《机车电传动与控制》-2

1、输出平均直流电压输出平均直流电压Ud=Ud0n(2n-1)+cosn)/(2n) (2-6-9)其中：其中：Ud0n= (n/4)Ud0 Ud0 为四段桥全开放时的输出平均直流电压为四段桥全开放时的输出平均直流电压 n=1，2，3，4（为电压调节区段数）（为电压调节区段数） 功率因数功率因数PFPF=2( (2n-1)+ cosn)(1+ cosn)/( (n - 2n-1)n) (2-6-10)电气制动电气制动-再生制动再生制动8K机车再生制动工况主电路：全控桥电路牵引电动机他励减小谐波与功率因数补偿问题减小谐波与功率因数补偿问题采用功率因数补偿器采用功率因数补偿器L-C, R-C, R-L

2、-C消除或减小三、五次谐波为主要目的消除或减小三、五次谐波为主要目的电力机车辅助电路电力机车辅助电路为了保证电力机车正常运行，机车上设有三为了保证电力机车正常运行，机车上设有三相相交流辅助电路，以供采用三相鼠笼式异交流辅助电路，以供采用三相鼠笼式异步电动步电动 机驱动的辅助机械装置（如冷却通风机、机驱动的辅助机械装置（如冷却通风机、油油泵、压缩机等）之用。泵、压缩机等）之用。三相交流辅助电源由机车单相交流电源变换三相交流辅助电源由机车单相交流电源变换而而来。三种方变换法：来。三种方变换法：旋转式劈相机旋转式劈相机电容分相法电容分相法半导体静止逆变器半导体静止逆变器SS1机车辅助电路（旋转式劈相

3、机机车辅助电路（旋转式劈相机Y型联接）型联接）电力机车控制系统与控制特性电力机车控制系统与控制特性8K机车机车 控制系统控制系统 机车特性曲线机车特性曲线SS4机车机车 控制系统框图控制系统框图 控制方式控制方式8K机车控制系统机车控制系统l 机车控制机车控制产生司机控制指令（特性控制器）产生司机控制指令（特性控制器）l 转向架控制转向架控制按司机指令，综合各种因素和限制条件按司机指令，综合各种因素和限制条件形成实际控制机车主电路负载电流的参形成实际控制机车主电路负载电流的参考电流考电流I IREF，实现，实现主电路电流、电压的主电路电流、电压的（闭环）控制调节。（闭环）控制调节。8K机车特性

4、曲线机车特性曲线恒流控制恒流控制I I=200MC (A)准恒速控制准恒速控制V=10 MC (km/h)式中式中MC 为司机手为司机手柄转动角度柄转动角度SS4机车控制系统机车控制系统控制系统可实行两种控制方式控制系统可实行两种控制方式：恒压控制方式恒压控制方式将电流手柄置于较高给定，使电流环不参将电流手柄置于较高给定，使电流环不参与调节作用。与调节作用。Ud=1010(-In(1-0.777X X/32)/1.5) (v)式中：式中：X=0-32X=0-32，为手柄级位，为手柄级位恒流控制方式恒流控制方式将电压手柄置于较高给定，使电压环不参将电压手柄置于较高给定，使电压环不参与调节作用。与

5、调节作用。I Ia=1260(1.052(1-exp(-3X X/32) (A)SS4机车四段桥连续控制电路及其特性机车四段桥连续控制电路及其特性第二章第二章 电力牵引交电力牵引交-直传动与控制直传动与控制六、电阻制动六、电阻制动电阻制动基本原理电阻制动基本原理制动工况下牵引电动机（工作在发电机状态）电势：制动工况下牵引电动机（工作在发电机状态）电势：ED=CenDD=I IDz(Rz+RD)=I IDzRzI IDz=CenDD /Rz 或或 D= I IDzRz/CenD电机电磁力矩（制动力矩）：电机电磁力矩（制动力矩）：MD=Cm I IDzD =(CmCe/Rz) (D) nD =(C

6、mRz/Ce) (I IDz) (1/nD)电阻制动特性电阻制动特性B=f(V) MD =f(nD)与制动工况限制范围与制动工况限制范围三种制动控制特性三种制动控制特性l恒励磁制动特性恒励磁制动特性l恒制动电流制动特性恒制动电流制动特性l恒速制动特性恒速制动特性制动工况限制范围制动工况限制范围最大励磁电流，最大粘着，最大制动电流，换向条件，最大速度最大励磁电流，最大粘着，最大制动电流，换向条件，最大速度3. 内燃机车电阻制动电路（东风内燃机车电阻制动电路（东风11， ND5）.4. 电力机车电阻制动电路（SS1）第二章第二章 电力牵引交电力牵引交-直传动与控制直传动与控制1、粘着控制与空转保护

7、粘着控制与空转保护2、机车主电路的接地保护、机车主电路的接地保护3、电力机车主电路短路、过载、电力机车主电路短路、过载 及过电压保护及过电压保护七、交七、交-直电传动机车粘着控制与主电路的保护直电传动机车粘着控制与主电路的保护1、粘着控制与空转保护、粘着控制与空转保护 几个基本概念几个基本概念粘着系数：粘着系数：最大粘着系数：最大粘着系数：粘着利用率：粘着利用率：蠕滑速度：蠕滑速度：NPF轮对正压力轮对正压力力力轮轨切向（粘着）牵引轮轨切向（粘着）牵引NPFmaxmax轮轮对对正正压压力力（粘粘着着）牵牵引引力力轮轮轨轨切切向向最大max 最大粘着系数最大粘着系数实际粘着系数实际粘着系数车车体

