电传动控制技术_5_电子控制_1_.ppt

1、北方交通大学 电气工程学院,电力牵引控制技术,相控机车电子控制系统,机车控制系统主要作用,调节（分配）机车牵引力、制动力； 调节速度； 故障检测与诊断； 辅助系统的控制； 防空转、防滑行； 无功功率补偿； 各种保护等。,6G电子控制系统,6G：恒流单闭环自动控制系统,6G：转向架控制 牵引制动控制,6G机车控制基本过程,给出指令信号 e0 基准电流组件 IRef 给定积分器 限制电流的上升率和下降率 比例调节器 避免机车发生空转 电流限制环节 限制电机的最大电流 电流调节器PI eC 连续调节器 UC1 UC2 晶闸管触发系统 RM1 RM2,基本电路原理,晶闸管触发系统：,一、交直叠加移相电

2、路,阻容移相,单结晶体管移相,功率不大的整流装置 触发系统不经脉冲变压器,直流与交流叠加移相,锯齿波与直流叠加移相,大功率电力机车 触发系统经脉冲变压器,交直流电压串联叠加移相,R、L、C串联谐振：u L和u C相互抵消 u R = u,结论：电流可以用改变电阻R值的方法来调节 电流改变了，电容的端电压也变化,1. 同步电路 串联谐振电路 6G,u网 = umsint,u网,同步变压器,u1(反相),串联谐振电路,uc(滞后u190),ur(实际超前网压90),R、L、C兼有滤波作用,同步电路,RLC串联谐振电路 特点：,改变电阻R可以调节电容的端电压 电容的端电压UC比电源电压滞后90 从电

3、容端取输出电压RLC电路起到滤波作用,采用同步电压和可调直流电压相叠加,ur：同步余弦电压,uc：直流控制电压,ub = ur + uc = Urmcost + Uc,6G：ur = 7.5cost,uc = +7.5 -7.5V,2. 交直叠加移相电路,当 u c= 7.5V u b= 7.5cost + 7.5 = 0 cost = 1 t = 180,当 u c= 0 u b= 7.5cost + 0 = 0 cost = 0 t = 90,当 u c= - 7.5V u b= 7.5cost 7.5 = 0 cost = 1 t = 0,结论：当u c从7.5V变到7.5V时，u b=

4、 0的相位从180变到0,交直叠加移相电路的特点：,优点：主电路输出电压Ud与控制电压Uc具有线性关系,ur和uc相交时：Urmcos = Uc, cos = Uc / Urm,半控：Ud = Ud0 ( 1 + cos ) / 2, Ud与Uc具有简单的线性关系,全控：Ud = Ud0 cos,缺点：电源电压波动和波形畸变会影响控制角的变化,脉冲形成电路,二、脉冲形成及整形电路,脉冲形成：,输入端为低电平：T4截止 T6导通 无输出脉冲,输入正脉冲：T4导通 T6截止,C充电：+24V R28 C9 R30,输出一个正尖脉冲,12：换相角限制 在换相期间不会有触发脉冲产生,脉冲整形电路 单稳

5、触发电路,脉冲整形：,当无输入信号时：T10导通 T8截止 无输出脉冲 C充电完毕 左+右,当输入尖脉冲信号时：T8导通 D11截止 T10截止 输出高电平,C放电再反向充电：+24V R46 T8 右+左 D11导通 T10导通 T8截止 输出低电平,结论：输出矩形脉冲的宽度和幅值与输入脉冲的形状和幅值无关,6G触发脉宽1.5ms,防止换流期间，晶闸管不导通，造成整流电压中断,换流期间： D1、D2、T1同时导通 T2的阳极电压为零,6G：换相角限制环节 正限制电压发生器,三、换相角限制环节,换相角限制电路,换相限制工作原理：,当A点的电压从正变为负，B从负变为正时： T1截止 T2延时导通

6、 T3延时截止 12输出正信号,当A点的电压从负变为正，B从正变为负时： 换相期间，T1仍截止 T2导通 T3截止 12仍维持输出正信号,当A点的电压从负变为正，B从正变为负时： 换相结束，T1导通 T2延时截止 T3延时导通 12输出负信号,具有脉冲信号 足够的电流电压 触发脉冲宽度 触发脉冲与主电路电源电压同步 触发脉冲的移相范围应满足要求,晶闸管触发脉冲的基本要求：,四、脉冲功率放大电路,脉冲放大电路,脉冲放大工作原理：,T12的基极有触发脉冲：T12导通 T14导通,当T14导通时： 电容C放电 形成16V尖峰电压 电容电压低于24V 稳压电源输出2.9V电压,给定积分器 限制电流上升

