电力牵引控制系统

1、12022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统列车电力传动控制列车电力传动控制电力牵引控制系统电力牵引控制系统22022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统第二章第二章 交交- -直流传动直流传动 控制牵引特性与电路分析控制牵引特性与电路分析 第一节第一节 交交- -直流传动控制直流传动控制 第二节第二节 相控电力机车相控电力机车/EMU控制与牵引特性控制与牵引特性 第三节第三节 相控电力机车基本技术特征相控电力机车基本技术特征 第四节相控电力机车传动系统电路分析第四节相控电力机车传动系统电路分析32022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统第一节第一节 交

2、直流传动控制交直流传动控制一、列车控制基础一、列车控制基础 电力传动系统由电力传动系统由调节装置调节装置和和调节对象调节对象两部分组成，调节装两部分组成，调节装置在系统中的作用是根据给定的控制指令，去控制调节对象，置在系统中的作用是根据给定的控制指令，去控制调节对象，诸如牵引电动机、变流器、辅助电机等，所以诸如牵引电动机、变流器、辅助电机等，所以调节装置是一种调节装置是一种信息处理装置信息处理装置。调节装置元件按其功能可分为三种，即。调节装置元件按其功能可分为三种，即检测元检测元件、控制元件和触发系统元件件、控制元件和触发系统元件，它们承担着系统的，它们承担着系统的测量、给定测量、给定和移相控

3、制和移相控制等任务。在调节装置中单元器件的工作可靠性和精等任务。在调节装置中单元器件的工作可靠性和精度，在很大程度上决定着电传动系统运行的可靠性和精确度。度，在很大程度上决定着电传动系统运行的可靠性和精确度。因为一个控制量不可能调节得比给定值或测量值更精确，单元因为一个控制量不可能调节得比给定值或测量值更精确，单元组件自身的误差是无法用任何调节器来校正的。组件自身的误差是无法用任何调节器来校正的。42022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统（一）、（一）、 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成 列车电力牵引系统是以列车电力牵引系统是以牵引电动机为控制对象牵引电动机为控制对象，对其

4、，对其转转矩和转速矩和转速进行调节控制，以达到对进行调节控制，以达到对列车速度和牵引力列车速度和牵引力的控制。的控制。牵引电动机的电流、电压值都很大，目前在相控调压系统中，牵引电动机的电流、电压值都很大，目前在相控调压系统中，主要采用晶闸管元件构成的整流器，通过对整流器可控元件主要采用晶闸管元件构成的整流器，通过对整流器可控元件的导通角相位进行控制，改变输出电压，实现对牵引电动机的导通角相位进行控制，改变输出电压，实现对牵引电动机的控制。的控制。（1、闭环控制系统的基本原理、闭环控制系统的基本原理 电力牵引闭环控制系统基本组成如图电力牵引闭环控制系统基本组成如图2.1所示。所示。 52022年

5、3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 任何闭环控制系统的工作原理都是基于任何闭环控制系统的工作原理都是基于“检测偏差，纠正检测偏差，纠正偏差偏差”模式模式。闭环控制系统主要由。闭环控制系统主要由给定单元、检测单元、比较环给定单元、检测单元、比较环节、调节控制器、可控变流器和被控对象节、调节控制器、可控变流器和被控对象等几部分组成。给定单等几部分组成。给定单元提供司机控制命令的给定信号；检测单元输出是与被调节对象元提供司机控制命令的给定信号；检测单元输出是与被调节对象的实际值成正比例关系的检测信号；比较环节将司控器给定信号的实际值成正比例关系的检测信号；比较环节将司控器给定信号与检测到

6、的被调量信号进行比较，得到一个偏差信号，作为调节与检测到的被调量信号进行比较，得到一个偏差信号，作为调节控制器的输入信号，由调节控制器产生对晶闸管整流器的控制信控制器的输入信号，由调节控制器产生对晶闸管整流器的控制信号，控制晶闸管的导通角，进而控制整流器的输出电压，即牵引号，控制晶闸管的导通角，进而控制整流器的输出电压，即牵引电动机的输入电压，最终实现对被调量的控制。牵引电动机的被电动机的输入电压，最终实现对被调量的控制。牵引电动机的被调量可以是调量可以是转速、电压、电流、功率或励磁电流转速、电压、电流、功率或励磁电流等。等。62022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 调节控制

7、器一般由电子调节器（比例调节器、比例积分调节调节控制器一般由电子调节器（比例调节器、比例积分调节器、数字式调节器）和晶闸管触发器等组成。触发器一般包括移器、数字式调节器）和晶闸管触发器等组成。触发器一般包括移相器和脉冲放大器。相器和脉冲放大器。图图2.1 2.1 电力牵引闭环控制系统基本组成电力牵引闭环控制系统基本组成72022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 根据被调量的多少，可分为根据被调量的多少，可分为单闭环控制系统单闭环控制系统和和多闭环控制多闭环控制系统系统。在电力机车控制系统中，牵引电动机的控制一般。在电力机车控制系统中，牵引电动机的控制一般采用转速采用转速和电流的