8、体线线速速度度动动轮轮滚滚动动圆圆周周速速度度TRTRSVVVVV蠕滑速度与粘着系数关系曲线：蠕滑速度与粘着系数关系曲线： 当实际牵引力当实际牵引力FFmax，轮轨间出现相对滑动，粘，轮轨间出现相对滑动，粘着状态被破坏着状态被破坏空转空转 粘着控制目的是在保证不发生空转前提下，获得最粘着控制目的是在保证不发生空转前提下，获得最大的粘着利用率，使机车能发挥最大平均牵引力大的粘着利用率，使机车能发挥最大平均牵引力 粘着控制方法粘着控制方法 校正型粘着控制方法校正型粘着控制方法传统粘着控制方法传统粘着控制方法 在检测到空转和滑行发生后，通过削减电机转矩来实现粘着利用，其一般在检测到空转和滑行发生后，

9、通过削减电机转矩来实现粘着利用，其一般过程如下：过程如下： a.根据轮对间速度差，轮对的加速度及加速度的变化率，检测空转或滑行的发生； b. 根据空转或滑行的程度，削减电机转矩值并维持一定时间，以消除空转或滑行； c. 空转或滑行恢复后，按一定时间常数指数规律，逐渐增加电机转矩，直至空转或滑行前电机转矩值的80%，并在一定的时间内保持电机转矩不变； e.如果在电机转矩不变的时间内未发生空转或滑行，则在保持时间结束后，按一定时间常数的指数规律继续增加电机转矩，直至达到由司机手柄给出的电机转矩给定值。如果再次发生空转或滑行，则按照（b）处理。 由于传统的校正型粘着控制方法一方面需要大幅度地削减电机

10、转矩以消由于传统的校正型粘着控制方法一方面需要大幅度地削减电机转矩以消除已经发生的空转或滑行，另一方面需要缓慢地增加电机转矩以防止空转除已经发生的空转或滑行，另一方面需要缓慢地增加电机转矩以防止空转或滑行的再次发生，这样，粘着工作点常常远离粘着峰值点，粘着利用率或滑行的再次发生，这样，粘着工作点常常远离粘着峰值点，粘着利用率因而一般较低。因而一般较低。 基于粘着特性及蠕滑速度控制型基于粘着特性及蠕滑速度控制型现代粘着控制方现代粘着控制方法法 在现代机车控制中，粘着控制系统是机车传动控制系统的一部分，在现代机车控制中，粘着控制系统是机车传动控制系统的一部分，它的主要作用是在线路状况变化不定的情况

11、下，通过对电机速度、电机它的主要作用是在线路状况变化不定的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合由司机给出的电机转矩指令，向转矩等信息的采集、分析和处理，结合由司机给出的电机转矩指令，向电机控制系统发出正确的电机转矩指令，使机车能够以线路当前最大的电机控制系统发出正确的电机转矩指令，使机车能够以线路当前最大的粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。 现代粘着控制方法的一个显著特点是能够自动搜寻粘着峰值点，现代粘着控制方法的一个显著特点是能够自动搜寻粘着峰值点，并使粘着工作点保持在粘着峰值点的附近，从而能够获得较高的粘着利并使粘着工

12、作点保持在粘着峰值点的附近，从而能够获得较高的粘着利用率。根据搜寻粘着峰值点方法的不同，现代粘着控制方法可以分为蠕用率。根据搜寻粘着峰值点方法的不同，现代粘着控制方法可以分为蠕滑速度法和粘着斜率法两大类。滑速度法和粘着斜率法两大类。 a. 蠕滑速度法蠕滑速度法 基于蠕滑速度的粘着控制方法原理是根据粘着特性曲线，通基于蠕滑速度的粘着控制方法原理是根据粘着特性曲线，通过调节蠕滑速度，使其反复地增加和降低，从而自动地搜寻过调节蠕滑速度，使其反复地增加和降低，从而自动地搜寻粘着峰值点。粘着峰值点。b. 粘着斜率法粘着斜率法粘着系数导数法粘着系数导数法粘着斜率粘着斜率可表为：可表为：值点的判断和搜寻。值

13、点的判断和搜寻。据此，可完成对粘着峰据此，可完成对粘着峰量。和折算到动轮的转动惯度、电机转矩分别为动轮半径、角速和、式中，又，故但时，当nDnDNSSSSSJMRdtdJMRFPFVVVdtdVdtddVd)(1,000max 校正型粘着控制空转检测校正型粘着控制空转检测空转发生时，空转轮对及其相应的主电路物理状态将产空转发生时，空转轮对及其相应的主电路物理状态将产生异常变化。按检测的物理参数的不同可分为三种典型生异常变化。按检测的物理参数的不同可分为三种典型检测电路：检测电路：l检测牵引电动机电压信号的检测电路检测牵引电动机电压信号的检测电路空转空转nEU （牵引电动机串并联连接方式）（牵引

