《电力牵引传动与控制》

1、1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主要内容：主要内容：l直流牵引电动机直流牵引电动机l交流牵引发电机交流牵引发电机l内燃机车恒功调速系统内燃机车恒功调速系统l传动装置参数传动装置参数l电力机车传动与控制系统电力机车传动与控制系统l黏着控制与主电路保护黏着控制与主电路保护l电阻制动电阻制动2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 一、直流牵引电动机一、直流牵引电动机q电机工作原理与结构电机工作原理与结构q基本方程基本方程q工作特性与牵引性能分析工作特性与牵引性能分析q速度调节速度调节q绕组结构绕组结构* *q电枢反应与换向电枢反应与换向* * 3

2、一、直流牵引电动机一、直流牵引电动机n直流电机工作原理直流电机工作原理与结构与结构n单线圈电机模型：磁极，导体，换向片（器），电单线圈电机模型：磁极，导体，换向片（器），电刷，转轴等刷，转轴等图图2-1a 直流电机工作原理直流电机工作原理4直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理图图2-1b 直流电机工作原理直流电机工作原理5 导体所受电磁力导体所受电磁力 大小：大小：fx=BxLIs 方向：左手定则判定方向：左手定则判定 旋转导体感应电势旋转导体感应电势大小：大小：es=BxLV 方向：右手定则判定方向：右手定则判定（式中：（式中：Bx为导体所处位置的磁通密度；为导体所处位置的磁通密度；L为

3、导为导体有效长度；体有效长度；V为导体线速度；为导体线速度；Is为导体电流）为导体电流）n换向片的作用：换向片的作用：对转动导体中的电流进行换向，使对转动导体中的电流进行换向，使导体所受电磁力矩方向恒定；换接转动导体中的感导体所受电磁力矩方向恒定；换接转动导体中的感应电势，使电刷两端电势方向保持恒定。应电势，使电刷两端电势方向保持恒定。* *电机可逆原理：电机可逆原理：在一定的外部条件下，（直流或交在一定的外部条件下，（直流或交流）电机能量转换的方向可以改变。流）电机能量转换的方向可以改变。6直流电机工作原理直流电机工作原理7直流电机可逆工作原理直流电机可逆工作原理8多线圈直流电机多线圈直流电

4、机线圈数目增加线圈数目增加换向片数目相应增换向片数目相应增加。加。电磁转矩和电刷两电磁转矩和电刷两端电势脉动减小，端电势脉动减小， 趋向平趋向平稳。稳。图图2-2 八线圈直流电机示意图八线圈直流电机示意图实际直流电机：可以有数对磁极，由励磁绕组通以励磁电流形成实际直流电机：可以有数对磁极，由励磁绕组通以励磁电流形成磁场。转动导体有多个线圈，线圈两有效边相距约一个极距，嵌磁场。转动导体有多个线圈，线圈两有效边相距约一个极距，嵌放在转子铁芯槽内，并通过换向片和电刷的连接作用，构成数条放在转子铁芯槽内，并通过换向片和电刷的连接作用，构成数条并联支路。并联支路。9 直流电机的分类直流电机的分类励磁方式

5、励磁方式按励磁方式分类：按励磁方式分类：他励，并励，串励，复励。他励，并励，串励，复励。10直流电机的结构示意直流电机的结构示意图图11 直流电机的结构直流电机的结构定子定子：主磁极和主极线圈，换向极和换向极线圈，机座，电刷装：主磁极和主极线圈，换向极和换向极线圈，机座，电刷装 置，端盖及轴承等（静止部分）置，端盖及轴承等（静止部分） 转子转子：转子铁芯，电枢绕组（线圈），换向器，转轴等（旋转部分）：转子铁芯，电枢绕组（线圈），换向器，转轴等（旋转部分） 12电机结构图13转子的结构转轴、电枢铁心、电枢绕组转轴、电枢铁心、电枢绕组换向器换向器1415直流电机的结构直流电机的结构16直流电机基本

6、方程直流电机基本方程电枢感应电势：电枢感应电势：Es=Cesn（v） （2-1）电枢电磁力矩：电枢电磁力矩：M=CmsI Is（Nm） （2-2）式中：式中：n 电机转速（电机转速（r/m） s 每极下磁通量（每极下磁通量（wb)I Is 电机电枢电流（电机电枢电流（A）Ce=pN/60a（电机电势常数）（电机电势常数）Cm=pN/2a（电机扭矩常数）（电机扭矩常数）p 极对数；极对数；a 电枢绕组并联支路对数；电枢绕组并联支路对数；N 电枢绕组有效导体总数。电枢绕组有效导体总数。 感应电势和电磁力矩感应电势和电磁力矩17电势平衡方程电势平衡方程以串励电动机为例：以串励电动机为例：Us=Es+