8、双闭环控制系统和电流的双闭环控制系统，电流控制为内环，转速控制为外环，电流控制为内环，转速控制为外环，其控制系统组成如图其控制系统组成如图 2.22.2 所示。采用此控制系统，可以实现牵引所示。采用此控制系统，可以实现牵引电动机的电动机的恒电流和恒转速恒电流和恒转速运转，有助于提高列车的牵引性能。运转，有助于提高列车的牵引性能。图图2.2 2.2 转速、电流双闭环控制系统基本组成转速、电流双闭环控制系统基本组成82022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统2 2、无静差调节器、无静差调节器 在闭环控制系统中，由于采用的调节器不同，控制系统的性在闭环控制系统中，由于采用的调节器不同，

9、控制系统的性能存在着很大的差异。若调节器采用能存在着很大的差异。若调节器采用比例（比例（P P）调节器）调节器，系统在，系统在稳定时，反馈值与给定值之间存在着偏差，即产生一个相应的静稳定时，反馈值与给定值之间存在着偏差，即产生一个相应的静态误差，这类控制系统称为态误差，这类控制系统称为有静差控制系统有静差控制系统；若调节器中采用了；若调节器中采用了积分（积分（I I）元件）元件，则系统在稳定时反馈值与给定值之间不存在偏，则系统在稳定时反馈值与给定值之间不存在偏差，可得到一个稳定的输出值，即系统稳态误差为零，这类控制差，可得到一个稳定的输出值，即系统稳态误差为零，这类控制系统称为系统称为无静差调

10、节系统无静差调节系统。但是需要注意的是，系统中引入积分。但是需要注意的是，系统中引入积分调节器后，它的动态响应变慢了。调节器后，它的动态响应变慢了。92022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 为了克服积分调节器动态响应慢的缺陷，利用比例调节器动为了克服积分调节器动态响应慢的缺陷，利用比例调节器动态响应迅速的特点，态响应迅速的特点，将比例调节器和积分调节器结合起来将比例调节器和积分调节器结合起来，形成，形成比例积分（比例积分（PIPI）调节器，使得输出静态准确，动态响应迅速。）调节器，使得输出静态准确，动态响应迅速。注意：采用积分调节器的系统也注意：采用积分调节器的系统也不是绝对

11、的无静差系统不是绝对的无静差系统，稳态时，稳态时积分电容的作用相当于将运算放大器输出和输入之间的反馈回路积分电容的作用相当于将运算放大器输出和输入之间的反馈回路隔断，这时运算放大器的放大倍数就等于它的开环放大倍数，尽隔断，这时运算放大器的放大倍数就等于它的开环放大倍数，尽管其数值很大，但不是无穷大，它还是存在着一定的静差，只是管其数值很大，但不是无穷大，它还是存在着一定的静差，只是静差非常小而已，在实际系统中可以认为是无静差的调节系统。静差非常小而已，在实际系统中可以认为是无静差的调节系统。 在闭环控制系统中，在闭环控制系统中，反馈检测元件的精度反馈检测元件的精度对闭环控制系统的对闭环控制系统

12、的调节精度起着决定性的作用，调节精度起着决定性的作用，高精度的控制系统必须要有高精度高精度的控制系统必须要有高精度的检测元件作为保证。的检测元件作为保证。102022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统（二）、（二）、 检测元件检测元件 1. 1. 电流与电压检测传感器电流与电压检测传感器 交流电流和电压可以采用交流互感器来测量。在相控调交流电流和电压可以采用交流互感器来测量。在相控调压整流装置中，输入侧的交流电流与输出侧的直流负载电流压整流装置中，输入侧的交流电流与输出侧的直流负载电流之间存在着一定的比例关系，故可以通过检测交流侧电流对之间存在着一定的比例关系，故可以通过检测交流

13、侧电流对直流侧电流进行控制。将三台交流电流互感器接成星形接法，直流侧电流进行控制。将三台交流电流互感器接成星形接法，通过三相桥式整流电路将其整流成直流，从精密电位器上取通过三相桥式整流电路将其整流成直流，从精密电位器上取出所需的电压，作为电流检测信号，检测电路如图出所需的电压，作为电流检测信号，检测电路如图2.32.3所示。所示。112022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统图图2.3 2.3 交流电流检测原理电路交流电流检测原理电路122022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 在恒电压控制中，电压检测信号只能从直流侧取得，在恒电压控制中，电压检测信号只能从直流侧

14、取得，直流侧电压的大小取决于控制角直流侧电压的大小取决于控制角 的大小。的大小。 在直流侧检测电流和电压要比交流侧检测困难一些。在直流侧检测电流和电压要比交流侧检测困难一些。为了安全，需要将高压回路与检测回路完全隔离。在大功为了安全，需要将高压回路与检测回路完全隔离。在大功率相控整流装置中，不采用分流器或电阻分压方式来检测率相控整流装置中，不采用分流器或电阻分压方式来检测直流电流或电压。近年来制造出厂的机车一般都采用霍尔直流电流或电压。近年来制造出厂的机车一般都采用霍尔元件来检测直流电压和电流。元件来检测直流电压和电流。 132022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 2. 2.