14、电动机串并联连接方式）l检测牵引电动机电流信号的检测电路检测牵引电动机电流信号的检测电路空转空转nEI I （牵引电动机并联连接方式）（牵引电动机并联连接方式） l检测轮对转速和角加速度信号等的检测电路检测轮对转速和角加速度信号等的检测电路空转空转n 检测牵引电动机电压信号的检测电检测牵引电动机电压信号的检测电路路空转信号电流：空转信号电流：i =(U2-U1)/(2r+R) =Ce(n2-n1)/(2r+R)机车速度较低时，机车速度较低时，值较大，检测电路灵值较大，检测电路灵敏度较高。敏度较高。 检测牵引电动机电流信号的检测电路检测牵引电动机电流信号的检测电路空转信号电流近似为：空转信号电流

15、近似为：i=RL(I IL4-I IL5)/r由串励电动机的速率特性（软特性）可知，在相同的转速由串励电动机的速率特性（软特性）可知，在相同的转速差下，电机低速运行时可以获得较大的电流差，故此是检差下，电机低速运行时可以获得较大的电流差，故此是检测电路灵敏度较高。测电路灵敏度较高。 检测轮对转速和角加速度信号的检测电路检测轮对转速和角加速度信号的检测电路ND5机车空转检测保护电路机车空转检测保护电路l脉冲转速检测（脉冲转速检测（f/v）l加速度检测（转速微分）加速度检测（转速微分）l轮径自动校正（惰行状态及轮径自动校正（惰行状态及V12km/h下进行）下进行）l空转检测分析与空转信号的分级输出

16、空转检测分析与空转信号的分级输出（四级空转信号）（四级空转信号） 空转（滑行）控制系统应用实例空转（滑行）控制系统应用实例 根据轮对转速差根据轮对转速差V产生的产生的14级机车动轮转速差空转信号：级机车动轮转速差空转信号：VL1，V2，VL3，VL4。其中，。其中， V2为连续的模拟信号，为连续的模拟信号， VL1 、VL3、VL4为逻辑开关信号。为逻辑开关信号。ND5四级空转信号及控制处理四级空转信号及控制处理 一级信号一级信号当当VL1为高电平时为高电平时产生产生 自动撒沙操作自动撒沙操作 二级信号二级信号即为即为V2 010V模拟信号，直接输入至模拟信号，直接输入至CHEC,用以降低主发

17、功率。用以降低主发功率。 三级信号三级信号机车牵引工况出现下列情况之一时产生：机车牵引工况出现下列情况之一时产生： ARE ARE（单轴加速度超过阈值）（单轴加速度超过阈值）和和VL3均为高电平；均为高电平； SS SS（所有轴加速度超过阈值）；（所有轴加速度超过阈值）； MAXRPM MAXRPM（机（机车超速）为高电平车超速）为高电平 使使CHEC快速降低发电机功率输出。快速降低发电机功率输出。 四级信号四级信号当当VL4和和 MAXRPM MAXRPM 均均为高电平时产生为高电平时产生 使使CHEC快速降励磁，快速降励磁，WX插插件中件中WSX释放，释放，WSR吸合，一方面断开励磁机他励

18、电路，另一方面又使吸合，一方面断开励磁机他励电路，另一方面又使励磁机串励绕组去磁电流增大励磁机串励绕组去磁电流增大3倍，以更快地减载，切除全部功率输出。倍，以更快地减载，切除全部功率输出。8k机车空转（滑行）控制系统机车空转（滑行）控制系统 轮径修正轮径修正满足三个条件下进行：满足三个条件下进行：牵引电机电流牵引电机电流20km/h, |V |0.3km/h 检测轮对速度差、加速度及加速度变化率检测轮对速度差、加速度及加速度变化率脉冲计数、脉冲计数、f/v转换检测速度及转换检测速度及V，由速度微分求加，由速度微分求加速度速度r ，二阶速度微分求加速度变化率，二阶速度微分求加速度变化率dr/dt

19、 牵引电动机电流给定修正算法牵引电动机电流给定修正算法主要根据主要根据V和和dr/dt修正（在用修正（在用dr/dt修正不能制止空修正不能制止空转时，加入转时，加入r引起的修正），按下式计算修正削减电引起的修正），按下式计算修正削减电流峰值：流峰值：I I=205V+208(dr/dt)-252（A） 自动寻找并记忆最大粘着系数时的电流值自动寻找并记忆最大粘着系数时的电流值根据根据dr/dt的突然变化，的突然变化，记忆最大粘着系数时的电流值，记忆最大粘着系数时的电流值，电流恢复是按此电流值削减电流恢复是按此电流值削减10%给定。然后再以给定。然后再以24A/s的斜率缓慢上升，寻找新的最大粘着点

20、。的斜率缓慢上升，寻找新的最大粘着点。SS8/SS9型电力机车防空转防空转/滑行保护功能滑行保护功能防空转、防滑行控制使机车运行在尽可能大的粘着附近，可以保证机车在任何轨面条件下启动、加速、制动不擦伤轮轨，不发生牵引电机超速。防空转/滑行控制完全由软件实现，消除了由硬件控制时引起的不可靠因素。控制特性一致性好，控制参数的调整和控制方式的修改较方便，运行过程中可以通过外接终端读取全部控制过程中间量。因此，实地调整后能较好地满足控制要求。微机根据四路速度信号计算出速度差V，加速度a，加速度变化率da。在牵引工况时，V取同一转向架两轴速度差，a和da取本转向架的最大值作为控制值。制动工况下，V取全车

