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摘要：在火车的运行过程中，因为轮径、电机转子电阻因素影响导致电机负荷存在不平衡问题，对电机转矩输出和运行效率产生影响。本文从轮径差异、转子电阻差异两方面对影响电机负荷情况进行分析，并通过假设方式以加权控制方式验证控制策略的可行性。
关键词：电机负荷;轮径差异;转子电阻差异
引言
现阶段火车牵引系统主要为车控方式，虽然这种设计方式省去功率器件应用，对控制结构加以简化，但是在实际运行中，却增加了因为轮径差异、转子电阻差异所引发的电机负荷不平衡问题，情况发生将导致部分电机出现过载运行情况，甚至导致轮轨出现打滑、空转情况，因此需要针对问题积极采取相应措施加以改善。
1火车牵引电机负荷分配情况
火车电力牵引系统应用单相工频交流电制式交-直-交传动结构。牵引系统变压器把受电弓受电25kV电压转换为50Hz/1500V电压。经变流器传输频率、电压可控交流电，为异步电机运行提供电源。变流器主要由逆变器、整流器组成，异步电机为三相四极，组成形式为四台并联。通过一部变流器对火车多台车控电机供电，在理想环境中并联电机保持一致特性，车轴轮相对轮径尺寸也保持一致，确保火车出力最佳，稳定系统运行。但火车牵引电机负荷不平衡情况频繁发生。究其原因主要包括两点：第一，火车车轮相对轮径存在差异;第二，电机参数存在偏差，其中转子电阻参数偏差情况最为严重。
1.1轮径差异影响功率分配
因为制作工艺、运行磨损因素导致轮径差异难以加以有效避免，因为异步电机的力矩具有硬特性，因此轮径差异对同部电机负荷的分配存在巨大影响。例如，设电机A、B分别轮径为D1、D2的火车轮，D1S2，电机B的电磁转矩比较小。但因为电机A和电机B都是由一部变流器提供电源，电机角速度一致，转矩不同导致负荷存在不平衡情况。若电机的负荷比较轻，电机的转速和同步速基本一致，电机的工作点为不同工况情况下临界点，由于轮径差异导致转速不同，甚至导致高转速电机转为制动工况，而低速电机为牵引工况，对火车牵引制动造成严重影响。
火车牵引系统中，电机的转差率较小，为确保合理性，则通过公式计算其电机转矩，之后应用公式对定义平均转矩偏差进行计算。设定转向架两部电机的特性一致，只考虑轮径存在差异，最终得出定义平均转矩偏差[1]。通过以上公式分析能够得出轮径差异和电机转差率对电机的转矩存在不平衡影响。如果选择使用转差率比较大的电机，则需缩减轮径差异降低对转矩产生的不平衡影响，但需要注意电机的转差率较大将导致转子的铜耗增加，造成电机效率降低，所以对火车牵引电机选用时需对由于轮径差异因素导致的负荷不平衡、效率变化、电机升温等问题，并选择合理电机转差。
1.2电机参数影响功率分配
因为电机制造材质和工艺不同，尤其是转子的材质影响，同时火车在运行过程中转子温度变化导致其电阻发生变化，并联电机运行参数不可能完全保持一致，电机之间的电流具有偏差，电机的负载不平衡。本文主要对转子电阻参数对电机负荷不平衡影响进行研究。
在研究中将转子侧相关物理量折算至定子侧，定子各相电阻设定为R1，转子各相电阻设定为R2，定子各相漏感设定为X1，转子各相漏感设定为X2，励磁电阻为Rm，电感为Xm，转差率为s。按照异步电机稳态等效电路，由于Xm远大于X1，不考虑磁饱和、励磁电流、铁损，转子的电流折算值为I2，，电磁转矩为TC。在对电磁转矩进行计算时能够发现转子的电阻对电机的机械特性存在较大影响。通过分析得出对于电机，在外界条件一直情况下，电磁转矩为转差率二次函数[2]，电磁转矩在转差率为sm时取最大值。计算出最大转矩时转差率数值。所以转子的电阻对电机电磁转矩不存在影响，但是会对电磁转矩转差率产生影响。电机并联情况下，如果设定轮径不存在差异，但是转子电阻存在差异，转差相同，電机转矩则不同，电机的转子电阻越小，电磁转矩越大，功率分配大于另一部电机。
2火车牵引电机负荷不平衡问题控制策略
本文对于火车牵引电机负荷不平衡问题主要通过加权方式进行控制，主要是对变流器控制。对于整流器通常选择瞬态电流方式进行控制，通过电流电压双闭环方式进行控制，辅助交流侧电流、电压反馈调制波频率、幅值，应用三电平脉宽调制确保直流侧电压稳态、动态响应性能良好。对火车牵引电机相关参数进行计算，通过加权控制实现负荷平衡。
2.1轮径差异因素控制策略