15、转速传感器转速传感器 转速测量可分为转速测量可分为模拟式和数字式模拟式和数字式两种。模拟式主要是两种。模拟式主要是采用直流、交流测速发电机测速；数字式采用光电、电磁采用直流、交流测速发电机测速；数字式采用光电、电磁感应测速，又有接触式与非接触式之分。接触式数字测速感应测速，又有接触式与非接触式之分。接触式数字测速传感器，其实就是一台永磁式交流脉冲测速发电机，输出传感器，其实就是一台永磁式交流脉冲测速发电机，输出信号为脉冲信号，如信号为脉冲信号，如CZP-1CZP-1，12P/r12P/r，100r/min100r/min输出信号幅输出信号幅值大于值大于4V/AC4V/AC。 在高精度转速控制系

16、统中，目前主要采用非接触式数在高精度转速控制系统中，目前主要采用非接触式数字转速传感器，如字转速传感器，如TQG2 TQG2 磁电式传感器。磁电式传感器。 TQG2TQG2型转速传型转速传142022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统感器采用永磁式电磁感应原理，当被测铁质齿轮的齿顶扫感器采用永磁式电磁感应原理，当被测铁质齿轮的齿顶扫过传感器端部时，设置在磁路上的线圈感应出电势，经电过传感器端部时，设置在磁路上的线圈感应出电势，经电子电路放大整形，输出方波脉冲，通过检测脉冲的数量达子电路放大整形，输出方波脉冲，通过检测脉冲的数量达到测速之目的。到测速之目的。 被测被测铁质齿轮铁质齿

17、轮应满足如下基本要求：应满足如下基本要求： ，齿顶与传感器端头间距，齿顶与传感器端头间距1.2mm1.2mm。 60,20, 5 . 20zm152022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 3.3.霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用半导体元件中的霍尔传感器是利用半导体元件中的电磁效应电磁效应（霍尔效（霍尔效应）而制成的。在一个半导体基片上的三个互相垂直面作应）而制成的。在一个半导体基片上的三个互相垂直面作用有三个物理量：用有三个物理量：控制电流控制电流 、磁场密度、磁场密度 和霍尔电压和霍尔电压 ，如图，如图2 22 2所示。当磁密的方向与霍尔元件平面垂直时，所示。当磁密的方

18、向与霍尔元件平面垂直时，上述三个物理量之间的关系可表示为上述三个物理量之间的关系可表示为式中式中 霍尔元件的灵敏度（霍尔元件的灵敏度（ ）。）。 -控制电流（控制电流（ ）；）；CIBHUCHHBIKUCI(2.1)HKTmAmV/mA162022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 - - 磁通密度（磁通密度（ ）。）。 表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势大小，一般要求的霍尔电势大小，一般要求 值越大越好。值越大越好。 当当控制电流控制电流 或磁场密度或磁场密度 改变方向时改变方向时，霍尔电势霍尔电势 的极性也将发生

19、改变的极性也将发生改变。因此，霍尔元件传感器可应用于。因此，霍尔元件传感器可应用于检测电流、电压、功率和磁场，也可用于数字式转速表和接检测电流、电压、功率和磁场，也可用于数字式转速表和接近开关。近开关。 霍尔电势一般霍尔电势一般只有几十毫伏只有几十毫伏，需要经过比例放大器方可，需要经过比例放大器方可作为控制信号使用。霍尔元件具有响应速度快、线性度好、作为控制信号使用。霍尔元件具有响应速度快、线性度好、HKCIBHEBTHK172022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统图图2.4 2.4 霍尔效应原理霍尔效应原理182022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统结构简单和

20、无触点等优点，在自动控制系统中有比较广泛的结构简单和无触点等优点，在自动控制系统中有比较广泛的应用应用, ,特别是在国产准高速机车上有大量的应用特别是在国产准高速机车上有大量的应用, ,如如TETTET磁平磁平衡霍尔电流电压传感器模块的应用，简称衡霍尔电流电压传感器模块的应用，简称TETTET模块。模块。 TET TET模块是在引进瑞士模块是在引进瑞士LEMLEM公司机车用电压、电流传感公司机车用电压、电流传感器制造技术的基础上，经消化而国产化的一个产品。它采用器制造技术的基础上，经消化而国产化的一个产品。它采用霍尔效应，霍尔效应，利用磁平衡补偿原理利用磁平衡补偿原理，使霍尔元件始终处于检测，

21、使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态，通过霍尔元件实现对直流、交流和脉动零磁通的工作状态，通过霍尔元件实现对直流、交流和脉动电压、电流的电隔离精确测量。电压、电流的电隔离精确测量。 磁平衡工作原理： 192022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统202022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 如图如图2.52.5所示，原边磁场作用于导磁体气隙中的霍尔元所示，原边磁场作用于导磁体气隙中的霍尔元件，在一定的控制电流件，在一定的控制电流 下，其霍尔输出电压经放大器下，其霍尔输出电压经放大器A A进行电压放大及互补三极管进行电压放大及互补三极管 、 功率放大后，输出的补功

22、率放大后，输出的补偿电流偿电流 经二次经二次( (补偿补偿) )绕组绕组 产生与一次侧相反的磁产生与一次侧相反的磁通，使霍尔元件输出电压逐渐减小，直到一、二次侧磁通相通，使霍尔元件输出电压逐渐减小，直到一、二次侧磁通相等时，二次电流不再增加，这时霍尔元件起到了指示零磁通等时，二次电流不再增加，这时霍尔元件起到了指示零磁通的作用，且有的作用，且有 ，或，或 上述电流补偿的过程是一个动态平衡过程。当原边已有磁上述电流补偿的过程是一个动态平衡过程。当原边已有磁场而次边磁场尚未形成时，霍尔元件检测出的霍尔电压经场而次边磁场尚未形成时，霍尔元件检测出的霍尔电压经CI2T1T2211NINI2I2N112