21、最大速度与最小速度的差，a取全车加速度的最大值作为控制值。牵引和制动工况有不同的减流曲线，并根据情况分别采用撒砂、减流等措施来预防和抑制空转及滑行。减流速率固定，有快速和慢速恢复过程，以免因电流恢复过快而造成再次空转。电枢电流400A以下时不修正。微机具有轮径自动补偿的功能。在控制值Is1V，牵引工况、速度小于20km/h，无空转的情况下，以第二个轮对为基准自动进行补偿测试。此时各轮对先行距离相等，各轮对所测得的速度各有不同，是由于轮对直径不等造成的，由此计算出其它轮对直径对第二轮对直径的系数。在其它工况下测得的速度，都要用此系数进行修正。第二轮对的直径可由显示系统键盘输入。2、机车主电路的接

22、地保护、机车主电路的接地保护接地故障及其危害接地故障及其危害接地保护电路举例接地保护电路举例3、电力机车主电路短路、电力机车主电路短路、 过载及过电压保护过载及过电压保护第三章第三章 电力牵引交流传动与控制电力牵引交流传动与控制主要内容：主要内容：l电力牵引交流传动技术概述电力牵引交流传动技术概述l电力牵引交流传动基础电力牵引交流传动基础l交交-直直-交变流器与逆变器交变流器与逆变器l电力牵引交流传动的控制技术电力牵引交流传动的控制技术系统基本结构型系统基本结构型式式l（电压型）交（电压型）交-直直-交变流器交变流器+交流交流异步牵引电机系统异步牵引电机系统（普遍应用）（普遍应用）l（电压型）

23、交（电压型）交-直直-交变流器交变流器+交流交流同步牵引电机系统同步牵引电机系统l（电流型）交（电流型）交-直直-交变流器交变流器+交流交流异步牵引电机系统异步牵引电机系统l交交-交变流器交变流器+交流同步牵引电机交流同步牵引电机系统系统第三章第三章 电力牵引交流传动与控制电力牵引交流传动与控制一、电力牵引交流传动技术概述一、电力牵引交流传动技术概述机车交流传动系统的基本结构机车交流传动系统的基本结构交流传动机车：交流传动机车：（特指）采用各种变流器供电，交（特指）采用各种变流器供电，交流异步或同步电动机驱动的机流异步或同步电动机驱动的机车或车或电动车组。电动车组。变流器类型：变流器类型：交交

24、-交变流器（直接式）交变流器（直接式）交交-直直-交变流器（间接式）交变流器（间接式）发展历史与现状发展历史与现状交流调速技术交流调速技术上世纪上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理论，有关理论，60年代后才得以迅速发展（电力电子年代后才得以迅速发展（电力电子技术技术-大功率半导体器件）大功率半导体器件）应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域域日本日本 1975 直流直流 80%，交流，交流 20%1985 直流直流 20%，交流，交流 80%全世界全世界 上世纪上世纪80年代后五年年代后五年交流

25、调速年均增长交流调速年均增长13%-14%直流调速年均增长直流调速年均增长3%-4% 中国中国 风机、水泵总装机风机、水泵总装机3000万台，耗电量占万台，耗电量占总发电总发电量量38%。采用交流调速节能前景广。采用交流调速节能前景广阔阔交流电传动机车技术发展交流电传动机车技术发展20世纪世纪60-70年代：初期发展阶段年代：初期发展阶段1965 德国德国Henschel与与BBC合作开发机车交流传动合作开发机车交流传动系统系统1971 第一台成功运行的交流机车诞生第一台成功运行的交流机车诞生 DE250070年代年代 共生产共生产25套套 20世纪世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机

26、车、年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车上获得推广应用动车上获得推广应用欧洲发展迅速（共计达欧洲发展迅速（共计达350多台）多台） DE500系列（系列（Mak公司公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（系列（Mak+ABB公司公司 2650kw GTO 挪威挪威国铁）国铁） ME1500（丹麦国铁（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管普通晶闸管1981）美国铁路交流传动投入不足，发展较慢美国铁路交流传动投入不足，发展较慢 -仅在老机车改造方面作了尝试仅在老机车改造方面作了尝试20世纪世纪90年代：交流传动技术成为热点年代：交流传动技术成为热点美国异军突起（至美国异军突起

27、（至1997达达1400台）台） SD60MAC（GM公司公司 2834kw GTO 微机控制微机控制 1992） AC4000（GE公司公司 3281kw GTO 32位微机位微机 1994） AC6000（GE公司公司 4474kw GTO 32位微机位微机 1994）欧洲欧洲 GEC-Alsthom公司公司 为叙利亚国铁开发为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997中国交流牵引传动技术发展中国交流牵引传动技术发展70-80 年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态1992 研制成功研制成功1000kw地面变流器（试验）装置地面变流器（试验）