7、I IsRs+Ls （2-3）稳态时有：稳态时有：Us=Es+I IsRs （2-4）式中：式中：Us 电机端电压；电机端电压；Rs 电枢回路总电阻；电枢回路总电阻；Ls 电枢回路总电感。电枢回路总电感。tIsdd18转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩方程：转矩方程：M=Mz+Mo+J J （2-5）稳态时有：稳态时有：M=Mz+Mo （2-6）式中：式中：M 电磁转矩；电磁转矩；Mz 负载阻力矩；负载阻力矩；Mo 电机空载阻力矩；电机空载阻力矩； 电机角速度；电机角速度； J J 电机与负载等效转动电机与负载等效转动 惯量。惯量。dtd 19电机转矩电机扭矩常数Cm能量（功率）平衡方程能量（功

8、率）平衡方程电磁功率电磁功率=机械功率机械功率由（由（2-4）式可得：）式可得：UsI Is=EsI Is+I Is Rs （2-7a）输入电功率输入电功率=电磁功率电磁功率+电机内铜电机内铜(电阻电阻)损耗损耗EsI Is=（ Cesn）*I Is =（pN/60a）*（60/2）* s I Is =（pN/ 2a）* s I Is =（Cm s I Is ） =M （ 2-7 b）M =Mz +Mo （ 2-8 ） 机械功率机械功率=负载功率负载功率+电机空载损耗电机空载损耗20UsIsEsIs=M铜损铜损铁损铁损空载机械摩擦损耗空载机械摩擦损耗MZMo输出机械功输出机械功率率输入电功输入

9、电功率率图图2-8 直流电动机功率流图直流电动机功率流图IsRs直流电动机功率流图直流电动机功率流图（第（第2讲）讲）21直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性转速特性：转速特性：n =f（IsIs）转矩特性：转矩特性：M=f（IsIs）机械特性：机械特性：n =f（M）条件：不对电源电压和励磁电流进行人为条件：不对电源电压和励磁电流进行人为 调节。调节。22转速特性转速特性n =f（IsIs）由（由（2-1）和（）和（2-4）式可得：）式可得：n=(Us-I IsRs)/(Ces) =Us /(Ces)- I IsRs /(Ces)（2-9）他励电机：他励电机：sconst. n=no-k

10、I Is -（硬特性）（硬特性）串励电机：串励电机：sk I Is（磁路未饱和时）（磁路未饱和时） n=a/I Is-b -（软特性）（软特性） 其中其中 no =Us /(Ces)；k，k，a，b为常数。为常数。23转矩特性转矩特性M=f（IsIs）他励电机：他励电机：M=CmsI Is=k I Is （2-10）串励电机（磁路未饱和时串励电机（磁路未饱和时s与与I Is成正比成正比 ）故有：）故有：M=CmsI Is=k I Is （2-11）24机械特性机械特性 n =f（M）n=(Us-I IsRs)/(Ces) = Us /(Ces)- M Rs /(CeCms) （2-12）25直

11、流电动机特性直流电动机特性26直流电动机的稳态工作点直流电动机的稳态工作点稳态时：稳态时：M=Mz+MoMz27l 牵引电动机负载系统稳定运行条件？l 哪一种直流电动机更适合 于作机车牵引？ 思考思考：28n牵引特性机械稳定性分析牵引特性机械稳定性分析稳定性条件：稳定性条件：式中：式中：Wo和和 F 分别为负载阻力和电机牵引力分别为负载阻力和电机牵引力 直流牵引电动机（除差复励外）直流牵引电动机（除差复励外）的特性曲线都具有负斜率，均的特性曲线都具有负斜率，均满足列车牵引时的机械稳定性满足列车牵引时的机械稳定性条件。条件。直流电动机牵引特性分析与比较直流电动机牵引特性分析与比较dVdWdVdF

12、0特性特性F1：稳定：稳定特性特性F2：不稳定：不稳定29牵引特性电气稳定性分析牵引特性电气稳定性分析由（由（2-3）电机电势平衡方程式有：）电机电势平衡方程式有：Ls (dI Is/dt) = Us (Es + I IsRs)式中：式中：Es=Cesn 电机电枢反电势；电机电枢反电势；I Is 电机电枢电流；电机电枢电流；Us 电机输入端电压；电机输入端电压；Rs 电枢回路总电阻；电枢回路总电阻；Ls 电枢回路总电感。电枢回路总电感。 设设Us 为恒定，当负载扰动引起为恒定，当负载扰动引起 I Is时，电机系统中时，电机系统中Ls (dI Is/dt) 的符号应与的符号应与 I Is相反，从

13、而使电机恢复到原来的平相反，从而使电机恢复到原来的平衡状态。衡状态。- 电气稳定性条件电气稳定性条件特性特性1：稳定：稳定特性特性2：不稳定：不稳定30串励和他励电动机牵引特性电气稳定性串励和他励电动机牵引特性电气稳定性 一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。但他励电机稳定余量较小，一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。但他励电机稳定余量较小，对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进入不稳定状态（入不稳定状态（B点）。点）。31多台牵引电动机并联工作时，负载分配性能分析比较多台牵引电

14、动机并联工作时，负载分配性能分析比较 当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。32 同一台机车动轮直径有差异时，采用串励同一台机车动轮直径有差异时，采用串励牵引电动机比他励电机负载分配均匀牵引电动机比他励电机负载分配均匀。33输入电压波动对电机电流和牵引力的影响分析输入电压波动对电机电流和牵引力的影响分析 当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时增加，将使过渡过程开始阶段电枢电

