( 1) 图形界面。要实现的功能包括: 1对一些需要由用户给定的数据,软件为其提供录入界面; 2提供图形建模区域以及与轨道交通实际设备相对应的图元工具箱; 3提供软件功能触发按钮,用户可以通过该接口触发短路电流计算功能和保护定值校验功能; 4能够输出软件的运行结果,用户可以查询各个开关处的短路电流及保护定值校验单。
( 2) 短路电流计算功能。由于系统负荷的波动性较大,仅进行稳态短路电流计算不足以区分正常的负荷波动和较小的短路电流,因此,软件需要同时采用稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,通过对短路后馈线开关处暂态电流波形的分析,实现故障和负荷波动的区分。
( 3) 保护定值校验功能。在满足选择性、灵敏性和速动性3个基本要求的前提下,软件在校验过程中, 既要能够对单个保护进行校验( 其他保护闭锁) ,也要能够对保护之间的配合进行校验: 1区内故障时两端的馈线开关能够快速跳开; 2区外故障时馈线开关不能跳开; 3列车启停电流的波动不能导致保护误动。 制定校验规程时必须要遵循这3条原则。
2软件的结构及功能的实现
2.1软件的功能组成
软件的主要功能: 在分析各类接触网短路条件下, 馈线开关处短路电流的分布状况,校验开关所配置的继电保护整定值是否合理并给出修改意见。软件旨在减少馈线开关保护的误动和拒动,指导运营人员修改不合理的保护整定值。
该软件的功能架构如图2所示。
该软件架构中,基础数据录入功能为用户提供访问数据库的界面,实现添加建模及仿真所必须的基础数据,如各种型号的导线模型,各种型号电动机车启停的负荷电流模型,线路实际运行的保护整定单等。图形建模功能为用户提供图元工具箱,实现创建轨道交通电路图的绘制和参数录入,拓扑检查成功后存入数据库中。仿真功能使用接口为用户提供使用短路电流计算和保护定值校验模块的界面。短路电流计算和保护定值校验是系统的核心计算模块,它们从数据库中读取计算模型,并将计算结果保存到数据库中。用户通过图形界面所提供的查询窗口查看各个开关的短路电流情况和保护定值的校验结果。
2.2图形界面
( 1) 基础数据录入。在建模和仿真的过程中,需要从数据库中调用一些基础数据,这些数据由用户根据实际情况提前录入。其数据录入的类型如下:
1材料模型录入。录入当前轨道交通中常用的材料类型,以便用户在图形建模过程中,按照线路的实际情况选择材料。当材料类型不足时,可以在该录入界面下添加新材料类型并保存到数据库中。
2电动机车负荷电流曲线录入。电动机车是直流牵引供电系统的唯一负荷,机车的频繁启停会导致负荷电流的较大波动,严重时会导致保护误动,因此,机车负荷电流曲线将作为校验保护定值的一项依据。这里的机车负荷电流曲线是指,车辆运行过程中,馈线开关处所检测到的电流与运行时间的关系。负荷电流曲线会根据车型和线路的具体情况发生变化,一般应该由用户将现场录波仪器所采集到的负荷电流数据录入软件中,若现场无录波仪器,则根据车型选择软件提供的标准负荷曲线作为后续定值校验的依据。
3保护整定单录入。保护定值校验需要由用户提供待校验的保护定值整定单,软件的图形界面提供了录入接口。
( 2) 图形建模。图形建模是应用软件实现人机交互所必备的基础功能。该软件的一大核心特色就是图模一体化,用户通过对软件提供的图形元件进行参数修改和连接,搭建模拟实际线路的系统,有别于Simulink等大型电力仿真软件,该软件的图形建模功能有如下两个特色:
1提供了轨道交通建模所需的图元工具箱,图形元件分别对应于轨道交通中常见的电气构件; 元件参数根据城轨交通的自身特点进行了调整,同时添加了一些轨道交通所独有的复合元件 ( 如钢轨,接触网等) 。用户建模时,不需要再对各个元件进行阻抗上的折算,只需根据实际情况,输入线路距离、选择材料类型和电压等级。
2当系统较大时,软件允许将之拆分成几个子系统,分列在不同的图层中。软件提供的“拷贝”功能,支持同名元件同时出现在两个子系统中,这样设定的好处是,节省建模时间的同时,还可以通过这一元件实现子 系统之间 的互联,增加建模 图形的可 读性。
( 3) 仿真功能使用接口。软件的仿真功能使用接口为用户提供了使用短路电流计算和保护定值校验功能的入口界面。进行短路电流计算时,软件提供故障类型和故障位置的设置界面,故障信息输入完成后,软件调用短路电流计算模块,并将运算结果保存到数据库中。
进行保护定值校验时,软件提供保护校验设置界面,用户可以对单一保护进行校验,也可以进行所有保护的全自动校验,还可以对某些不关心的保护进行闭锁,设置完成后,软件调用保护定值校验模块,并将运算结果保存到数据库中。