28、装置1996 AC4000原型车（原型车（4000kw，异步牵引电动机，异步牵引电动机1025kw）2000 DJJ1”蓝箭蓝箭” 220km/h IPM器件器件 直接转矩控制直接转矩控制 1225kw异步电动机异步电动机2001DJ2”奥星奥星”号竣工，田心厂等号竣工，田心厂等 动车组动车组 4800KW，Vmax=160Km/h，自主知识产权，自主知识产权2002 “中华之星中华之星” 试验速度：试验速度：312.5公里公里/小时小时2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4大功率电力电子器件的发展大功率电力电子器件的发展-交流传动发展的关键技交流传动发展的关键技术之一术之一晶闸管晶闸

29、管（Thyristor）70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频目前水平：目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器目前水平：目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V主要问题：关断增益低（主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于），损耗大，二次击穿问题限

30、于1-2kHz（吸收电路、触发和关断电路是关键）（吸收电路、触发和关断电路是关键）GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管）大功率晶体管电流控制双极型自关断元件，电流控制双极型自关断元件， 通态压降低通态压降低目前水平：目前水平：600A/1200V、450A/1300V主要问题：难于突破主要问题：难于突破1500V功率场效应管功率场效应管（Power MOSFET）(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小目前水平：目前水平：200A/10

31、00VIGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管兼有兼有MOSFET和和GTR的优点：高速（的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混、高阻抗，低压降等混合器件，电压控制元件合器件，电压控制元件国外已发展到第五代：国外已发展到第五代：第第1代（代（1985 ） 500-1000V 25A第第2代（代（1989 ） 600-1200V 400A第第3代代 高频、低耗、低压降高频、低耗、低压降 1200-2000V第第4、5代代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至至1500A/1600V模块

32、化、智能化模块化、智能化IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块智能功率模块集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体的智能型模块的智能型模块中国机车用大功率半导体器件发展水平中国机车用大功率半导体器件发展水平晶闸管：晶闸管：200-3000A/6500VGTO：600A/2500V（1993），目前研制），目前研制500-2000A/2500-4500V电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：注：注：SIT(SITH)静电感应晶体管（晶闸管）

33、；静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)MOS控制晶体管（晶闸管）控制晶体管（晶闸管）交流传动控制装置及控制技术的发展交流传动控制装置及控制技术的发展上世纪上世纪80年代以前年代以前 主要为模拟器件和开关主要为模拟器件和开关逻辑器件控制方式逻辑器件控制方式80年代年代 出现出现16位微机控制，如位微机控制，如MICAS、SIBAS-16等等90年代年代32位微机控制，如位微机控制，如SIBAS-32等等交流传动控制技术：交流传动控制技术： 微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和最优控制和最优控制 电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、电机控制策略

34、：转差频率控制（控制转矩）、矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接转矩控制（控制转矩和磁链）接转矩控制（控制转矩和磁链）交流传动的优点交流传动的优点由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采用由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采用“电压型交电压型交-直直-交变流器交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机三相鼠笼式异步牵引电动机”系统是系统是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点：目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点：l 异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，可异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，

35、可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可达大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可达45%，交，交-直机车直机车25%）l 牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑动便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑动接触部件）接触部件）l 单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小（交流与交（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率可大直流传动比较：在相同重量和体积下，功率可大幅度提高。单

36、位重量功率：直流电动机幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同步电动，同步电动机机0.5kw/kg，异步，异步电动机电动机0.68kw/kg或更高）或更高）l 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保l 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低三相鼠笼式异步牵引电动机造价低二、电力牵引交流传动基础二、电力牵引交流传动基础 三相交流电机的旋转磁场三相交流电机的旋转磁场1. 三相异步电动机的工作原理及结构三相异步电动机的工作原理及结构iiuiviwiu0t33三相电流波形U UUV VVW WW111222t =Iu=Im0U UU

37、V VVW WW111222t =Iv=ImU UUV VVW WW111222t =Iw=Im逆时钟方向旋逆时钟方向旋转转 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理 旋转磁场的磁力线被旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子导体转子导体切割，转子导体产生感应电动势。转子绕产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某按顺时针方向旋转，且某时刻为上北极时刻为上北极N下为南极下为南极S。根据右手定则，在上。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和半部转子导体的电动势和电流方向由里向外电流方向由里向外 ，在，

38、在下半部则由外向里下半部则由外向里 。按。按左手定则知，导体受电磁左手定则知，导体受电磁力作用形成电磁转矩，推力作用形成电磁转矩，推动转子以转速动转子以转速n顺顺n0方向方向旋转。旋转。pfn600三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为转子导体感应电动势频率：转子导体感应电动势频率：)p60nn(f02异步电动机转差率异步电动机转差率s=(n0-n)/n0 0s1电机旋转磁场同步转速电机旋转磁场同步转速n0=60f1/p (r/m) 三相异步电动机结构三相异步电动机结构 封闭式三相笼型异步电动机结构图封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；轴

39、承；2前端盖；前端盖；3转轴；转轴；4接线盒；接线盒；5吊环；吊环；6定子铁心；定子铁心；7转子；转子；8定子绕组；定子绕组；9机座；机座；10后端盖；后端盖；11风罩；风罩；12风扇风扇三相笼型异步电动机结构图三相笼型异步电动机结构图定子铁心及冲片示意图定子铁心及冲片示意图 （b）铸铝转子）铸铝转子 笼形式转子绕组笼形式转子绕组（a）铜排转子）铜排转子定子绕组的联结定子绕组的联结 定子三相绕组由三个彼定子三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组即为一相，每相绕每相绕组在空间相差组在空间相差1