7、率与下降率 上升时间6S 下降时间1S 比例调节器 避免大电流指令区机车发生空转 e0 : 0 50% IREF 0 75% 1.5 e0 : 50% 1 IREF 75% 1 0.5 电流限制环节 Ud : 0 900V Id : 1650A 1400A,五、基准电流形成电路,基准电流变化率调节环节,工作原理分析：,A01：比例调节器 A04：倒相器 A02：积分器,当e0加入正信号： A01负饱和输出-15V D3导通 D3 P2 R16 C I0线性上升 与e0相抵消A01脱离饱和 上升速度取决于时间常数R16、C2,当e0加入负信号： A01正饱和输出+15V D4导通 D4 R15

8、C I0线性下降到0 下降速度取决于时间常数R15、C2,非线性环节,非线性环节工作原理分析：,I0 ：0 5V IREF = 1.5 I0 0 -7.5V I0 ：5 10V IREF = 0.5 I0 -7.5 -10V,将电位器P4的C点电压调整在7.5V,当| IREF | 7.5V D点电位为正 D6截止 放大系数K1取决于R23和R20 K1= R23 / R20 = 100 / 66.7 = 1.5,当| IREF | 7.5V D点电位为负 D6导通 放大系数K1取决于R23、R24和R20 K1= R23/R24 / R20 = 0.5,基准电流信号的限制环节 T1 A05,

9、ec ：电机电压信号,当A03的输出的负电压的绝对值比A05输出的正电压大时： T1导通 限制A03的输入电流 使输出的基准电流信号降低,当A03的输出的负电压的绝对值比A05输出的正电压小时： T1截止 A05的输出电压决定基准电流的限制界限,六、两段桥连续控制,6G：RM1 RM2 UC1和UC2决定 晶闸管的触发角 -7.5V +7.5V,工作原理分析：,ec = 0 5V 牵引电 机端压0 450V 第一段半控桥工作 UC1 = 7.5V - 7.5V 1 = 180 0 UC2 = 7.5V 2 = 180 闭锁,ec = 5 10V 牵引电机端压450V 900V UC1 = -

10、7.5V 1 = 0 满开放 UC2 = 7.5V -7.5V 2 = 180 0,工作原理分析：,R32 = 3 R33 UP2 = UP3 = -7.5V,A03：,A04：,换相重叠角： 第二段半控桥提前投入工作 UP2 = -7.5V UP3 = - 6.5V,8K机车电子控制系统,8K机车控制系统,8k机车的引进，使我国电力机车设计技术水平上了一个新的台阶,电子控制插件板,SS4型电力机车控制系统,两手柄： 电压指令手柄 给定电机端压 电流指令手柄 给定电机电流,可实现恒流 和恒压控制,8K型电力机车控制系统,8K机车控制系统：双闭环控制系统 内环是电流环恒流无静差调速系统 外环是速

11、度环准恒速控制系统,控制流程：司机手柄指令器 特性控制器 牵引制动转换开关 给定积分器 调制器 传输总线 解调器 最大值限制器 防空转滑行装置 PI调节器 移相触发系统 整流电路,两级控制：机车控制 转向架控制,一、特性控制：单手柄特性控制器,顺时针转动： 牵引工况 分011级 逆时针转动： 制动工况 分011级,单手柄级位：n 电流指令 ：I = 200 n (A) 速度指令 ：v = 10 n (km/h),手柄在4位：起动电流为800A 平直道 ：牵引力 阻力 V= 38km/h 牵引力=阻力 稳定运行,9%0 ：牵引力 阻力 手柄必须在第6位才能起动,牵引特性曲线形成电路,假设A处断开

12、： A1： IA1 = K1I0 K2v,A2： IA2 = I0,V456 、 V458 最小值选择器,制动特性曲线形成电路,假设A处断开： A3： IA3 = K3v K4I0 + C1 A4： IA4 = C2 V584 、 V591 最大值选择器,二、积分延时电路,-15V,+15V,积分电路工作原理：,A5：放大倍数很大 工作在饱和区 A6：积分器,1. 当IS1突升后，A5输出负饱和 V462 V461阻断 V460 V463导通 -15V R180 R184 C 输出电压IS2为正 直线上升 时间常数为 = RC = ( R184 + R180 ) C74 = 6.6(S),2.

