电力机车控制

电力机车控制第1页/共39页第一章绪论第一节动车组牵引传动系统组成第二节动车组牵引特性及控制策略第2页/共39页第一节动车组牵引传动系统组成一、动车组牵引传动系统的组成及作用电力牵引高速列车的供电、牵引传动系统，包括从变电站到列车受电弓在内的供电部分和动车组本身的传动系统。第3页/共39页介绍AT、BT供电方式第4页/共39页BT是英文BoosterTransformer（吸流变压器）的字头缩写。这种供电方式将原边、副边绕组匝数比1：1的吸流变压器串联接入牵引供电网的接触线和回流线中，每隔数公里设置一台吸流变压器。第5页/共39页由于吸流变压器的作用，迫使负荷电流沿回流线流回牵引变电所，而不经由轨道和大地，这样就大大减轻了列车牵引电流对通信线的电磁干扰作用。第6页/共39页然而这种BT供电方式结构复杂，投资大，特别是接触线串联接入吸流变压器原边的地方有断口。受电弓通过断口时会产生很大的电弧易烧损受电弓和接触线，影响到列车的高速运行。第7页/共39页AT是英文AutoTransformer（自耦变压器）的字头缩写。自耦变压器（AT）供电方式牵引网以2×25kV电压供电，并在网内分散设置自耦变压器降压至25kV供电力牵引用。与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电压反相的“正馈线”，构成2×25kV馈电系统。第8页/共39页自耦变压器变比为2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，特别适用于高速和重载电气化铁路。第9页/共39页第10页/共39页从动车组的发展过程来看，动车组的传动方式主要包括交－直传动方式和交－直－交、交－交的传动方式。第11页/共39页交－直－交牵引传动系统主要由受电弓、牵引变压器、四象限整流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统等组成。第12页/共39页交流传动技术卓有成效的发展，一方面是由于功率半导体和变流技术的进步；另一方面取决于日臻完善的控制方法和控制装置。功率半导体技术：SCR，GTO，IGBT，IPM.控制方法：VVVF，矢量变换控制技术，直接转矩控制技术，无速度传感器技术等等。第13页/共39页二、能量变换及其技术实现图1-3给出了交－直－交牵引传动系统的能量传递关系。列车牵引运行是将电能转换成机械能，能量变换与传递的途径如图1-3黑色箭头所示；再生制动运行是将机械能转换成电能，能量变换与传递的途径如图1-3白色箭头所示。第14页/共39页制动情况：日本新干线0系高速列车采用电阻制动，100系高速列车采用电阻制动和涡流制动，300系和700系高速列车采用再生制动和涡流制动，500系高速列车采用再生制动。由于交流传动系统的诸多优点，20世纪80年代以来世界各国所研制的高速列车均采用交流传动技术。第15页/共39页第16页/共39页第17页/共39页三、动车组牵引方式动力分散型，以日本为代表。动力集中型，以欧洲为代表。定义及历史原因第18页/共39页第19页/共39页动力集中型高速列车必须注意两个问题：（1）动力轴的质量必须提供牵引力所需的粘着力。（2）动力轴的质量又不能过大。欧洲铁路网规定的高速列车的最大轴重不超过17吨。粘着系数值为：低速启动时：0.2100km/h时：0.17200km/h时：0.13300km/h时：0.09矛盾与解决办法：增加动力转向架的数量。第20页/共39页动力分散型高速列车（1）列车按需要由若干个单元组成。如2M，2M1T，2M2T，3M1T，4M。例如：CRH1编组形式：2M1T,2M1T,1M1T.CRH2-200编组形式：2M2T,2M2T.CRH2-300编组形式：2M1T,2M1T,1M,1M.（2）该动车组轴重小，牵引动力大，启动加速快，驱动动轴多，容易实现高速。第21页/共39页动力集中与动力分散之间的特点：（1）牵引总功率和轴功率（2）最大轴重和簧下质量（图见下页）（3）黏着利用（4）制动（5）制造成本（6）维修费用第22页/共39页两轴车和带转向架的车辆第23页/共39页动车组转向架第24页/共39页四、动车组供电牵引系统发展概况自1964年高速铁路开通以来，动车组从直流传动发展到交流传动，未来开发300km/h以上高速动车组采用动力分散是目前世界的发展趋势。（1）1964－1980年初期采用交－直传动例如日本的0系、100系、200系，法国的TGV-P，意大利的ETR450。第25页/共39页（2）20世纪80年代末－90年代初采用交流电动机驱动。法国开始采用交流同步电机，后来采用交流异步电机；日本、德国采用交流异步电机驱动。鉴于逆变器技术和交流电机控制技术的进步为采用异步牵引电动机驱动提供了条件。因此，交－直－交传动并采用异步电动机驱动是高速列车牵引传动系统的发展主流。第26页/共39页大功率交－直－交传动系统性能的提高与电力半导体器件的发展密切相关。应用于铁道牵引的电力半导体器件大致经历了晶闸管、GTO、IGBT三个发展阶段。60年代初研制的0系列车采用牵引变压器次边抽头，二极管整流调压方式；80年代，晶闸管技术成熟，100、200、400系高速列车均采用相控调压方式；90年代，GTO技术成熟，交流传动开始取代直流传动，300、500、700系均采用该技术；随着IGBT、IPM的出现，E2和700系开始采用这些器件。第27页/共39页交－直－交变流技术，特别是交流牵引电机的控制技术，是高速列车牵引技术的核心，而逆变器又是其中的关键，其中包括下列三项主要技术：（1）电力半导体器件；（2）交流电路的结构性能；（3）交－直－交传动的控制技术（由网侧变流器控制和电机侧逆变器控制两部分组成）。第28页/共39页高速动车组牵引传动系统采用的新技术主要表现在以下几个方面：（1）新型全控电力电子器件的应用（2）牵引变流器PWM控制技术（3）列车驱动控制技术矢量控制系统和直接转矩控制系统。第29页/共39页第二节动车组牵引特性及控制策略一、动车组牵引特性图1－5和图1－6分别为两种牵引特性曲线，它们代表了两种不同的设计思想。其中图1－5的牵引特性曲线具有一定的普遍意义。它分为两段（1）小于92km/h，准恒转矩；（2）大于92km/h，恒功率区。第30页/共39页图1－6的牵引特性曲线分为4段：（1）低速启动时有较大的牵引力；（2）23～115km/h之间输出力矩随速度的增加而迅速下降；（3）115～200km/h保持较平的力矩特性；（4）200～300km/h之间输出恒功率。第31页/共39页