40、20电角度。电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，一般首端分引至接线盒上，一般首端分别标为别标为U1, V1, W1 ，末端分，末端分别标为别标为U2, V2, W2 。这六个。这六个出线端在接线盒里的排列如出线端在接线盒里的排列如

41、图所示。图所示。三相绕组可接成星三相绕组可接成星形或三角形。形或三角形。 星形连接三角形连接二、电力牵引交流传动基础二、电力牵引交流传动基础 异步牵引电动机的调速特性及控制規律异步牵引电动机的调速特性及控制規律异步牵引电动机的基本特性异步牵引电动机的基本特性电磁转矩特性电磁转矩特性电磁转矩公式电磁转矩公式M=CmI I2cos2 =CmE2(r2/(X2s+r2) =CmE20(sr2/(sX2s0)+r2) (3-2-1)式中：式中： Cm 电机结构常数电机结构常数 电机内旋转磁场每极磁通电机内旋转磁场每极磁通(Wb) E2 =4.44f2k2w2 转子感应电势转子感应电势(v) f2 转子

42、感应电势频率转子感应电势频率(Hz) r2 转子电路中等效电阻转子电路中等效电阻() X2s=2f2L2s 转子等效漏抗转子等效漏抗() L2s 转子等效漏感转子等效漏感(H) cos2= r2/(X2s+r2) 转子电路功率因数转子电路功率因数 I I2= E2/(X2s+r2) 转子电流转子电流(A)s=(n1-n)/n1 转差率转差率 0s1 (3-2-2)n1=60f1/p 电机旋转磁场同步转速电机旋转磁场同步转速(r/m) (3-2-3)f1 电机定子绕组输入电源频率电机定子绕组输入电源频率(Hz)n 电机实际转速电机实际转速(r/m)由转差率定义有：由转差率定义有：n=(1-s)n

43、1=(1-s)60f1/p (3-2-4)以及由以及由n1-n=n2=60f2/p得：得：s =(n1-n)/n1 =f2/f1 (3-2-5)f2=sf1 (3-2-5a)E20=E2/s当电机当电机f2=f1时的转子感应电势时的转子感应电势(v)X2s0=X2s/s当电机当电机f2=f1时的转子漏抗时的转子漏抗()电磁转矩特性曲线电磁转矩特性曲线Mmax 临界临界(最大最大) 转矩转矩Sk 临界转差率临界转差率Me 额定转矩额定转矩Se 额定转差率额定转差率MQ 启动转矩启动转矩（对应（对应s=1)由异步电机扭矩公式，可得电磁转矩特性曲线。由异步电机扭矩公式，可得电磁转矩特性曲线。临界转矩

44、、转差率与电机其它参数的关系临界转矩、转差率与电机其它参数的关系由由(3-2-1)式，令式，令dM/ds=0得：得：sk=r2/X2s0=r2/(2f1L2s) (3-2-6)代入代入(3-2-1)式得：式得：Mmax=CmE20/X2s0 =Cm(4.44f1k2w2)/(2f1L2s) =Cm (3-2-7)因此：因此：Mmax与与r2无关无关sk与与f1成反比成反比,与与r2成正比成正比若忽略定子漏抗时，定子输入电压近似等于定子感应电势：若忽略定子漏抗时，定子输入电压近似等于定子感应电势： U1E1= 4.44f1k1w1(3-2-8)当当f1不变，则不变，则 与与U1正比，此时有：正比

45、，此时有：Mmax=Cm=CmU1(3-2-9)当当U1不变，则不变，则与与 1/f1正比，此时有：正比，此时有：Mmax=Cm=Cm(1/f1)(3-2-10)sk与与f1成反比成反比,与与r2成正比成正比当当f1不变时，不变时， 与与U1正比正比Mmax=Cm=CmU1当当U1不变时，不变时，与与 1/f1成正比成正比Mmax=Cm=Cm(1/f1)机械特性机械特性M=f(n)可由可由M=f(s)求得：求得：n =(1-s)n1=60f1(1-s)/pS=1 n=0S=0 n=n1稳定运行区稳定运行区nknn1非稳定运行区非稳定运行区0nnk过载系数过载系数kMkM=Mmax/Me =1.

46、82.5以确保电机稳定运行以确保电机稳定运行谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附加转矩）对机械特性的影响加转矩）对机械特性的影响 高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。异步牵引电动机调速异步牵引电动机调速调速方法调速方法由式由式 n=60f1(1-s)/p可知调速三种途径：可知调速三种途径：改变定子绕组磁极对数改变定子绕组磁极对数p绕组换接，有级调速绕组换接，有级调速改变转差率改变转差率ss=f(u

47、1,r1,x1s,x2s,r2)改变电机输入频率改变电机输入频率f1需要变频电源，可经济地获得宽广平滑的调速需要变频电源，可经济地获得宽广平滑的调速性能性能变频调速对机械特性的影响变频调速对机械特性的影响当取当取U1E1= 4.44f1k1w1时有：时有： = E1/( 4.44f1k1w1) = U1/f1 ( 4.44k1w1) 代入式代入式(3-2-7)： Mmax=CmE20/X2s0 =Cm = CmU1/f1 (3-2-11)可见：可见：l 保持保持u1=c调速，调速，Mmax正比于正比于1/f1；f1 ，u1/f1 ， ，电机工作在磁场削弱状态。电机工作在磁场削弱状态。-适合软负

