電力機車輔助電機PID控制研究

摘要：電力機車輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設(shè)計的輔助設(shè)備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設(shè)備服務(wù)的主電路電器設(shè)備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設(shè)備的損耗，降低其使用壽命，同時也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適度。選擇PID控制策略，以新型傳感器為牽引電機的溫升檢測裝置，以PLC作為系統(tǒng)控制單元，以HMI為系統(tǒng)的人機界面，完成了系統(tǒng)硬件方案設(shè)計，借助專用工具設(shè)計PLC和HMI的軟件，實現(xiàn)了電力機車輔助電機的PID控制。
關(guān)鍵詞：電力機車；輔助電機；PID控制；研究

電力機車輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設(shè)計的輔助設(shè)備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設(shè)備服務(wù)的主電路電器設(shè)備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設(shè)備的損耗，降低其使用壽命，同時也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適變。如果研究開發(fā)一個有閉環(huán)控制功能的控制系統(tǒng)，在需要輔助電機投入工作時控制其投入工作，不需要則使其停機，基于新型傳感器、PLC和HMI的輔助電機PID控制系統(tǒng)就是本課題的研究內(nèi)容。
輔助電機是電力機車輔助電路的重要設(shè)備，它包括異步劈相機、空氣壓縮機電機、牽引通風機電機、制動通風機電機、變壓器風機電機和潛油泵電機。劈相機為輔助電路提供三相電源，壓縮機為機車提供風源，牽引風機對整流裝置、平波電抗器和牽引電機強迫冷卻，變壓器風機和潛油泵則為變壓器散熱。這些電機的功率從10千瓦到35千瓦不等，是電力機車除牽引電機外功率最大的耗能設(shè)備，以一臺6軸電力機車為例，輔助電機的功率總和就達300 kW，韶山4型等8軸電力機車的輔助電機的功率總和甚至更大。更重要的是，這些功率很大的耗能設(shè)備控制完全是由司機進行人工控制的。在這些輔助電機中，牽引風機電機的功率僅次于劈相機，出于電力機車運行安全的考慮，在邏輯控制環(huán)節(jié)設(shè)置了聯(lián)鎖，在制動工況和牽引工況的高級位，即使在寒冷的冬季，在環(huán)境溫度很低，無需對牽引電機、平波電抗器、主變壓器等設(shè)備強迫冷卻的的情況下，也必須開啟牽引風機，也就是說風機開啟的條件和時機不是根據(jù)上述設(shè)備的溫升，而是由機車所處的工況決定的。這樣的控制策略存在明顯的不足，既不科學也不節(jié)能，在提倡節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟成為社會共識的大背景下，應(yīng)根據(jù)機車具體情況，研究并優(yōu)化機車輔助電機控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。
對于電力機車輔助電機控制，首先應(yīng)該明確控制對象，分析它們的特點和控制要求，研究控制策略，設(shè)計控制系統(tǒng)方案，確定具體的實現(xiàn)途徑。在上述的輔助電機中，劈相機的作用是把單相工頻交流電變成三相工頻交流電，是其他輔助電機正常工作的前提條件，它的控制是人工控制的，此外，空氣壓縮機根據(jù)總風缸的壓力由壓力控制器控制，制動通風機是電阻制動工況時由司機控制，它們的控制方式不做改變。牽引通風機、變壓器通風機的控制是司機人工控制的，它們的控制策略有待優(yōu)化，控制方式改為PID控制，因此它們的控制是本文研究的對象。

