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CRH2型高速列车牵引电机建模设计

摘要：牵引电机是高速列车的心脏，由于长期运行且工作环境相对恶劣，牵

引电机本体故障成为高速列车常见的故障源，并影响高速列车的可靠运行。在高

速列车实际运行时，为了让系统稳定运行，需要在系统中引入反馈控制，如转速

反馈、电流反馈等装置，因此相对于开环结构来讲，研究闭环结构下高速列车牵

引电机的故障诊断更有实际意义。

本文以CRH2型高速列车牵引系统作为研究对象，通过matlab对其牵引电机

在闭环结构下建模仿真，分析其正常运转下速度响应曲线，方便后续通过对比曲

线图对电机模型进行故障诊断及相关分析。

关键词：牵引电机；闭环控制；建模仿真

前言：高速列车最主要的动力来源是牵引系统，而它的牵引电机更是整个系

统的核心。牵引电机把机械能和电能相互转化以此来实现列车的制动跟牵引行驶，

然而牵引电机在列车行进过程中长期运转加上环境因素的影响导致电机磨损，使

出现故障的概率提升，性能和寿命都大大降低。牵引电机倘若出现故障，所造成

的后果会是极其严重的。所以我们有必要加强对高速列车牵引电机进行建模，方

便后续故障诊断分析研究，降低出行安全隐患。

一、模型设计策略

高速列车在实际情况中行驶的时候，通过在系统中引进反馈控制加强系统的

稳定运行，比如电流跟转速反馈等。相对于开环结构来讲，研究闭环结构下高速

列车牵引电机的故障诊断更有实际意义，然而跟开环结构相比，闭环结构的复杂

性就比开环结构明显的多，在本次设计中，主要的研究对象是CRH2型高速列车

牵引系统，将牵引电机的闭环结构在MATLAB中建模仿真，分析其正常运转下速

度响应曲线。

1.1逆变器模块

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脉宽调制技术是牵引电机中逆变器的主要作用，将直流电压转换成高频高压

交流电。在MT205型牵引电机中，其逆变器的输入端为中间的直流电压环节，为

实现脉宽调制可以利用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）或者电力电场效应晶体管

（IPM），最后输出牵引电机的三相交流电。然而其逆变器并非线性的子系统，

不过它可在一定的工作单位中可视为线性的。

由于在IGBT的反面上存在着一个P型层，因此处于开通状态的IGBT，强烈

的电导调制效应会发生在它的N-漂移区，最后会造成它在关闭时存有使其关断时

间变长的拖尾电流，以至于在关断时造成损耗变大。所以逆变器的输出电压会伴

有延迟的现象，而它的延迟的最大时间都在一个开关周期之内，假设代表逆

变器的延迟时间，，是放大系数（常数），那么就能够得出逆变器传递函

数：

因为IGBT的开关周期非常短，在对上述传递函数进行泰勒级数展开时可以

忽略展开式中的二次及以上项，由此可进一步得到其传递函数的表达式：

1.2恒压频比控制模块

依据恒压频比控制特性能够得知牵引电机的定子频率跟电压的关系为：

其关系式中、和分别指的是定子补偿电压、最大电压值以及定子基

频率。因为高速列车在运行时，转差频率控制要求气隙磁通不变，也就是所谓的

电机稳态运行，所以基频以上调速情况不做考虑。不仅如此，在高速列车实际行

驶时，电压的最大值能够达到几千伏，然而它的补偿电压相对就小得多，在实际

的理论运算中一般是将其忽略不计的。所以可以得到近似的U/f传递函数：

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由上式不难看出，在特定条件下，近似为常数。

1.3牵引电机模块