48、荷特性。适合软负荷特性。l 改变改变f1调速，且保持调速，且保持U1/f1不变，不变，=const.，电机电机 工作在额定磁通，则工作在额定磁通，则Mmax=const.。-适合硬特性负载适合硬特性负载问题：问题：当采用不同的调频控制方式时，当采用不同的调频控制方式时，可以得到牵引电机不同的机械可以得到牵引电机不同的机械特性，用于机车牵引时应当采特性，用于机车牵引时应当采用什么控制方式呢？用什么控制方式呢？异步牵引电动机控制规律的选择异步牵引电动机控制规律的选择异步牵引电动机牵引特性的形成异步牵引电动机牵引特性的形成机车理想特性有三部分组成机车理想特性有三部分组成启动加速阶段启动加速阶段-近似

49、恒牵引力近似恒牵引力正常牵引工况正常牵引工况-恒功率恒功率限速阶段限速阶段 -恒速运行恒速运行实现机车牵引特性必须施行两方面控制：实现机车牵引特性必须施行两方面控制： 实行变频调速，以满足机车速度不断变化的要求实行变频调速，以满足机车速度不断变化的要求 实行多种规律控制，以满足牵引特性在不同阶段实行多种规律控制，以满足牵引特性在不同阶段的要求的要求,如：如：启动阶段启动阶段-恒牵引力恒牵引力恒转矩恒转矩Mmax不变不变牵引工况牵引工况-恒功率恒功率FV=CMmax与与f1成反比成反比恒功率运行阶段异步牵引电机机械特性的控制调节恒功率运行阶段异步牵引电机机械特性的控制调节 (阻力矩阻力矩Mz1M

50、z2)(引起工作点引起工作点gg1，欠功率，欠功率) (恒工恒工控制系统发出控制系统发出“增加功率增加功率”信号信号变换成变换成“增频增频”信号信号) (f1f1) (转矩转矩M1M2)(工作点工作点g1h)恒功率牵引特性形成恒功率牵引特性形成B-C控制规律的选择控制规律的选择 启动阶段启动阶段控制使控制使Mmax=C，故应使：，故应使：U1/f1=C (3-2-11) 恒功阶段恒功阶段控制使控制使Mmax与与f1成反比例变化。可有两种成反比例变化。可有两种控制方式：控制方式： 最小电动机、最大逆变器匹配最小电动机、最大逆变器匹配使牵引电动机在各使牵引电动机在各f1下的稳定工作点落在额定下的稳

51、定工作点落在额定工况点工况点上上(s=se)，电机电磁参数在整个恒功范，电机电磁参数在整个恒功范围均得到充分围均得到充分利用，具有最小的设计容积利用，具有最小的设计容积功率。功率。令令过载系数过载系数kM=Mmax/Me为常数，可得恒功控制条为常数，可得恒功控制条件：件：Me1=Mmax (1/kM )1 = ( Cm/kM ) (2f1) (U1/f1) =Ckm(U1/f1) =const.即有：即有：U1/f1 =const. (3-2-12)此时：此时： Mmax = Cm (U1/f1) =(Cm U1/f1 )(1/f1)=K(1/f1) (3-2-13) 以上各式中以上各式中Cm

52、，Ckm， K均为常数均为常数图图3-2-11 最小电动机匹配控制规最小电动机匹配控制规律律逆变器输出电流和电压逆变器输出电流和电压电动机转矩特性电动机转矩特性 最小逆变器最大电动机匹配最小逆变器最大电动机匹配 在整个恒功运行工况范围，保持逆变器输在整个恒功运行工况范围，保持逆变器输出电流出电流I I1和电压和电压U1恒定，可使逆变器设计恒定，可使逆变器设计容量最小。容量最小。U1I I1=const.此时有：此时有： Mmax = Cm (U1/f1) =(Cm U1) /f1 =K(1/f1 ) (3-2-14) 此时，为保证在整个恒功范围有足够的过载能力，此时，为保证在整个恒功范围有足够

53、的过载能力，必须按最高定子频率来设计电机电磁参数，必须按最高定子频率来设计电机电磁参数，结果是在结果是在恒功低频段，电机过载能力过剩，导致设计容量要增恒功低频段，电机过载能力过剩，导致设计容量要增大。大。图图3-2-12 最小逆变器匹配控制规律最小逆变器匹配控制规律牵引电动机转矩特性牵引电动机转矩特性逆变器输出电流电压逆变器输出电流电压三、交三、交-直直-交牵引逆变器原理交牵引逆变器原理概述概述交交-直直-较牵引变流器组成结构较牵引变流器组成结构变流器：整流器变流器：整流器+逆变器逆变器整流器整流器-用于将输入交流电源变为直流，用于将输入交流电源变为直流，构成交构成交-直直-较系统的直流环节（