23、12)(kIINNI212022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统电压、功率放大，通过二次线圈使电压、功率放大，通过二次线圈使 逐渐上升，次边产生逐渐上升，次边产生的磁通抵消（补偿）原边的磁通，霍尔输出电压降低，的磁通抵消（补偿）原边的磁通，霍尔输出电压降低， 上升减慢。当上升减慢。当 时，磁通为零，霍尔输出电势为时，磁通为零，霍尔输出电势为零。由于二次绕组的缘故，零。由于二次绕组的缘故， 还会再上升，这样还会再上升，这样补偿过量，霍尔输出电压改变极性，互补晶体管组成的功补偿过量，霍尔输出电压改变极性，互补晶体管组成的功率放大输出级使率放大输出级使 减小，如此反复在平衡电流附近振

24、荡，减小，如此反复在平衡电流附近振荡，这样的这样的动态平衡建立时间为微秒级。动态平衡建立时间为微秒级。二次电流正比于一次（被测）电流，采用霍尔元件、导磁二次电流正比于一次（被测）电流，采用霍尔元件、导磁体、放大电路和补偿绕组构成了磁平衡霍尔传感器。体、放大电路和补偿绕组构成了磁平衡霍尔传感器。2I2I1122NINI2I1122NINI2I222022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 电压传感器是将被测电压信号通过电阻及原边线圈转变电压传感器是将被测电压信号通过电阻及原边线圈转变为原边磁场，为原边磁场，再通过两个霍尔元件、放大器及补偿绕组（二再通过两个霍尔元件、放大器及补偿绕组

25、（二次线圈）产生次边磁场，平衡原边磁场，达到检测原边电压次线圈）产生次边磁场，平衡原边磁场，达到检测原边电压信号的目的。信号的目的。 800A800A以上电流传感器以上电流传感器，原边磁场由被测直流电流产生，原边磁场由被测直流电流产生，原边只有一匝原边只有一匝，再通过两个霍尔元件及补偿绕组（次边线圈），再通过两个霍尔元件及补偿绕组（次边线圈）产生次边磁场，平衡原边磁场，达到检测原边电流之目的。产生次边磁场，平衡原边磁场，达到检测原边电流之目的。232022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 使用应注意：使用应注意： 防止铁心因过磁化产生剩磁。防止铁心因过磁化产生剩磁。二次绕组开路

26、、电源断二次绕组开路、电源断开等，会导致铁心过磁化产生剩磁，造成测量误差。开等，会导致铁心过磁化产生剩磁，造成测量误差。 电容、电感负载的补偿。电容、电感负载的补偿。二次负载电阻中含有电感或二次负载电阻中含有电感或电容成分时，将影响响应时间。电容成分时，将影响响应时间。 负载电阻应在限值以内。负载电阻应在限值以内。精密采样电阻按说明书选择。精密采样电阻按说明书选择。 减小外磁场干扰。减小外磁场干扰。一般在一般在5-10cm5-10cm距离内存在着一个两距离内存在着一个两倍于一次额定电流的导体产生的磁场干扰是可以忽略不计倍于一次额定电流的导体产生的磁场干扰是可以忽略不计的。当有较强的磁场干扰时，

27、应当改变安装方向，尽量减的。当有较强的磁场干扰时，应当改变安装方向，尽量减242022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统小外磁场的影响；采用垂直于磁场的方向安装；在模块上加小外磁场的影响；采用垂直于磁场的方向安装；在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩；选用带双霍尔元件或多霍尔元罩一个抗磁场的金属屏蔽罩；选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。件的模块。 尽量使被测信号的额定值与传感器额定值一致。尽量使被测信号的额定值与传感器额定值一致。 小心轻放，小心轻放，以防机械损伤或电气损伤。以防机械损伤或电气损伤。252022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 4. 4. 光电耦合

28、器光电耦合器 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管密封于金属光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管密封于金属或塑料壳内所组成，如图或塑料壳内所组成，如图2.62.6所示。所示。 发光二极管与普通二极管一样，由一个发光二极管与普通二极管一样，由一个PNPN结组成，具结组成，具有单向导电性，当给有单向导电性，当给PNPN结施以正向电压后，注入的电子与结施以正向电压后，注入的电子与空穴相复合时，以光的形式释放出能量。光通量的大小与空穴相复合时，以光的形式释放出能量。光通量的大小与流过的电流成正比。光敏三极管其结构与普通流过的电流成正比。光敏三极管其结构与普通NPNNPN型三极型三极管相似，当发光二极管

29、的光照射光敏三极管的发射极时，管相似，当发光二极管的光照射光敏三极管的发射极时，在集电极产生电流，集电极光电流为基极电流的在集电极产生电流，集电极光电流为基极电流的 倍。倍。b262022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 光电耦合器的优点是结构简单、响应快；能够实现光电耦合器的优点是结构简单、响应快；能够实现电路电路之间的隔离，提高电路的抗干扰能力之间的隔离，提高电路的抗干扰能力。光电耦合器的隔离。光电耦合器的隔离只能应用于控制系统低电压的信息转换。只能应用于控制系统低电压的信息转换。图图2.6 2.6 光电耦合器电路光电耦合器电路272022年3月1日星期二电力牵引控制系统电