15、流冲击过大，串励电机电流冲击要增加，将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，串励电机电流冲击要小得多。小得多。34牵引电动机功率利用分析比较牵引电动机功率利用分析比较 串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。35粘着性能分析比较粘着性能分析比较 -空转发生与空转速度空转发生与空转速度36 由上图所示的牵引电动机特性与空牵

16、引电动机特性与空转的关系可知，串励电动机由于特性转的关系可知，串励电动机由于特性较软，空转发生后的稳定滑动速度较软，空转发生后的稳定滑动速度V V4 4高于他励电动机的稳定滑动速度高于他励电动机的稳定滑动速度V V3 3。从粘着重量的利用观点出发，他励牵从粘着重量的利用观点出发，他励牵引电动机优于串励牵引电动机引电动机优于串励牵引电动机（第（第3讲）讲）37直流电动机速度调节直流电动机速度调节由（由（2-9）式：）式：n=(Us-I IsRs)/(Ces)q改变改变Rs， Us，s均可调速，但后两者才是经济均可调速，但后两者才是经济的调速方法。的调速方法。q可分别通过改变可分别通过改变Us或或

17、s调速，两者独立。调速，两者独立。n改变改变 Us调速调速n2/n1Us2/Us1 （2-13） （ 假定假定I IsRs0时）时）3839改变改变s调速（磁场削弱调速调速（磁场削弱调速）根据电机转速公式，可得调速前后转速比为：根据电机转速公式，可得调速前后转速比为：近似有：近似有： n2/n1 s1 / s2 （2-15）)142( s1s2ss2sss1ss2ess2ss1ess1s21RIURIUCRIUCRIUnn4041思考：思考： 恒功率控制条件下，牵引电恒功率控制条件下，牵引电动机磁场削弱前后的工作状态动机磁场削弱前后的工作状态如何变化？如何变化？42恒功率（恒功率（PF=con

18、st.）条件下的磁场削弱调速）条件下的磁场削弱调速由于磁场削弱瞬间，由于磁场削弱瞬间，n不变，故不变，故M亦不变，电流和磁通满足：亦不变，电流和磁通满足： M=Cms1I Is1=Cms2I Is2 I Is1/I Is2=s2/s1结果：结果：a. 磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大,电压减小（恒功控制电压减小（恒功控制系统作用）；系统作用）；b. 根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不变且电磁力矩不变且电磁力矩M与与Mz已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。但若在已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。但若在Mz M时进行磁场削弱，则

19、电机转速可增大，机车速度增加。时进行磁场削弱，则电机转速可增大，机车速度增加。43恒功磁场削弱调速过程及优缺点分析恒功磁场削弱调速过程及优缺点分析经济调速，可重复使用经济调速，可重复使用主发电机的恒功曲线，主发电机的恒功曲线，扩大机车恒功调速比。扩大机车恒功调速比。使牵引电动机换向条件使牵引电动机换向条件恶化，运行可靠性降低。恶化，运行可靠性降低。44直流电机绕组结构直流电机绕组结构* *单迭绕组为例：单迭绕组为例：绕组元件：绕组元件： 一匝或多匝的线圈一匝或多匝的线圈。极极 距距 ： 在电枢表面上相邻异性磁极中心线之间的在电枢表面上相邻异性磁极中心线之间的距离。可用总槽数距离。可用总槽数Z和

20、极对数和极对数 p 表示为：表示为： = Z/2p (2-16)45单迭绕组结构单迭绕组结构绕组元件数绕组元件数S与换向器的换向片数与换向器的换向片数H 因每个元件的两端分别因每个元件的两端分别接到两个换向片上，而每一个换向片和两个元件相连接到两个换向片上，而每一个换向片和两个元件相连接，故有：接，故有： S=H (2-17)第一节距第一节距Y1 元件两有效边在电枢表面的距离，用所跨的槽元件两有效边在电枢表面的距离，用所跨的槽数表示。数表示。 Y1=Z/2p=整数（整数（0 GGi i，偏，偏差信号差信号E Ei i0 调节器输出调节信号调节器输出调节信号T Ti i减小减小执行元件使执行元件

21、使发电机励磁减小至发电机励磁减小至I IFL2FL2，发电机外特性下降至发电机外特性下降至2 发电机发电机输出功率减小输出功率减小调节过程直至新的稳定工作点调节过程直至新的稳定工作点c,此时此时Ji=GiJi=Gi，系统重新进入平，系统重新进入平衡状态。衡状态。n采用具有积分环节的调节器，可使系统静态误差为采用具有积分环节的调节器，可使系统静态误差为0 0，成，成为无为无“静差静差”系统。系统。8586恒功励磁系统性能指标恒功励磁系统性能指标静态特性：静态特性：系统在稳定状态下所测得的特性。系统在稳定状态下所测得的特性。用机车水阻试验测得的牵引发电机外特用机车水阻试验测得的牵引发电机外特性与理