将参数完成一致的两台电机并联，测量出转子的电阻，并测量各自轮径直径，计算轮径差，以相关参数作为依据对轮径差异所产生的电机负荷不平衡影响进行分析。并绘制电机相应转矩曲线图，通过分析，电机的平均转矩可以良好跟踪给定值，相比于给定值轮径较大电机的输出转矩比较大，轮径较小电机的输出转矩比较小，通过加权计算，应用加权项、辅助项对电机的输出转矩加以平衡，平均转矩比较大，相比于主从控制，即将一部电机物理量作为参照加以控制，另一部电机为主动电机接收信息运行，如果将小轮径电机作为主电机，能够发现，当轮径存在差异时，从动电机转矩输出和给定值存在较大的差异，牵引工况，电机极易出现过负荷情况[3]。
2.2转子电阻差异因素控制
在对轮径差异因素影响研究过后，测定转子的电阻偏差，转子电阻比较小电机出力比较大，电机能够有效跟踪给定的转矩曲线，有效确保平均转矩的输出大小，但是通过主从控制方式，并联的电机转矩和给定值存在较大的偏差，牵引阶段和制动阶段都无法达到给定值，并因为转子的时间常数影响，相比于加权控制，通过主从控制平衡符合导致系统响应较慢。
2.3轮径与转子电阻差异控制
火车在实际运行时，轮径差异将导致牵引电机负荷不平衡，并且电机的温升情况也有所不同，同时电机相关参数会随着电机温度的不断增加而产生影响，其中转子电阻会随着温度升高随之升高，对低年级的转矩特性产生影响，因为轮径和转子电阻都会火车牵引电机负荷存在影响，通过以上两点分析可以得出大轮径、大转子电阻对火车牵引电机负荷影响可视作补偿关系，如果配型适当，转子电阻较大电机配合大轮径则可在一定程度上消除负荷不平衡问题。通过加权控制方式能够有效缩减两部电机转矩存在差异，但是应用主从控制方式虽然也能够缓解负荷不平衡问题，但是实际的电机转矩和给定值存在较大差异，对电机的控制效果也较差。
总结
本文从轮径差异、转子电阻差异两方面分析其对火车牵引电机负荷平衡情况产生影响，并以实际数据对产生影响情况进行分析，针对实际情况分别对轮径因素、转子电阻因素、轮径和转子电阻因素影响控制方式进行分析。最终得出通过加权控制系统能够对电机负荷加以平衡，跟踪转矩指令，但是控制存在一定的复杂性。
参考文献
[1]王晨，陈清，罗世辉，等.不同轮径转向架对车辆动力学性能影响分析[J].铁道学报，2017（01）：41-47.
[2]李鹏宇.感应电机转子电阻辨识及温升在线评估方法[D].华北电力大学（北京），2018.
[3]梁大伟，杨其林，王善芬，等.列车轮径差对牵引系统的影响及相应保护措施研究[J].铁道车辆，2018（05）：5+38-41.
中车永济电机有限公司 山西 永济 044599
关键词：电机负荷;轮径差异;转子电阻差异
引言
现阶段火车牵引系统主要为车控方式，虽然这种设计方式省去功率器件应用，对控制结构加以简化，但是在实际运行中，却增加了因为轮径差异、转子电阻差异所引发的电机负荷不平衡问题，情况发生将导致部分电机出现过载运行情况，甚至导致轮轨出现打滑、空转情况，因此需要针对问题积极采取相应措施加以改善。
1火车牵引电机负荷分配情况
火车电力牵引系统应用单相工频交流电制式交-直-交传动结构。牵引系统变压器把受电弓受电25kV电压转换为50Hz/1500V电压。经变流器传输频率、电压可控交流电，为异步电机运行提供电源。变流器主要由逆变器、整流器组成，异步电机为三相四极，组成形式为四台并联。通过一部变流器对火车多台车控电机供电，在理想环境中并联电机保持一致特性，车轴轮相对轮径尺寸也保持一致，确保火车出力最佳，稳定系统运行。但火车牵引电机负荷不平衡情况频繁发生。究其原因主要包括两点：第一，火车车轮相对轮径存在差异;第二，电机参数存在偏差，其中转子电阻参数偏差情况最为严重。
1.1轮径差异影响功率分配
因为制作工艺、运行磨损因素导致轮径差异难以加以有效避免，因为异步电机的力矩具有硬特性，因此轮径差异对同部电机负荷的分配存在巨大影响。例如，设电机A、B分别轮径为D1、D2的火车轮，D1
火车牵引系统中，电机的转差率较小，为确保合理性，则通过公式计算其电机转矩，之后应用公式对定义平均转矩偏差进行计算。设定转向架两部电机的特性一致，只考虑轮径存在差异，最终得出定义平均转矩偏差[1]。通过以上公式分析能够得出轮径差异和电机转差率对电机的转矩存在不平衡影响。如果选择使用转差率比较大的电机，则需缩减轮径差异降低对转矩产生的不平衡影响，但需要注意电机的转差率较大将导致转子的铜耗增加，造成电机效率降低，所以对火车牵引电机选用时需对由于轮径差异因素导致的负荷不平衡、效率变化、电机升温等问题，并选择合理电机转差。