30、力牵引控制系统 二、基本控制电路二、基本控制电路 1.1.反向放大器反向放大器 图2.7所示为一反相放大器。 图中 为输入电阻，输入信号 通过 接到运放的反相输入端。 为反馈电阻，输出信号 通过反馈到反相输入端构成一闭环系统。 假定电路在某一时刻处于稳定状态，输出电压是由输入电压 的作用而获得。由于同相输入端接地， ，根据运放输入-输出特性，要使输出电压 处于线形范围内，对于任意的输入电压 必须应使 ，即 ，所1R1UfR0U1U0U 0U1U0UU0U 1R282022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统图图2.7 2.7 反相放大器反相放大器292022年3月1日星期二电力牵引

31、控制系统电力牵引控制系统以通常称反相输入端为“虚地”点。因此,当 为正值时，则 必须是负值去维持 。同样当 为负值时，则 必须是正值，即输入信号与输出信号极性总是相反的。同时由于运放的输入阻抗很大（一般在 以上），故可认为运放内部电流为零, , 便可得到如下关系式中负号表示输入电压与输出电压极性相反。经整理可得到0U 1U0U1U0U61021II fRURU011(2.2)110RRUUGf(2.3)302022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统式中 反相输入放大器的闭环放大倍数。 可见,反相放大器完成了反相比例运算， 与 成正比,即 。若将其表示为一般数学表达式，则有式中 输

32、出量； 放大器闭环放大倍数; 输出量。 当运放电路在直流条件下稳定工作时，只要在输入端产生一个偏差信号，就可使得变化朝相反方向进行。G0U1U10UGUxKyyKx312022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 反相放大器的放大倍数取决于反馈电阻反相放大器的放大倍数取决于反馈电阻 与输入电阻与输入电阻 之比。之比。当运放的放大倍数非常高时，运放闭环电路的特性主当运放的放大倍数非常高时，运放闭环电路的特性主要取决于反馈回路的元件值，而与运放元件的本身性能无关。要取决于反馈回路的元件值，而与运放元件的本身性能无关。这一特性对设计者而言是非常重要的，这一特性对设计者而言是非常重要的，因

33、为设计时允许运放因为设计时允许运放参数有较大差异，诸如开环放大倍数不同，这并不影响闭环参数有较大差异，诸如开环放大倍数不同，这并不影响闭环特性。特性。fR1R322022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 2. 2.同相放大器同相放大器 输出信号与输入信号同相位的放大器称为同相放大器，输出信号与输入信号同相位的放大器称为同相放大器，数学表达式为数学表达式为 。同相放大器电路如图。同相放大器电路如图2.82.8所示。所示。xKyA图图2.8 2.8 同相放大器同相放大器332022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 当输出电压为 时，在反相输入端的反馈电压为 ，当输出

34、电压处于线性范围内时， ，因此可得式中 同相放大器的闭环放大倍数， 。 1UUUf1111101UGURRURRRUfff)()(G1fRR1G 0UfU011URRRUff(2.4)(2.5)342022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 3.差分放大器 差分放大器能进行减法运算，其数学表达式为 ，电路结构如图所示。 差分放大器它是由同相放大器和反相放大器组合而成。分析时只考虑每一个单独输入信号的作用，然后将各信号作用加以合并。 假设输入信号 为零，则电路变成输入信号为 的反相放大器，其输出信号为)(12xxKy2U1U110URRUf)(352022年3月1日星期二电力牵引控

35、制系统电力牵引控制系统差分放大器差分放大器362022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 假设输入信号 为零，则电路变成输入信号为 的同相放大器，此时正相输入端的电压为 反相输入端的反馈电压为 当输出电压在线性范围内时， 。若令 ，其输出信号为 1U2U21URRRUff0f11URRRU0UUffRR210URRUf11RR372022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 当输入信号 、 均不为零时，将上述两放大器合并考虑可得到 4.积分器 积分器是指输出信号为输入信号积分后的结果，其数学关系为 。电路原理图及输入-输出波形，如图2.9a、b所示。)(1210UUR

36、RUftxdty01U2U382022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统（a a）（b b）图图2.9 2.9 运放构成的反相积分器及输出关系运放构成的反相积分器及输出关系 只有当电容器两端的电压发生变化时才可有电流通过电只有当电容器两端的电压发生变化时才可有电流通过电容，故积分器输出电压变化的速率与输入电压呈正比，其输容，故积分器输出电压变化的速率与输入电压呈正比，其输入输出关系应为入输出关系应为392022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统dtURCUt0101式中 积分电路的时间常数。 由于输出电压的变化率与输入电压反相，又称为反相积分器。当输入给以阶跃变化时

37、，输出电压的变化速率应为需要注意：当输入电压为零伏时，输出电压并不回到零伏，而是输出电压不再变化，输出电压的任何瞬间均取决于输入电压的过去状态。RCRCUtU0(2.5)(2.6)402022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 积分调节器具有延缓作用、积累作用和记忆作用。 延缓作用是指在输入信号为阶跃信号时，输出信号不能突变，而是按照逐渐积分线形渐增，这种滞后特性就是积分器的延缓作用。 积累作用是指只要有输入信号，即使很小，调节器就会工作进行积分运算，直至输出值达到限制值为止。只有当输入信号为零时，这种积累才会停止。这一特性在调节器中是非常可贵的，故将积分器用于控制系统，就能完全