22、想外特性的符合程度，即两者的性与理想外特性的符合程度，即两者的偏差来衡量偏差来衡量动态特性：动态特性：系统在调节过程非稳定状态下测得的特性。系统在调节过程非稳定状态下测得的特性。衡量指标包括：稳定性，超调量，过渡衡量指标包括：稳定性，超调量，过渡过程时间等。对实际机车恒功励磁系统，过程时间等。对实际机车恒功励磁系统， 过渡过程时间是衡量系统性能好坏的过渡过程时间是衡量系统性能好坏的重要指标。重要指标。87图中：图中：C（t）和）和R（t）分别分别为系统激励和响应（输入和为系统激励和响应（输入和输出）；输出）；为超调量；为超调量；Tp为过渡过程时间；为过渡过程时间；Cm和和C分别为系统响应最大值

23、和稳态值。分别为系统响应最大值和稳态值。88恒功励磁系统分类恒功励磁系统分类按采用的调节器类型分为两类：按采用的调节器类型分为两类：n采用液力调节器的恒功调节系统；采用液力调节器的恒功调节系统；a)采用电子调节装置的电子恒功系统。采用电子调节装置的电子恒功系统。89采用液力调节器（联合调速器）的恒功采用液力调节器（联合调速器）的恒功励磁系统励磁系统n联合调速器原理联合调速器原理n对柴油机实行以对柴油机实行以恒转速和恒供油量恒转速和恒供油量为目为目标的控制。标的控制。n用柴油机用柴油机全制式调速器与液力励磁调节全制式调速器与液力励磁调节控制单元结合控制单元结合组成联合调速器。组成联合调速器。90

24、恒供油量励磁控制系统原理恒供油量励磁控制系统原理91全制式调速器恒速控制原理全制式调速器恒速控制原理第第7讲讲92联合调速器框图联合调速器框图93东风东风4机车液力恒功励磁控制器机车液力恒功励磁控制器（联合调速器）（联合调速器）n系统调节原理系统调节原理 （参照图（参照图3-12）调节器为液力伺服器，是积分元件：调节器为液力伺服器，是积分元件：y=xdtx-液力伺服器功调滑阀位移（偏差信号）；液力伺服器功调滑阀位移（偏差信号）； y-液力伺服器输出角位移（调节信号）。液力伺服器输出角位移（调节信号）。只有当只有当偏差偏差x=0时，时，调节信号调节信号y才不再变化。故此系统才不再变化。故此系统是

25、是“无静差无静差”系统。系统。9495牵引发电机限压，限流控制方法牵引发电机限压，限流控制方法 通过限制各手柄通过限制各手柄位下牵引发电机的位下牵引发电机的最大励磁电流进行最大励磁电流进行限压和限流控制。限压和限流控制。 优点：简单优点：简单96系统特点系统特点l以维持柴油机恒功为控制目标；以维持柴油机恒功为控制目标；l采用了具有积分环节的液力调节器，为无静差系统；采用了具有积分环节的液力调节器，为无静差系统；l在高手柄位下有良好的静态特性；在高手柄位下有良好的静态特性；l因各转速下的供油给定值是通过线性关系的函数变换器因各转速下的供油给定值是通过线性关系的函数变换器给出，不能确保各手柄位功率

26、值均达到理想要求，特别给出，不能确保各手柄位功率值均达到理想要求，特别是低手柄位下功率值偏低；是低手柄位下功率值偏低；l动态性能较差，过渡过程时间长，对柴油机运行不利；动态性能较差，过渡过程时间长，对柴油机运行不利；l起动性能较差。起动性能较差。97电子恒功励磁系统电子恒功励磁系统n系统原理框图系统原理框图辅助功率检测辅助功率检测98ND5机车机车CHEC电子恒功控制系统电子恒功控制系统CHEC：Constant Horsepower Electronic Control美国GE公司于上世纪七十年代开发的全电子化恒功控制系统n系统特点：系统特点：l采用大规模采用大规模集成模拟电路集成模拟电路，

27、实现了包括牵引工况恒功励磁，电阻制动恒，实现了包括牵引工况恒功励磁，电阻制动恒流恒励磁及防空转（防滑）等机车的流恒励磁及防空转（防滑）等机车的综合控制综合控制，改善了机车牵引性能，改善了机车牵引性能l系统以系统以牵引发电机恒功牵引发电机恒功为控制目标，采用为控制目标，采用励磁机励磁直接控制方式励磁机励磁直接控制方式，同，同时采用了时采用了斩波器斩波器作为励磁调节执行元件，使系统具有良好的动态性能作为励磁调节执行元件，使系统具有良好的动态性能l将柴油机废气将柴油机废气涡轮增压器的转速、超速信号引入励磁控制系统涡轮增压器的转速、超速信号引入励磁控制系统，使司机，使司机提升手把位时，柴油机功率的提升