( 4) 运行结果查询。仿真完成后,用户可以在软件提供的查询窗口中查看短路电流计算结果和保护定值校验结果。
2.3短路电流计算
直流牵引供电系统接触网短路的仿真过程中,该软件同时采用了稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,前者可以得到故障后各个馈线开关处的稳态电流值,后者可以得到短路发生瞬时各个馈线开关处的电流变化情况。
稳态短路计算模型。直流牵引供电系统由整流机组和牵引网两部分组成,牵引网中的各类电气元件 ( 如钢轨、直流馈线等) 在稳态仿真时都可用阻抗参数来等效,关键在于如何确定整流机组的电压电流外特性。
文献[6]从经典的6脉波整流机组3折线模型出发,推导得出了12脉波整流机组的5折线模型,而现今上海、南京等大多数城市地铁所普遍采用的等效24脉波整流机组是由两个12脉波整流机组并联而成,这种条件下,5折线模型同样适用。
针对主流的等效24脉波整流机组,该软件采用上述的5折线外特性模型,每段折线分别对应一个工作区间。计算开始时,假定所有机组都工作于第一区间, 如果有任意一台机组的输出负荷不在其工作区间内, 则对其进行调整。调整的流程如图3所示。
实际上,当某段线路发生短路时,只需对短路点两侧各两个站( 共4站) 进行机组工作区间的调整, 其他整流机组距离远,提供的短路电流小,可以忽略不计。因此,即使线路复杂,软件也能有较快的运行速度。计算结束后,稳态短路电流计算的结果保存到数据库中。
暂态短路计算模型。暂态电流计算涉及的因素较为复杂。一方面,随着负载电流的变化,整流机组的工作区间会发生改变,等效内阻也必然随之改变; 另一方面,短路位置的不同,外部等效阻抗也会发生变化。暂
态短路电流很难用一种模型准确计算。
在计算接触网短路暂态电流的研究中,国内外普遍将其分为近端短路和远端短路。文献[7]中给出了接触网近端短路的计算模型,它忽略了外部线路的阻抗,通过分析整流桥臂的导通情况,最终得到出口短路的暂态电流公式; 文献[8]中给出了接触网远端短路的计算模型,因为整流器内阻可以忽略,而短路位置及短路类型确定后,在不考虑集肤效应的前提下,外电路的阻抗也能够确定,所以,理想条件下短路电流呈简单的指数曲线上升。
实际条件下,必然存在“两个阻抗数量级相当,互相都不能忽略”的情况,因此,仅仅依靠这两种模型是不足以准确得到接触网任意位置短路的暂态电流波形的。针对这种情况,本研究进行了深入的研究,得到了一种折中的模型[9],该模型的核心思想是,将两种经典模型的计算结果进行加权处理,再相加作为最终的计算结果,权重系数与短路位置( 在公式中体现为外阻抗的电阻值和电抗值) 存在着一定的函数关系,距离出口越近近端短路模型越占主导作用,距离出口越远远端短路模型越占主导作用。仿真实验证明,在短路之后的几个周波内,该模型的计算值是准确的,可以满足后续的校验需求。
2.4保护定值校验
轨道交通直流牵引系统的保护装置配置在馈线开关上,以西门子公司生产的Sitras Pro装置为例,配置的保护包括: 电流速断保护、过流保护、电流上升率保护、电流增量保护、欠压保护和阻抗保护等。该软件的校验功能包含两部分: 对单一保护原理的校验以及支持保护闭锁的全自动校验。
单一保护原理的校验。该软件对单一保护原理进行校验时,需要闭锁其他保护原理。轨道交通直流牵引系统的主保护包括电流速断保护,以及电流斜率保护[10],后者又包括电流增量保护和电流上升率保护两个模块。与交流电网的三段式保护不同的是,这两类保护是互为后备的。当短路发生在接触网近端时,短路电流迅速上升,会在极短的时间内到达电流速断保护的整定值,但此时还未达到电流斜率保护的最小延时,因此,电流速断保护会优先动作,电流斜率保护作为后备保护延时动作; 当短路发生在接触网远端时,短路电流上升相对缓慢,一般情况下,电流速断保护的整定值较高,短路电流会经过较长的时间才能到达动作值,这种情况下,电流斜率保护会优先动作,而电流速断保护将作为后备保护延时动作。两者的配合保证了故障发生后保护的速动性,因此需要对这两类保护的定值进行更加严格的校验。
电流速断保护校验。设短路发生后,馈线开关处的稳态电流值为I,保护的整定值为Imax( A) 。
故障位置设置在本段线路的中点,短路类型为接触网对架空地线短路,若开关处电流I > k Imax,( k≈ 1. 2) ,则定值Imax满足灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。故障设置在线路中点的原因是,系统工作于双边供电模式,两端的电流速断保护共同保护线路的全长。
短路故障设置在下级线路的出口,短路类型为接触网对钢轨短路,若开关处电流I < k Imax,( k≈0. 8) ; 则定值Imax满足选择性,反之,不满足选择性,应该适当提高整定值。