1.2电机参数影响功率分配
因为电机制造材质和工艺不同，尤其是转子的材质影响，同时火车在运行过程中转子温度变化导致其电阻发生变化，并联电机运行参数不可能完全保持一致，电机之间的电流具有偏差，电机的负载不平衡。本文主要对转子电阻参数对电机负荷不平衡影响进行研究。
在研究中将转子侧相关物理量折算至定子侧，定子各相电阻设定为R1，转子各相电阻设定为R2，定子各相漏感设定为X1，转子各相漏感设定为X2，励磁电阻为Rm，电感为Xm，转差率为s。按照异步电机稳态等效电路，由于Xm远大于X1，不考虑磁饱和、励磁电流、铁损，转子的电流折算值为I2，，电磁转矩为TC。在对电磁转矩进行计算时能够发现转子的电阻对电机的机械特性存在较大影响。通过分析得出对于电机，在外界条件一直情况下，电磁转矩为转差率二次函数[2]，电磁转矩在转差率为sm时取最大值。计算出最大转矩时转差率数值。所以转子的电阻对电机电磁转矩不存在影响，但是会对电磁转矩转差率产生影响。电机并联情况下，如果设定轮径不存在差异，但是转子电阻存在差异，转差相同，電机转矩则不同，电机的转子电阻越小，电磁转矩越大，功率分配大于另一部电机。
2火车牵引电机负荷不平衡问题控制策略
本文对于火车牵引电机负荷不平衡问题主要通过加权方式进行控制，主要是对变流器控制。对于整流器通常选择瞬态电流方式进行控制，通过电流电压双闭环方式进行控制，辅助交流侧电流、电压反馈调制波频率、幅值，应用三电平脉宽调制确保直流侧电压稳态、动态响应性能良好。对火车牵引电机相关参数进行计算，通过加权控制实现负荷平衡。
2.1轮径差异因素控制策略
将参数完成一致的两台电机并联，测量出转子的电阻，并测量各自轮径直径，计算轮径差，以相关参数作为依据对轮径差异所产生的电机负荷不平衡影响进行分析。并绘制电机相应转矩曲线图，通过分析，电机的平均转矩可以良好跟踪给定值，相比于给定值轮径较大电机的输出转矩比较大，轮径较小电机的输出转矩比较小，通过加权计算，应用加权项、辅助项对电机的输出转矩加以平衡，平均转矩比较大，相比于主从控制，即将一部电机物理量作为参照加以控制，另一部电机为主动电机接收信息运行，如果将小轮径电机作为主电机，能够发现，当轮径存在差异时，从动电机转矩输出和给定值存在较大的差异，牵引工况，电机极易出现过负荷情况[3]。
2.2转子电阻差异因素控制
在对轮径差异因素影响研究过后，测定转子的电阻偏差，转子电阻比较小电机出力比较大，电机能够有效跟踪给定的转矩曲线，有效确保平均转矩的输出大小，但是通过主从控制方式，并联的电机转矩和给定值存在较大的偏差，牵引阶段和制动阶段都无法达到给定值，并因为转子的时间常数影响，相比于加权控制，通过主从控制平衡符合导致系统响应较慢。
2.3轮径与转子电阻差异控制
火车在实际运行时，轮径差异将导致牵引电机负荷不平衡，并且电机的温升情况也有所不同，同时电机相关参数会随着电机温度的不断增加而产生影响，其中转子电阻会随着温度升高随之升高，对低年级的转矩特性产生影响，因为轮径和转子电阻都会火车牵引电机负荷存在影响，通过以上两点分析可以得出大轮径、大转子电阻对火车牵引电机负荷影响可视作补偿关系，如果配型适当，转子电阻较大电机配合大轮径则可在一定程度上消除负荷不平衡问题。通过加权控制方式能够有效缩减两部电机转矩存在差异，但是应用主从控制方式虽然也能够缓解负荷不平衡问题，但是实际的电机转矩和给定值存在较大差异，对电机的控制效果也较差。
总结
本文从轮径差异、转子电阻差异两方面分析其对火车牵引电机负荷平衡情况产生影响，并以实际数据对产生影响情况进行分析，针对实际情况分别对轮径因素、转子电阻因素、轮径和转子电阻因素影响控制方式进行分析。最终得出通过加权控制系统能够对电机负荷加以平衡，跟踪转矩指令，但是控制存在一定的复杂性。
参考文献
[1]王晨，陈清，罗世辉，等.不同轮径转向架对车辆动力学性能影响分析[J].铁道学报，2017（01）：41-47.
[2]李鹏宇.感应电机转子电阻辨识及温升在线评估方法[D].华北电力大学（北京），2018.
[3]梁大伟，杨其林，王善芬，等.列车轮径差对牵引系统的影响及相应保护措施研究[J].铁道车辆，2018（05）：5+38-41.
中车永济电机有限公司 山西 永济 044599