28、速度与与涡轮转速提升手把位时，柴油机功率的提升速度与与涡轮转速(柴油机空气进气量）柴油机空气进气量）有良好的配合，改善了柴油机的燃烧状态，同时也为柴油机运行提供了有良好的配合，改善了柴油机的燃烧状态，同时也为柴油机运行提供了简单可靠的海拔高度补偿和涡轮超速保护简单可靠的海拔高度补偿和涡轮超速保护a)设置有设置有“功率斜坡功率斜坡”单元，一方面使有效的功率给定和电流给定信号按单元，一方面使有效的功率给定和电流给定信号按一定的时间斜率上升，改善了机车的起动性能；另一方面与机车防空转一定的时间斜率上升，改善了机车的起动性能；另一方面与机车防空转检测（检测（SENTRY）等系统共同作用，实现机车空转快

29、速保护和粘着恢复）等系统共同作用，实现机车空转快速保护和粘着恢复后的功率控制，提高了机车的粘着利用并实现多参数综合控制。后的功率控制，提高了机车的粘着利用并实现多参数综合控制。99辅助功率检测辅助功率检测100组成电路原理简图组成电路原理简图101工作原理工作原理n给定单元给定单元6 产生产生8个手柄位下的功率个手柄位下的功率限流限流限压给定信号：限压给定信号：upg uig uug，极性，极性均取正，增益分别为：均取正，增益分别为：300kw/v 1000v/v 150A/v；n涡轮增压器转速检测单元涡轮增压器转速检测单元7 产生涡轮转速产生涡轮转速信号信号uw（极性为正）和涡轮超速信号（极

30、性为正）和涡轮超速信号uwc（极性：未超速时为（极性：未超速时为0，超速时为负）；，超速时为负）；n电流、电压和功率检测单元电流、电压和功率检测单元1、2和和3（乘法（乘法器）器） 产生牵引发电机实际电流、电压和功产生牵引发电机实际电流、电压和功率信号：率信号： uij uuj 和和upj ，极性分别取正、，极性分别取正、正和负，增益同单元正和负，增益同单元6；102n空转检测（空转检测（sentry）系统信号）系统信号 根据机车轮对间的转速根据机车轮对间的转速差和加速度及其变化情况产生生级轮对空转信号：差和加速度及其变化情况产生生级轮对空转信号：VL1、V2、VL3、VL4，其中后三者送入恒

31、功，其中后三者送入恒功励磁控制系统（单元励磁控制系统（单元8 8）；）；n“功率斜坡功率斜坡”单元单元8 upg uig uw upj 功调电功调电阻阻Rgt信号信号以及以及V2、VL3、VL4等等，进入等等，进入“功功率斜坡率斜坡”单元，产生经修正后、起实际控制作用的功单元，产生经修正后、起实际控制作用的功率和限流给定信号：率和限流给定信号： upg 和和 uig ,极性均为正；极性均为正；n比较及调节器运算单元比较及调节器运算单元9 9 运算放大器运算放大器F1F1（反相加法（反相加法器）、器）、F2F2（差分放大器）和（差分放大器）和F3 F3 （差分放大器）分别进（差分放大器）分别进行

32、如下行如下比例比例运算（设各输入电阻值相等）：运算（设各输入电阻值相等）：u1= -k1（ upg - upj - uwc ）u2= -k2（ u ig - uij ）u3= -k3（ uug - uuj ）调节器为比例放大器，因此系统是一个有静差系统，调节器为比例放大器，因此系统是一个有静差系统，但当增益但当增益ki较大时，可使静态误差很小。较大时，可使静态误差很小。103n二极管二极管D1-D4 组成最大值选择电路，将组成最大值选择电路，将u1、u2和和u3种最大者输出作为励磁调节信号种最大者输出作为励磁调节信号ut；n晶体管斩波器晶体管斩波器4 ut（通常情况下（通常情况下ut0）和励磁

33、电压微分负反）和励磁电压微分负反馈信号作用于晶体管斩波器，对励磁机的励磁电压进行馈信号作用于晶体管斩波器，对励磁机的励磁电压进行“定定频调宽频调宽”调节。当调节。当ut增大（偏差值增大（偏差值ug-uj减小）时，斩波器输减小）时，斩波器输出电压脉冲宽度减小，励磁机平均励磁电压值减小，使平均出电压脉冲宽度减小，励磁机平均励磁电压值减小，使平均励磁电流减小；反之，则使平均励磁电流增加；从而调节牵励磁电流减小；反之，则使平均励磁电流增加；从而调节牵引发电机励磁并使发电机按理想外特性要求输出功率。引发电机励磁并使发电机按理想外特性要求输出功率。ut -1v时，斩波器输出平均励磁电流时，斩波器输出平均励

34、磁电流=0 -1v ut -2.8v时，调节平均励磁电流时，调节平均励磁电流02A（最大）（最大） ut upg司机提升手柄过渡过程时司机提升手柄过渡过程时 uw upg因此，在过渡过程中，柴油机功率将受因此，在过渡过程中，柴油机功率将受uw控制，控制，从而使柴油机功率与涡轮转速有良好的配合。从而使柴油机功率与涡轮转速有良好的配合。106107功率斜坡单元的作用功率斜坡单元的作用功率给定修正功率给定修正实现机车功率斜实现机车功率斜坡控制坡控制实现功调电阻的实现功调电阻的（减载）控制作（减载）控制作用，防止柴油机用，防止柴油机在过载情况下工在过载情况下工作作实现机车重联运实现机车重联运行时的功率