54、恒压或恒流）。较系统的直流环节（恒压或恒流）。逆变器逆变器-将中间直流环节电源变换成电将中间直流环节电源变换成电压和频率均可按一定规律平滑调节的交流电输压和频率均可按一定规律平滑调节的交流电输出。出。逆变器按中间直流环节特性可分为两类逆变器按中间直流环节特性可分为两类电压型电压型-中间直流环节电压维持恒定中间直流环节电压维持恒定电流型电流型-中间直流环节电流维持恒定中间直流环节电流维持恒定逆变器实质上是以一定联结方式和控制规逆变器实质上是以一定联结方式和控制规律工作，从而实现直流电律工作，从而实现直流电交流电变换的交流电变换的可控电子开关阵列。控制规律可分为：可控电子开关阵列。控制规律可分为：

55、矩形波法控制矩形波法控制分谐波法控制（脉宽调制分谐波法控制（脉宽调制PWM）矩形波法控制逆变器组成与逆变原理矩形波法控制逆变器组成与逆变原理逆变器正负主开关状态在逆变输出频率逆变器正负主开关状态在逆变输出频率的每一个周期内转换一次，使负载电位按的每一个周期内转换一次，使负载电位按正负两个正负两个180（或（或120）宽的矩形波变化。）宽的矩形波变化。基本原理基本原理单相逆变电路及其输出波形单相逆变电路及其输出波形（矩形矩形波法控制波法控制）三相逆变电路及其输出波形三相逆变电路及其输出波形基本电路模型基本电路模型180导电型输出电压波导电型输出电压波形形若：若： ZA=ZB=ZC则在则在 0-6

56、0阶段内阶段内有：有：uA0=ud(ZA/ZC)/(ZB+(ZA/ZC)=ud/3其余各段可类推。其余各段可类推。电流波形电流波形-电机为电感性负载，低频时谐波分量增大。电机为电感性负载，低频时谐波分量增大。矩形波法控制三相逆变电路工作特点矩形波法控制三相逆变电路工作特点 相电压为六阶梯波，线电压为矩形波。相电压为六阶梯波，线电压为矩形波。 主开关器件工作频率较低，开关损耗较主开关器件工作频率较低，开关损耗较小。小。 若负载为感性，在高频输出时，电感作若负载为感性，在高频输出时，电感作用使电流接近正弦波；但在低频工作状用使电流接近正弦波；但在低频工作状态下，电流与电压波形相似，为六阶梯态下，电

57、流与电压波形相似，为六阶梯波，高次谐波电流分量较大；波，高次谐波电流分量较大； 此类逆变器在低频工作区段，将由于存此类逆变器在低频工作区段，将由于存在较大的高次谐波电流引起牵引电动机在较大的高次谐波电流引起牵引电动机附加转矩，恶化电机启动和正常运行性附加转矩，恶化电机启动和正常运行性能，同时还将引起绕组发热以及电磁波能，同时还将引起绕组发热以及电磁波干扰等。故不能满足机车低速运行牵引干扰等。故不能满足机车低速运行牵引工况要求。工况要求。分谐波法（脉宽调制分谐波法（脉宽调制PWM）控制）控制基本思路：基本思路： 克服矩形波控制法在低频输出时谐波电流克服矩形波控制法在低频输出时谐波电流成分大的缺点

58、；成分大的缺点； 使各相正负主开关状态在逆变器输出频率使各相正负主开关状态在逆变器输出频率的每一个周期内进行多次转换，从而将的每一个周期内进行多次转换，从而将“大矩形波大矩形波”分割成多个分割成多个 等效等效“小矩形小矩形波波”， 在要求输出正弦电压时，上述矩形波的宽在要求输出正弦电压时，上述矩形波的宽度按如下要求进行控制：使输出电压的平度按如下要求进行控制：使输出电压的平均值随时间按正弦规律变化。均值随时间按正弦规律变化。PWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形双极性控制双极性控制PWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形单极性控制单极性控制PWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形逆变器

59、逆变器PWM输出时交流电动机相电输出时交流电动机相电压电流波形压电流波形控制规律的形成（控制规律的形成（SPWM模式）模式）uR 为正弦波为正弦波(调制波调制波)参参考电压：考电压： uR=Umsint (3-3-1)Um 为正弦波幅值为正弦波幅值(可调可调)=2f1 为输出角频率为输出角频率f1 为输出频率为输出频率(可调可调)u 为三角波为三角波(载波载波)f 为三角波频率为三角波频率U为三角波幅值为三角波幅值相电压相电压合成合成关于调制比关于调制比m和输出电压的调节和输出电压的调节 调制比调制比mm=f/f1 (3-3-2) m的选择的选择m应为整数应为整数-消除差拍调制；消除差拍调制；

60、m应为应为3的整数倍的整数倍-使三相电压对称；使三相电压对称；m在高频时应取小些在高频时应取小些-开关速度限制；开关速度限制；m在低频时应取大些在低频时应取大些-减小谐波。减小谐波。 不同调制比时的电压波形不同调制比时的电压波形m=1时即为矩形波控制法时即为矩形波控制法 输出电压的调节输出电压的调节令令 ：km=Um/U由上图可知，由上图可知，km值增大时，输出电压脉值增大时，输出电压脉冲缺口宽度减小；反之，输出电压脉冲冲缺口宽度减小；反之，输出电压脉冲缺口宽度增大。缺口宽度增大。因此，当保持因此，当保持U不变，改变不变，改变Um可调节可调节逆变器输出电压幅值，从而可实现输出逆变器输出电压幅值