38、消除静态偏差。412022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 记忆作用是指在积分过程中，若突然使输入信号为零，则输出始终保持在输入信号改变前的那个瞬间的值。记忆作用可以理解为，输入信号为零，输出信号可以为任意数值，此值就是当输入量为零时刻的输出值。在自动控制系统中，也需要这种特性。 积分器在列车司机操作控制系统中作为给定器。当列车起动时，对牵引电动机的电流变化进行限制，使牵引电动机电流按照预定的速度变化，这样可使得司机的操作动作快慢与电流的变化速度无关，保证列车运行平稳。若422022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统列车控制系统没有积分给定环节，由于列车主电路的时

39、间常数很小，牵引电动机电流的变化随着司机操作动作的节奏而急剧变化，对列车平稳、安全运行带来严重影响。 实际使用的积分给定环节是以积分电路为基础， 将司机操作给定信号通过放大器处理后，送给积分器产生参考指令值，作为控制信号去控制列车的运行。 对控制信号的基本要求是：与司机操作快慢无关；上升、下降的速率不同，一般是上升快一些，下降适当慢一点，在接近额定值时要降低上升速率，这对牵引电动机的432022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统安全可靠运行有利。 电力机车给定积分环节典型电路，可参阅6G、8K机车的积分给定器电路。 如果适当变更电路结构，还可以构成其它形式的积分器，如差动积分器、

40、求和积分器、比例积分器等。442022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 5.比例积分器（ ） 在无静差调节自动控制系统中，比例积分器的应用十分广泛，常用作调节器。它相当于一个放大倍数可自动调节的放大器，动态时放大倍数很低，静态时放大倍数很高（相当于无穷大）。比例积分器的典型电路如图2.10所示，它是由高放大倍数直流运放 和反馈电路 组成。其输入-输出关系为PIAffCR 、)(dtURCRRUUtff01101(2.7)452022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 在运放输入端，即相加点 ，输入给定信号电压 和负反馈信号电压 两者进行比较，其偏差量 对反馈电容

41、进行充、放电，对运放的输出电压进行调节。在偏差量作阶跃变化时，运放输出端电压的变化如图2.11所示。 在 、 阶跃瞬间，由于反馈电容 两端电压不能突变，故在反馈电阻 两端产生阶跃电压，其大小为 ，随着电容两端电压的建立，充放电电流 将按指数规律衰减，直至消失。因此，运放输出电压 ，在1uf1u1ufC0t 1ufCfRRRu11i0u462022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 处有跃变，而极性相反；在 期间，输出电压 呈直线变化。在 处运算放大器输出饱和电压 ,并维持不变，其大小接近于运算放大器的电源电压( );在 处输入电压 突降为零，输出电压 首先成比例突降，然后保持不变

42、；在 处 作负向跳变，输出电压 则先正向跳变，在 期间直线增长，由于 持续时间较短，故输出信号电压 未达到饱和就开始下降。 0t 10t0u1tt s0uu V152tt fuuu1110u3tt 1u0u43 tt45ttt0u472022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统图2.10 比例积分器图2.11 比例积分器在阶跃输入时的输出482022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 根据以上分析可知，在 的阶跃作用下，输出电压 开始按比例 跳变，如果 有跳变，此时反馈电阻 起着按比例调节的作用，使系统的响应迅速。如果只有反馈电阻，而无反馈电容，则该系统为有差有差调节

43、系统调节系统，误差的大小取决于放大倍数误差的大小取决于放大倍数 。若采用了反馈电容，系统属无静差系统无静差系统，因为只要输入（给定）信号与反馈信号的大小不相等，就会有偏差电压和电流出现，它将对反馈电容进行充放电，只要运放没有饱和，其输出电压 将有相应的变化。在给定值与反馈值大小相等时fuuu1110uRRf0RffRRRf0u492022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统（因为是负反馈，符号相反），偏差电流 才等于零，反馈电容两端电压保持稳定不变，该电压等于运放的稳定输出电压 。 由此可见，调节反馈电阻 和电容 的大小，可改变调节器的响应速度，这可以影响系统的稳定性和调节性能。设

44、计一个合理的自动控制系统，必须要对反馈电阻 和电容 进行合理地选择，一般是参照类似系统的参数，经过一定的理论分析与计算，估算出一个近似值，然后在实际调试中进行必要的修正。i0ufRfCfRfC502022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 6.微分器 微分是积分的反运算，微分器是指输出信号是输入信号微分运算的结果，其数学表达式为其电路结构如图a所示。微分电路和积分电路的区别在于将其中的电阻、电容位置互换。 微分器的输入-输出关系如图b所示。根据微分电路结构，因为 ，dtdxy dtdUCiRUiii0UU110221，、512022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统

45、 微分放大器微分放大器522022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 所以可得到式中 积分时间常数。 由公式可见，微分器的输出电压与输入电压的变化率成正比。微分电路可以检测电压的变化率，因此在自动控制系统中常采用微分负反馈电路以增加系统的稳定性。在调节器中加入微分环节能增加调节过程的快速性.RCdtdURCU10532022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统7.特性控制器 特性控制器是完成机车牵引力控制和速度控制的一个复合控制单元。其作用是建立操作状态（起动、牵引与制动）与起动/制动电流、速度之间的函数关系。起动时采用恒流控制，牵引或制动时采用准恒速控制，即所谓的恒