35、匹配行时的功率匹配108实施机车空转保护控制作用实施机车空转保护控制作用 V2：机车二级空转信号（：机车二级空转信号（010v模拟量），机车空模拟量），机车空转轮对与不空转轮对转轮对与不空转轮对的的转速差。转速差。 V2增加，则使增加，则使upg值相应减小。值相应减小。VL3：机车三级空转信号（：机车三级空转信号（+75v开关信号）。有效开关信号）。有效时，一方面使励磁斩波器导通比变为零，牵引发电机时，一方面使励磁斩波器导通比变为零，牵引发电机励磁电流降为零。另一方面，励磁电流降为零。另一方面， VL3每加入一次，经每加入一次，经0.5s延时后，延时后， upg 就相应降低就相应降低8.6%

36、；如；如VL3反复加反复加入，则入，则 upg 可持续降低。可持续降低。 当当VL3信号消失后，信号消失后， upg又按一定的斜率上升又按一定的斜率上升 （恢复功率）。（恢复功率）。VL4：机车四级空转信号（机车四级空转信号（+75v开关信号）。有效开关信号）。有效时，一方面使励磁机他励绕组接触器断开而使机车迅时，一方面使励磁机他励绕组接触器断开而使机车迅速卸载；另一方面，立即使速卸载；另一方面，立即使upg降低降低8.6% 。 实现有效电流给定信号实现有效电流给定信号uig的控制的控制正常情况下，正常情况下， uig = uig ；但当机车有空转信号；但当机车有空转信号（ V2、VL3、VL

37、4）加入时，加入时， uig将降低，控将降低，控制作用同上。制作用同上。109执行环节执行环节-晶体管斩波器励磁调节晶体管斩波器励磁调节 斩波器电路110定频调宽的调节作用定频调宽的调节作用 UFL平均平均=(ton/T)U0UFLUFLUFL111牵引发电机励磁电流牵引发电机励磁电流I IFL与调节信号的关系与调节信号的关系112机车牵引发电机车牵引发电机外特性机外特性113Microcomputer-based CHEC 微机控制恒功励磁系统微机控制恒功励磁系统n采用微机控制系统的特点采用微机控制系统的特点l易于实现多种信号的综合，实现复杂的逻辑控易于实现多种信号的综合，实现复杂的逻辑控制

38、以制以及各种特殊规律控制要求（逻辑与数值运算，最优控制，及各种特殊规律控制要求（逻辑与数值运算，最优控制，高精度、高品质、多功能控制等）高精度、高品质、多功能控制等）l系统硬件向软件转化，控制系统电路结构简单，调试方便，系统硬件向软件转化，控制系统电路结构简单，调试方便，成本较低成本较低l经合理设计，系统抗干扰性能提高，可靠性好经合理设计，系统抗干扰性能提高，可靠性好l便于实现机车运行参数的自动显示、储存及故障诊断与报便于实现机车运行参数的自动显示、储存及故障诊断与报警警l便于实现系统功能的改进、扩展便于实现系统功能的改进、扩展l良好的通用性良好的通用性114微机控制系统几个特殊的问题微机控制

39、系统几个特殊的问题n微机系统与控制对象的信息交换形式微机系统与控制对象的信息交换形式开关信号开关信号模拟信号模拟信号数字量数字量n采样周期采样周期s是微机（采样）控制系统十分重要的参数，通常根据被控对象的反是微机（采样）控制系统十分重要的参数，通常根据被控对象的反应快慢和动态性能要求来确定。一般应使应快慢和动态性能要求来确定。一般应使s10c,其中其中 c为模拟为模拟控制系统中开环剪切频率。控制系统中开环剪切频率。n抗干扰问题抗干扰问题微机控制系统的抗干扰设计极为关键，通常采用的主要措施包括：微机控制系统的抗干扰设计极为关键，通常采用的主要措施包括：硬件方面：硬件方面： 隔离，屏蔽，滤波，接地

40、处理技术等隔离，屏蔽，滤波，接地处理技术等软件方面：软件方面： 容错设计，软件滤波，容错设计，软件滤波，watch-dog技术等技术等115ND5机车微机车微机控制方案机控制方案硬件原理硬件原理框图框图116软件117DF6机车微机控制恒功励磁系统118东风东风11机车微机控制系统简介机车微机控制系统简介（参阅：戚墅堰机车车辆厂，东风11内燃机车 “电传动系统” 分册；中国铁道出版社，1996）119120东风东风11机车微机控制机车微机控制l具有微机和联合调速器控制两套恒功调节系统具有微机和联合调速器控制两套恒功调节系统l微机控制恒功调节系统（消化吸收微机控制恒功调节系统（消化吸收ND5系统

41、系统)通过斩波器直接对励磁机励磁进行调节（切除测速发电机通过斩波器直接对励磁机励磁进行调节（切除测速发电机CF1）高档位（高档位（7-16位）：发电机恒功率位）：发电机恒功率+辅助功率修正控制（通过功辅助功率修正控制（通过功调电阻位置信息对功率给定值进行修正）；低档位：只维持发调电阻位置信息对功率给定值进行修正）；低档位：只维持发电机功率恒定电机功率恒定功率、电流、电压加减速率控制功率、电流、电压加减速率控制l磁场削弱控制：磁场削弱控制：机车速度机车速度112km/h投入，投入，98km/h解除解除l电阻制动控制：电阻制动控制：高速恒制动电流，低速恒励磁电流控制高速恒制动电流，低速恒励磁电流控