动力牵引车的牵引特性曲线通常被分成恒力矩区和恒功区。恒力矩是通过控制变流器的输出u／f实现的；恒功通常是调频不调压，牵引电机工作在磁场削弱状态。在恒力矩区与恒功区的交点，变流器输出为满电压，即为VVVF的终点。第32页/共39页

假定恒转矩区的终点速度为v1，恒功区的终点速度为v2，当VVVF终点速度时，牵引电机的质量最小，如图1-7所示；终点速度的设定直接影响电力机车的牵引性能以及变流器、牵引电机和控制装置的设计。一般终点速度取大于v1时，可以减少牵引电机的最大磁通，从而减少铁芯的尺寸和质量，使牵引电机的质量更小；但启动电流相对增大，对变流器所使用器件的性能和冷却要求就越高，变流器的质量会增加，有可能导致主电路系统的质量增加。因此，综合考虑牵引电机和变流器后，VVVF的终点最好设定在v1与v2之间。第33页/共39页二、动车组牵引系统控制策略对于传动系统性能来说，重要的是选择合适的控制方法。对于铁路牵引用的电压源型逆变器供电的变频传动系统，制定基本控制策略的出发点可概括为3点：1.通过对变流器输出的适当控制，使电动机在零速度到基速的这个范围内，接近恒定磁通工作状态，而在基速以上的范围内，以一个固定的端电压工作。第34页/共39页2.系统或部件的过载或故障必须通过控制来处理，而不是随意增加设计容量或加大尺寸。3.尽可能降低损耗，提高系统效率。为了实现既定的控制策略，可实行开环控制和闭环控制。输入量：直流参考电压，输出量：速度和力矩第35页/共39页交流电机控制力矩的两种方法：直接力矩控制法和间接力矩控制法(DTC)。直接力矩控制法：利用测定的或估算的力矩值作为反馈信号，与给定力矩进行比较，产生力矩调节器的输入偏差信号。间接力矩控制法：由给定力矩信号产生与力矩相关联的其它物理量作为给定信号，并测定这些物理量的实际值作为反馈信号。如把气隙磁通、滑差频率或定子电流的控制环结合在一起，也可以有效地控制电动机力矩。第36页/共39页三、牵引变流器与牵引电机的参数匹配要使高速列车交流传动系统的优越性得到最大限度的发挥必须合理匹配牵引变流器和牵引电机。列车牵引特性一般分为两个区段：即从0~vN的恒牵引力(恒力矩)区，以及vN~vmax的恒功率区。在恒力矩区，要求逆变器的辅出保持Us/fs=const，fsl=const（fsl为转差频率），启动时适当提高U的恒磁通控制方式；在恒功率区，牵引电机工作在弱磁工况，有Us＝const，S＝fsl/fs＝const和Us2/fs＝const，fsl=const两种不同的控制策略。因此，不同的运行工况、不同的控制策略对牵引变流器和牵引电机的要求均有差异，变流器与电机的容量有许多种不同的组合。根据应用要求，使系统整体性能最佳、费用最低是选择变流器与电机容量的优化目标。对于列车牵引系统而言比较典型的有3种匹配方案。