46、流准恒速控制模式。 恒流准恒速控制模式源于进口电力机车8K，通过引进我们已完全消化并接受了此控制模式，在国产电力机车中得到了大力推广应用。542022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 8K型电力机车采用单手柄特性控制器，顺时针转动为牵引工况，逆时针转动为制动工况，均分为011级位，其控制函数为：牵引状态 (km/h)制动状态取最小值VnnIa90900200取最大值130830103083nVIanV10552022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统562022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 牵引状态特性控制器可由两个同相运算放大器A1、A2和一

47、个最小值选择器组成，制动特性控制器由反相运算放大器A3、同相运算放大器A4和最大选择器组成，如图2.12所示。 在牵引特性控制器中，运算放大器A1的同相端输入牵引电流指令给定信号（正值）和机车速度反馈信号（负值），运算放大器A2的同相端只输入牵引电流指令给定信号（正值）。制动特性控制器中，运算放大器A3的反相端接有制动电流给定信号和机车速度反馈信号（负值）；运算放大器A4同相端输入最小制动电流限制信号，以避免车钩冲击，保证车钩始终处于压缩状态。572022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 机车速度信号采用二选一模式，由来自不同转轴的两路信号综合得出，牵引工况取两速度中的最小值作

48、为反馈信号，制动工况取两路信号中的最大值作为反馈信号，这样可有效消除因空转、滑行造成的实际速度偏差，获得真实的机车速度。 对于运算放大器A1，采用线性叠加法可计算出其输出电压信号。582022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统设 ， ，此时运算放大器同相输入端电路可等效为图2.13（a）所示。其同相端输入电压应为 （2.10）式中 电流比例系数， 。设 ， ，此时运算放大器同相输入端电路可等效为图2.13（b）所示。其同相端输入电压应为 （2.11）g0IUf0vU10gg210/IIIRRUUk URRRIk10210/IRRkRRRf0vUg0IU20fg120/()/vvv

49、RRUUk URRR 592022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统（a a）（b b）图图2.13 2.13 两信号同相输入等效电路两信号同相输入等效电路602022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统式中 速度比例系数， ， 式（2.11）中负表示负反馈。当 、 同时作用于A1同相端时，输入信号将是两个信号单独作用的线性叠加，即 （2.12）根据式（2.4）表示的同相运算放大器的输出关系，A1的输出电压为 （2.13）式中 为电路电阻有关比例系数。vk20120/vRRkRRRgIUf vU1ggIIvvUUUk Uk U30(A1)1gg41()IIvvRUUk

50、 k Uk URggIIvvk Uk U341/kRR IIkkk vvkkk 612022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统对于不同的控制手柄级位，有相应的电流指令值给定值 ， 是与机车速度无关的定值，它只与手柄级位有关，而 则是与机车速度成正比例关系变化。因此，可得到不同控制手柄级位n下的一组准恒速控制关系 （2.14）其中A、B为已知量，由电路电阻参数确定。对于运算放大器A2，同相端输入端只有电流指令给定信号 ，经电阻分压后加于同相输入端，可计算出同相输入信号 、运算放大器输出信号 为 aIAnBv0(A2)UgIUUgIUgIIk Ugvvk U622022年3月1日星期

51、二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 （2.15） （2.16）式中， 为常数，由电路电阻值决定； 只与控制手柄级位对应的电流指令给定值成正比关系，与机车速度无关。因此，可得到不同手柄级位下的一组恒电流控制关系： （2.17）式中，C为已知量，由电路电阻参数确定。6gg56IIIRUUK URR70(A2)gg81IIIRUUKK UK URaICnK0(A2)U632022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 由运算放大器由运算放大器A1A1、A2A2的输出信号的输出信号组成的牵引特性控制组成的牵引特性控制器器经过最小选择器，经过最小选择器，可获得所需要的可获得所需要的恒电流准恒速

52、控制特恒电流准恒速控制特性性，即式（，即式（2.172.17）、式（）、式（2.142.14）的组合表达式，）的组合表达式，取计算结取计算结果最小者果最小者作为控制特性。作为控制特性。 。 由运算放大器由运算放大器A3A3、A4A4组成的制动特性控制器组成的制动特性控制器，得到不，得到不同控制级位下的准恒速控制直线簇和最小制动电流限制水同控制级位下的准恒速控制直线簇和最小制动电流限制水平线，平线，并经最大选择器选择其中最大者作为控制特性。并经最大选择器选择其中最大者作为控制特性。 根据根据8K8K型电力机车所采用的电路参数，可以得到式型电力机车所采用的电路参数，可以得到式（2.82.8）、式（

53、）、式（2.92.9）所示的牵引工况、制动工况的特性控）所示的牵引工况、制动工况的特性控制函数。制函数。642022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统8. 8. 连续控制器连续控制器 为了提高电力牵引列车的功率因数，相控机车普遍采为了提高电力牵引列车的功率因数，相控机车普遍采用多段整流桥组成的调压电路。在调压时，用多段整流桥组成的调压电路。在调压时，多段整流桥采多段整流桥采用顺序控制方式，用顺序控制方式，从一段整流桥过渡到另一段整流桥，从一段整流桥过渡到另一段整流桥，要要求电压、负载电流连续平滑变化，不许出现间断，求电压、负载电流连续平滑变化，不许出现间断，这一切这一切需要由专用