1 控制策略的選擇
牽引風機的作用是給牽引電機冷卻，變壓器風機的作用是給變壓器冷卻，因此控制策略的選擇應(yīng)即能保證上述電氣設(shè)備的正?？煽抗ぷ鳎忠紤]節(jié)能，安全、可靠、合理是基本要求，同時也要兼顧有較高的自動化程度、較低的成本和技術(shù)上容易實現(xiàn)等因素。風機控制問題的實質(zhì)就是要根據(jù)控制對象的溫升和環(huán)境溫度的變化科學合理控制風機的啟動和停止，也就是控制對象需要通風時啟動，不需要通風時就停止。但是，牽引電機溫升控制的特點是有較大的滯后性，當溫升過高時，再進行通風冷卻，會造成電機溫度過高，影響到電機的可靠工作，對電機本身有一定危害，甚至會造成電機損壞，這種現(xiàn)象稱為欠調(diào)。隨著電機的通風冷卻，電機溫度隨之下降，當降到電機的安全工作溫度時，再控制風機停止，電機的溫度可能已經(jīng)很低了，電機本身不再需要通風，這又會造成浪費，起不到合理控制的作用，這種現(xiàn)象稱為過調(diào)，上述問題就是溫度控制系統(tǒng)的滯后性問題。
基于上述控制要求及其特點，我們決定采用目前應(yīng)用較為普遍，控制性能優(yōu)良的PID控制器控制。PID是比例積分微分控制器的簡稱，它能通過設(shè)置正確的參數(shù)，有效防止溫度調(diào)節(jié)過程中的欠調(diào)和超調(diào)，獲得較為理想的控制性能。PID控制器的主要參數(shù)有：測量值、設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時間、微分時間、取樣時間、調(diào)節(jié)死區(qū)等。其中測量值就是牽引電機的溫度值，設(shè)定值是根據(jù)電機的具體型號確定的參考值，比例系數(shù)的值為一百分比，是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減小偏差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分時間的調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，積分作用的強弱取決于積分時間，積分時間越大，積分作用就越強，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越慢，反之，積分作用就越弱，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越快，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)回應(yīng)變慢。微分時間反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。取樣時間是系統(tǒng)檢測電機溫度的周期。調(diào)節(jié)死區(qū)是當測量值與設(shè)定值的差值小于調(diào)節(jié)死區(qū)的值時，系統(tǒng)不起調(diào)節(jié)作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
電機溫升是決定電機額度功率和額定電流的主要因素，電機的發(fā)熱程度不僅取決于電機內(nèi)部單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，而且還取決于電機散熱條件，因此，必須進行通風計算，以此來設(shè)置合理的參數(shù)。在進行電機的通風計算時，要確定帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量所必須的風耗量。當電機在持續(xù)工控下工作時，吹過電機內(nèi)部的風量，應(yīng)能帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱耗，而電機則在符合標準的穩(wěn)定溫升下工作。計算電機通風量的公式為∑△P∞=CBγB△θBQ，式中∑△P∞是持續(xù)工控下電機的損耗；CB=1．1是壓力為760 mm汞柱及溫度為50 ℃時空氣的密度(Kg ／m3)；γB=1000空氣比熱(W·s／Kg·℃)△θB空氣通過電機后的溫升，由此計算得出所需的風耗量。

2 硬件方案設(shè)計
硬件方案設(shè)計是輔助電機控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個系統(tǒng)的設(shè)計首先應(yīng)滿足故障導向安全原則，其次要求可靠性高、功能豐富、自動化程度高、經(jīng)濟性好、技術(shù)先進。
本系統(tǒng)的主要硬件模塊包括可編程控制器(PLC)、溫度傳感器、風速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、人機界面(HMI)和電源模塊等。 PLC為本系統(tǒng)的核心控制裝置，實現(xiàn)環(huán)境溫度和電機溫度的多路檢測，風機電機轉(zhuǎn)速的檢測和牽引電機風路通風量的檢測以及輔助電機各相電流的檢測等，這些檢測到的電信號從PLC的模擬量AIO口輸入，經(jīng)PLC處理后實現(xiàn)輔助電機的控制和保護。此外，PLC數(shù)字量輸入DI口和數(shù)字量輸出口DO作為輔助電機的邏輯控制環(huán)節(jié)的輸入和輸出。溫度傳感器用來檢測環(huán)境溫度和牽引電機等的溫度，環(huán)境溫度是電機溫升的參照點，為可靠性考慮，環(huán)境溫度的檢測至少要檢測不同的3個點，因此檢測環(huán)境溫度的傳感器要有3路。電機溫度也要用溫度傳感器檢測，每1臺牽引電機溫度的檢測也要3路，檢測牽引電機不同部位的溫度。由于牽引電機溫度不能進行直接接觸檢測，所以要采用紅外線溫度傳感器。風速傳感器的作用是測量牽引電機風道的風速，從而計算出牽引電機的通風量，作為設(shè)置PID參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。速度傳感器監(jiān)視風機電機的轉(zhuǎn)速，以判斷風機是否真正啟動以及工作是否正常。電流傳感器檢測風機電機的電流，以實現(xiàn)風機電機的過流保護。人機界面(HMI)則實現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)工作參數(shù)的設(shè)置，相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)的記錄和存儲以及故障檢測和診斷信息等的顯示。PLC和HMI的通信用Modbus通信總線連接，通信協(xié)議遵循通用的標準Modbus通信協(xié)議，實現(xiàn)兩者的信息交換。硬件方案的設(shè)計如圖1所示。