42、制l空转空转/滑行保护控制（类似滑行保护控制（类似ND5)l运行状态显示、监测与故障诊断运行状态显示、监测与故障诊断121东风4（4D，4C，4B）机车微机恒功控制系统-LTQ-、励磁调节器简介（参阅内燃机车1998 NO2）122123124125第第9讲讲126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四、内燃机车电力传动装置参数四、内燃机车电力传动装置参数1、衡量机车牵引性能的主要指标、衡量机车牵引性能的主要指标q机车最大起动牵引力机车最大起动牵引力FQmax-对应牵引电机最大允许电流时的机车牵引力对应牵引电机最大允许电流时的机车牵引力q机车持续牵引力机车持续牵引力Fc

43、-牵引电动机在全磁场持续电流工作时发挥的牵引力牵引电动机在全磁场持续电流工作时发挥的牵引力q机车持续速度机车持续速度Vc-机车发挥机车发挥Fc时的速度时的速度q机车恒功速度范围及恒功最大速度机车恒功速度范围及恒功最大速度Vpmax-Vpmax是指机车发挥满功率时所能达到的最高恒功率运行速度是指机车发挥满功率时所能达到的最高恒功率运行速度 机车恒功速度范围有两种概念：整个恒功速度范围和持续运行条件下机车恒功速度范围有两种概念：整个恒功速度范围和持续运行条件下 的恒功速度范围。的恒功速度范围。 后者通常用机车恒功调速比后者通常用机车恒功调速比Kpv来表示：来表示： Kpv=Vpmax/Vc （2-

44、31）q机车构造速度机车构造速度Vg-一般等于机车最大速度。一般等于机车最大速度。 机车最大调速比：机车最大调速比：Kv=Vg/Vc （2-32）127恒功率控制下的主要调节参数及优化问题恒功率控制下的主要调节参数及优化问题n由（由（3-31）式，机车恒功调速比：）式，机车恒功调速比：Kpv=Vpmax/Vc =(UFPmax/UFde)(ADde/ADmin)(Dde/Dpmin) =KpuKhK =(Kh)(Kpu)/(Kbhmin) (3-33)nn 式中：式中：Kh为主电路换接比；为主电路换接比；n Kpu为牵引发电机调压比；为牵引发电机调压比；n Kbh为牵引电动机饱和系数；为牵引电

45、动机饱和系数；n min 为牵引电动机最深磁场削弱系数。为牵引电动机最深磁场削弱系数。n主要调节参数的限制及选择主要调节参数的限制及选择-系统设计的优化问题系统设计的优化问题128牵引电机的容积功率及牵引电动机的通用问题牵引电机的容积功率及牵引电动机的通用问题n牵引发电机的容积功牵引发电机的容积功率率PFRPFR =UFPmaxIFde=(UFPmax/UFde) UFdeIFde= KpuPFde (3-34)129n牵引电动机的容积功率牵引电动机的容积功率PDR及通用性问题及通用性问题 牵引电动机可以在额定转矩牵引电动机可以在额定转矩MDe和最高允许转速和最高允许转速nDmax以下以下 持

46、续运行持续运行 。 容积功率：容积功率： PDR = MDenDmax/9550 （kw） = (nDmax/nDe) (MDenDe/9550) =KvPDe （3-35）式中：式中： Kv = (nDmax/nDe) -电机最大调速比。电机最大调速比。 通用性问题：通用性问题：保持保持 MDe和和nDmax不变，电机可以通用在不变，电机可以通用在PDe 以上或以上或 以下的任何功率等级以下的任何功率等级上，此时电机并非工作在过载或欠载状态，其主要技术性能指标同样都上，此时电机并非工作在过载或欠载状态，其主要技术性能指标同样都得到了充分利用。但当提高额定功率得到了充分利用。但当提高额定功率P

47、De使用时，必然要相应提高额定转使用时，必然要相应提高额定转速速nDe，从而必将使机车调速比，从而必将使机车调速比Kv减小；反之，当降低额定功率减小；反之，当降低额定功率PDe使用使用时，则可以使机车调速比增大。时，则可以使机车调速比增大。130PDR131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五、交五、交-直型电力机车传动与控制系统直型电力机车传动与控制系统n电力机车供电电力机车供电n主电路结构与工作原理主电路结构与工作原理n辅助电路辅助电路1.控制系统与控制特性控制系统与控制特性1321. 电力机车的供电电力机车的供电电网电网 直流供电直流供电 DC750v、DC15