54、控制器即连续控制器来完成。需要由专用控制器即连续控制器来完成。652022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 9. 9.函数发生器函数发生器 在电力传动列车控制系统中，有时需要在电力传动列车控制系统中，有时需要进行非线性控进行非线性控制，制，诸如机车的诸如机车的粘着控制粘着控制、电力传动内燃机车的、电力传动内燃机车的恒功率控恒功率控制制等，都是非线性控制。如何建立一条较理想的控制函数等，都是非线性控制。如何建立一条较理想的控制函数曲线，就需要函数发生器来完成。曲线，就需要函数发生器来完成。 在建立非线性控制曲线时，一般都是在建立非线性控制曲线时，一般都是采用多段折线来采用多段折线

55、来近似拟合曲线。近似拟合曲线。折线的段数越多，拟合曲线的精度越高，折线的段数越多，拟合曲线的精度越高，控制精度也高。控制精度也高。662022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统第二节第二节 相控电力机车相控电力机车/EMU控制与牵引特性控制与牵引特性 晶闸管相控调压晶闸管相控调压是交是交- -直流传动电力机车的基本调压方直流传动电力机车的基本调压方式，采用闭环控制调压系统。根据控制要求的不同，可分式，采用闭环控制调压系统。根据控制要求的不同，可分为为恒电压控制、恒电流控制、恒速控制以及特性控制恒电压控制、恒电流控制、恒速控制以及特性控制等控等控制方式。闭环控制系统性能的优劣直接决

56、定了机车牵引性制方式。闭环控制系统性能的优劣直接决定了机车牵引性能的优劣，影响机车运行的技术经济效果。因此，对闭环能的优劣，影响机车运行的技术经济效果。因此，对闭环调节系统的分析与研究，有助于提高机车的控制性能、牵调节系统的分析与研究，有助于提高机车的控制性能、牵引性能，改善机车的经济技术状态，这也是机车控制系统引性能，改善机车的经济技术状态，这也是机车控制系统的一项关键技术。的一项关键技术。672022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 一、相控电力机车的控制一、相控电力机车的控制 1. 1. 整流电压控制整流电压控制 相控机车中，通过对相控机车中，通过对晶闸管的相位控制和牵引

57、绕组的晶闸管的相位控制和牵引绕组的投入数量投入数量，来改变整流电压的大小，图，来改变整流电压的大小，图2-142-14表示的是一般表示的是一般相控整流电路的原理图。若采用反馈控制，就可以构成自相控整流电路的原理图。若采用反馈控制，就可以构成自动调节系统。动调节系统。随反馈信号的不同随反馈信号的不同，就构成所谓，就构成所谓恒流控制、恒流控制、恒压控制、恒速控制。恒压控制、恒速控制。但这些只能在没有达到满电压前才但这些只能在没有达到满电压前才有可能，当达到全电压后，电压只能按整流器输出的外特有可能，当达到全电压后，电压只能按整流器输出的外特性变化。性变化。682022年3月1日星期二电力牵引控制系

58、统电力牵引控制系统图图2.14 2.14 电压控制原理图电压控制原理图692022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 2.2.恒流控制恒流控制 所谓恒流控制是指机车运行中，所谓恒流控制是指机车运行中，维持电动机电枢电流维持电动机电枢电流按某一指令值保持不变的控制按某一指令值保持不变的控制。它常常用于机车。它常常用于机车起动加速起动加速过程。过程。 牵引电动机输出轴上的转矩为：牵引电动机输出轴上的转矩为：通常通常电机铁耗和机械损耗产生的阻转矩电机铁耗和机械损耗产生的阻转矩 约为额定转矩的约为额定转矩的1.5%1.5%左右。对于串励电机来说，电枢电流与主极磁通有一左右。对于串励电机来

59、说，电枢电流与主极磁通有一定的比例关系。所以当恒流控制时，机车的牵引力也是恒定的比例关系。所以当恒流控制时，机车的牵引力也是恒02TICTaT0T712022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统定的，牵引特性如图定的，牵引特性如图2-162-16所示。所示。 相控机车在起动过程中，相控机车在起动过程中，无一例外均采用恒流起动无一例外均采用恒流起动的方的方式。因为在起动过程中没有牵引力的波动，所以平均起动牵式。因为在起动过程中没有牵引力的波动，所以平均起动牵引力大，可以最大限度的接近粘着限制。引力大，可以最大限度的接近粘着限制。 当机车一旦发生空转时，当机车一旦发生空转时，恒流控制就

60、不能抑制空转恒流控制就不能抑制空转，这，这是不利的一面。为了克服恒流控制而形成的持续空转，这时是不利的一面。为了克服恒流控制而形成的持续空转，这时必须由空转保护装置发出信号，终止恒流控制，甚至减载运必须由空转保护装置发出信号，终止恒流控制，甚至减载运行以恢复粘着。行以恢复粘着。722022年3月1日星期二电力牵引控制系统电力牵引控制系统 3.3.恒压控制恒压控制 所谓恒压控制是指机车运行中，维持牵引电动机的端电压不变，也就是维持整流电压按某一指令值维持不变的控制，控制原理如图2-17所示。恒压控制时，其实质是用自动调节的办法，补偿了整流器内阻的电压降。 当电网电压提高时，曲线1就向右移。低于网