电流增量保护校验。设电流增量保护的启动整定值为E( A/ms) ,跳闸值Itrip( A) ,该保护的校验需要结合电动机车的负荷电流。
设一辆机车启动过程中的最大电流变化率为A, 若E > k A,( k≈1. 2) ,则定值E满足选择性; 反之,机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。
设机车启动过程中的最大电流冲击电流为Istart, 若Itrip> k Istart,( k≈1. 2) ,则定值Itrip满足选择性; 反之, 机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。
电流上升率保护校验。设电流上升率保护的动作值为F( A/ms) ,保护延时整定值为tdur( ms) ,该保护主要用于区分远端短路电流和机车启动电流,原则上,延时越大越有利于躲开机车启动电流的冲击时间。
短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = 0 ~ tdur时间内馈线开关处的电流值,计算得出该短时间内的发热量,若超出线路的热承受范围,则需适当减少延时整定值;
短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = tdur时刻的电流上升率B,若B > k F,( k≈1. 2) ,则定值F满灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。
后备保护校验。与交流电网相似,后备保护的保护范围一般超出本段线路,需通过较长时间的延时来完成与主保护之间的配合。针对这一特点,该软件对后备保护仅进行灵敏性校验,故障位置一律设置在该段线路的末端,故障类型为接触网对架空地线的短路。
全自动校验。全自动校验模式下,用户勾选出参与校验的保护,闭锁掉不参与校验的保护。该软件在运行的过程中,会根据参与校验的保护类型,按照上述的校验原则,自动设置短路位置及短路类型,全部计算完成后,系统会将未通过校验的保护定值及调整建议保存到数据库中,用户可以在查询界面查看结果。
3算例分析
以上海地铁为例,本研究取临平路至浦东南路共4个站点3段线路作为仿真对象,对上体馆站下行线路馈线开关的主保护定值进行校验,站点分布情况如图4所示。
仿真参数如下所示( 其中序号1,2,3,4分别对应从左到右的4个站) :
( 1) 整流变压器参数如表1所示。
( 2) 整流器容量: 3. 600 MW;
( 3) 站间距:1 ~2:3 468 m;2 ~3:2 373 m;3 ~4:2 461 m;
( 4) 钢轨单位电阻: 0. 030 Ω/km; 钢轨单位电感: 1. 498 m H / km;
( 5) 接触网单位电阻: 接触线0. 058 3 Ω/km; 承力索0. 074 4 Ω/km; 辅助馈电线0. 058 3 Ω/km; 即总单位电阻为0. 058 3 / /0. 074 4 / /0. 058 3 = 0. 020 9 Ω/km; 电感忽略不计;
( 6) 架空地线单位电阻0. 145 8 Ω/km; 单位电感1. 194 6 m H / km;
( 7) 整流机组与母线连接线单位电阻0. 047 Ω / km; 母线与接触网( 馈线) 单位电阻0 . 047 Ω / km; 整流变与整流器单位电阻0. 043 74 Ω /km; 电感忽略不计。
软件的仿真建模界面部分示意如图5所示。
仿真中,设置的主保护的整定值如表2所示。该整定值为线路实际运行中所采用的整定值。
本研究按照线路的实际参数进行图形建模,输入整定单,分别对浦东大道站的电流速断保护、电流增量保护及电流上升率保护进行校验,校验完成后,在图形界面中可以查询校验结果,输出到excel表格中的校验单如图6所示。
图6中,第一行校验的是电流速断保护的灵敏性, 短路位置设置为线路中点,接触网对架空地线短路,短路电流要小于接触网对钢轨短路的情况,此时如果能够可靠动作,则说明区内故障均能够动作,保护的灵敏性达到要求; 第二行校验的是电流速断保护的选择性, 短路位置设置在下段线路的出口,接触网对钢轨短路的短路电流要大于对架空地线短路的情况,此时如果保护仍未动作,则说明保护不会越区跳闸,满足选择性的要求。其他行的情况类似。软件的校验结果表明, 上述各主保护的整定值满足灵敏性和选择性的要求, 保护不会发生误动和拒动的情况。
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