48、00v（接触网）（接触网） 交流供电交流供电 50/60Hz、单相、单相25kv （直接供电、（直接供电、BT、AT、CC方式）方式）交直传动电力机车交直传动电力机车： 受电弓受电弓主变压器主变压器相控整流器相控整流器 平波电抗器（电感）平波电抗器（电感）（脉流）牵引电动机（脉流）牵引电动机 1331342.电力机车主电路结构与工作原理电力机车主电路结构与工作原理n牵引电动机供电及其连接方式牵引电动机供电及其连接方式q集中供电、牵引电动机并联集中供电、牵引电动机并联（SS1，SS3）q部分集中供电、同一转向架牵引电动机并联部分集中供电、同一转向架牵引电动机并联（SS4，6G）q部分集中供电、同

49、一转向架牵引电动机串联部分集中供电、同一转向架牵引电动机串联（8K）q部分集中供电、不同转向架牵引电动机并联部分集中供电、不同转向架牵引电动机并联（6K）135a) 集中供电、牵引电动机并联（集中供电、牵引电动机并联（SS1，SS3）直流牵引电动机直流牵引电动机136 部分集中供电、同一转向架牵引电动机并联（部分集中供电、同一转向架牵引电动机并联（SS4，6G）137c) 部分集中供电、同一转向架牵引电动机串联（部分集中供电、同一转向架牵引电动机串联（8K）138d) 部分集中供电、不同转向架牵引电动机并联（部分集中供电、不同转向架牵引电动机并联（6K）139整流电路形式与工作原理整流电路形式

50、与工作原理n调压开关调压开关+二极管整流电路（二极管整流电路（SS1）n多段桥顺序控制（半控或全控桥）电路多段桥顺序控制（半控或全控桥）电路1401418K机车：机车：二段桥、无级二段桥、无级磁场削弱电路磁场削弱电路142 SS5机车：二段桥、无级磁场削弱电路机车：二段桥、无级磁场削弱电路143 SS4机车：三段不等分经济四段桥电路机车：三段不等分经济四段桥电路144 6K机车：三段桥、机车：三段桥、 复励牵引电动机电路复励牵引电动机电路145多段（半控）桥相控整流多段（半控）桥相控整流电路工作原理电路工作原理146单相单相 全控全控 和半和半控整控整流电流电路路147输出平均直流电压输出平均

51、直流电压全控整流平均输出电压：全控整流平均输出电压：Ud=Ud0cos(2-6-1)半控整流平均输出电压：半控整流平均输出电压：Ud=Ud0(1+cos)/2(2-6-2)式中：式中：为可控硅控制角为可控硅控制角Ud0为当为当为为0时的最大平均输出电压时的最大平均输出电压Ud0=(2/)UmUm 为输入交流电压最大值为输入交流电压最大值功率因数功率因数PF定义定义 PF=P(有功功率有功功率)/S(视在功率视在功率)=U1 1I1 1cos1 1/U1 1I全控全控 PF=(22/) cos(2-6-3)半控半控 PF=(2/)(1+ cos)/ (1- /) (2-6-4)半控整流半控整流P

52、F高于全控整流高于全控整流148 二段半控桥整流电路二段半控桥整流电路149第一段调压区运行第一段调压区运行 01， 2 =（第二段桥不开放）（第二段桥不开放）整流平均输出电压：整流平均输出电压：Ud=Ud0(1+cos1)/4(2-6-5) PF=(2 /)(1+ cos1)/ (1- 1/)(2-6-6)第二段调压区运行第二段调压区运行 02Fmax，轮轨间出现相对滑动，粘着状，轮轨间出现相对滑动，粘着状态被破坏态被破坏空转空转n粘着控制目的粘着控制目的 在保证不发生空转前提下，获得最大的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粘着利用率，使机车能发挥最大平

53、均牵引力175 粘着控制方法粘着控制方法n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，传统粘着控制方法一般过程如下：在检测到空转和滑行发生后，传统粘着控制方法一般过程如下： a.根据轮对间速度差，轮对加速度及加速度的变化率，检测空转或滑行的根据轮对间速度差，轮对加速度及加速度的变化率，检测空转或滑行的发生；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；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，直空转或滑行恢复后，

54、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至空转或滑行前电机转矩值的80%，并在一定时间内保持电机转矩不变；，并在一定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，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（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。）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

55、电机转矩以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，粘着利用率因而一般较低。利用率因而一般较低。 176n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现代粘着控制方法制方法 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

56、定的情况下，通过对电机速分，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，向电机控制系统发出正确的电机转矩指令，使机车能够转矩指令，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粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。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。 现代粘着控制方法的一个显著特点是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，从而能够获得较高点，并

57、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用率。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。法可以分为蠕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，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，从而自动地搜寻粘着峰值点。地搜寻粘着峰值点。177b. 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

58、：值点的判断和搜寻。值点的判断和搜寻。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)(1,000max178 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生异常空转发生时，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检测电路：变化。按检测的物理参数的不同可分为三种典型检测电路：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

59、电动机串并联连接方式）（牵引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 179 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，值值较大，检测电路灵敏较大，检测电路灵敏度较高。度较高。180 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

60、的检测电路空转信号电流近似为：空转信号电流近似为：i=RL(I IL4-I IL5)/r由串励电动机的速率特性（软特性）可知，在相同的转速差下，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，故此是检测电路灵敏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。度较高。181 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182ND5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