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計的輔助設備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態，即使在環境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設備服務的主電路電器設備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設備的損耗，降低其使用壽命，同時也產生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務作業人員工作的舒適度。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作為系統控制單元，以HMI為系統的人機界面，完成了系統硬件方案設計，借助專用工具設計PLC和HMI的軟件，實現了電力機車輔助電機的PID控制。
關鍵詞：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計的輔助設備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態，即使在環境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設備服務的主電路電器設備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設備的損耗，降低其使用壽命，同時也產生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務作業人員工作的舒適變。如果研究開發一個有閉環控制功能的控制系統，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控制系統就是本課題的研究內容。
輔助電機是電力機車輔助電路的重要設備，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，在邏輯控制環節設置了聯鎖，在制動工況和牽引工況的高級位，即使在寒冷的冬季，在環境溫度很低，無需對牽引電機、平波電抗器、主變壓器等設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上述設備的溫升，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，既不科學也不節能，在提倡節能減排、低碳經濟成為社會共識的大背景下，應根據機車具體情況，研究并優化機車輔助電機控制系統具有現實的經濟意義。
對于電力機車輔助電機控制，首先應該明確控制對象，分析它們的特點和控制要求，研究控制策略，設計控制系統方案，確定具體的實現途徑。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即能保證上述電氣設備的正常可靠工作，又要考慮節能，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、較低的成本和技術上容易實現等因素。風機控制問題的實質就是要根據控制對象的溫升和環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，這種現象稱為欠調。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，這種現象稱為過調，上述問題就是溫度控制系統的滯后性問題。
基于上述控制要求及其特點，我們決定采用目前應用較為普遍，控制性能優良的PID控制器控制。PID是比例積分微分控制器的簡稱，它能通過設置正確的參數，有效防止溫度調節過程中的欠調和超調，獲得較為理想的控制性能。PID控制器的主要參數有：測量值、設定值、比例系數、積分時間、微分時間、取樣時間、調節死區等。其中測量值就是牽引電機的溫度值，設定值是根據電機的具體型號確定的參考值，比例系數的值為一百分比，是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差，比例作用大，可以加快調節，減小偏差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分時間的調節作用是使系統消除穩態誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值，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，調節回應就越慢，反之，積分作用就越弱，調節回應就越快，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態回應變慢。微分時間反應系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除，因此，可以改善系統的動態性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。取樣時間是系統檢測電機溫度的周期。調節死區是當測量值與設定值的差值小于調節死區的值時，系統不起調節作用，提高系統的穩定性。
電機溫升是決定電機額度功率和額定電流的主要因素，電機的發熱程度不僅取決于電機內部單位時間內所產生的熱量，而且還取決于電機散熱條件，因此，必須進行通風計算，以此來設置合理的參數。在進行電機的通風計算時，要確定帶走電機內部產生的熱量所必須的風耗量。當電機在持續工控下工作時，吹過電機內部的風量，應能帶走電機內部產生的熱耗，而電機則在符合標準的穩定溫升下工作。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 硬件方案設計
硬件方案設計是輔助電機控制的關鍵環節，整個系統的設計首先應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、經濟性好、技術先進。
本系統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為本系統的核心控制裝置，實現環境溫度和電機溫度的多路檢測，風機電機轉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PLC處理后實現輔助電機的控制和保護。此外，PLC數字量輸入DI口和數字量輸出口DO作為輔助電機的邏輯控制環節的輸入和輸出。溫度傳感器用來檢測環境溫度和牽引電機等的溫度，環境溫度是電機溫升的參照點，為可靠性考慮，環境溫度的檢測至少要檢測不同的3個點，因此檢測環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，作為設置PID參數的重要數據。速度傳感器監視風機電機的轉速，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，以實現風機電機的過流保護。人機界面(HMI)則實現系統相應工作參數的設置，相關數據和系統工作狀態，數據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，通信協議遵循通用的標準Modbus通信協議，實現兩者的信息交換。硬件方案的設計如圖1所示。