13、 当IS1突降后，A5输出正饱和 V462 V461导通 V460 V463截止 +15V R177 R182 C 输出电压IS2直线下降 时间常数为 = RC = ( R182 + R177 ) C74 = 2.8(S),三、晶闸管触发系统,信号形成电路,控制过程：,注意：,d0 d保证晶闸管承受正向阳极电压才允许获得触发脉冲 1. 保证移相电路有足够的复位时间 2. 在网压过零附近，晶闸管正向阳极电压太低或有不稳定的毛刺时不应施加触发信号,A：全波整流电路,A1、A2构成全波整流电路 网压正半周：A1负 A2正 网压负半周：A1正 A2负,B：积分电路,LM139：电压比较器 1. RU没

14、有脉冲 场效应管截止 给电容C充电 t= U 达到最大值,2. 加入RU负脉冲 场效应管导通 使C迅速放电 形成余弦信号,C：网压峰值记忆回路,每半周内，U 达到最大值时：,输入网压过零信号ds 比较器输出高电平 场效应管导通 UC = U 电压跟随器 UF,D：d形成电路,Ue：直流控制电压 UF -U：同步信号电压,当Ue UF -U 时： d 输出高电平,E：有源滤波,A714：滤波器 50Hz有源带通滤波器 LM139：过零比较器,F：d0 d ds RU 形成电路,工作原理：,单稳电路74HC4538：当同相触发端A有一上升沿触发 反向端B为高电平时，Q输出一脉冲信号 脉冲宽度由RC

15、决定 = K RC 1 = 700s 2 = 20s,U 比较器 方波 逻辑电路 RU 、d0、d、ds,脉冲移相控制电路,三段连续控制,1段：Ue1/UF1= 10 d1对T11和T13进行相控 1=1800 Ue2/UF1= 0 2=0 T12和T14接近二极管运行 Ue3/UF2= 1 半控桥封锁 Ue4/UF2= 1 削磁桥封锁,2段：Ue1/UF1= Ue2/UF1= 0 全控桥满开放 Ue3/UF2= 10 半控桥投入工作 Ue4/UF2= 1 削磁桥封锁,3段：Ue1/UF1= Ue2/UF1= Ue3/UF2= 0 全、半控桥满开放 Ue4/UF2= 10 削磁桥进行相控 4=

16、1800,再生制动：工作在第二象限 Ue2/UF1= 10 对全控桥进行逆变控制 d3改由Ue4/UF2控制：调节半控桥控制角从1800,脉冲形成与放大电路,工作原理总结, 输入高电平 V160导通 V161导通 V162截止 V163导通 触发脉冲 输入低电平 V160截止 V163截止 脉冲消失 V160发射极串有二极管：抗干扰作用 电容C103：加速V161或V162的导通和关断 缓冲电路：抑制对其他电路的电磁干扰 减少功放管的关断功率 过电压吸收电路：防止功放管关断过程中因线路 杂散电感产生较高的尖峰电压击穿功放管,电子控制插件板,输入输出 作为机车蓄电池回路和电子电路之间的接口，对进

17、出电子柜的信号进行隔离。 特性控制 形成牵引制动指令，再经过积分缓冲、附加限制后，形成电机电流指令； 附加限制包括对牵引指令的粘着限制，对制动指令的最大制动电流限制和高速换向限制； 轴重转移电气补偿。 转向架控制插件 组成：电枢调节器，磁场调节器，限制环节，反馈信号处理； 作用：根据电流指令与电机电流反馈信号在电机电枢调节器上进行综合调节。,电子控制插件板,脉冲形成、脉冲放大； 保护逻辑； 牵引变压器次边过流，牵引电机过流，励磁过流 电路板在位，超速等 防空砖、防滑行控制； 无功功率补偿； 调制解调； 开关电源； 其它：转换控制、电压给定，频率变换等。,微机控制系统, SS9,1987年：开始

18、研究 1991年底：SS40038机车试运行 1993年底：通过部级技术审查 1996年底：部级鉴定 1997年：批量生产,我国发展概况,微机控制交直传动电力机车： SS8 SS9 SS7D SS7E TM1 DDJ1 春城号电动车组 SS3B,基本结构,车载微机的发展历程,车载微机的发展可分为三个阶段： 以单一功能或单一设备的测控为目标的初级阶段； 以一节车厢（机车、车辆）内的全部可编程设备为对象（例如一台机车的全部控制设备）的中级阶段； 集整列列车内部测控任务和信息处理任务为一身的高级阶段。,SS9机车控制系统简介,SS9型6轴客运电力机车采用微机控制，SS9型微机控制系统是在SS8基础上

19、设计的； 微机柜的外形尺寸：771(长)486.5(宽)1000(高)mm； 微机控制装置采用柜体、插件箱、插件的三层结构； SS9微机柜的控制方式类同SS8，实现机车的牵引/制动特性控制、空转/滑行保护、列车供电控制、空电联合制动控制等基本功能，具有初步的故障监控、故障记录和高、低压自检功能。,硬件特点,微机控制装置以插件箱为基本单元，每个插件箱独立控制1个转向架，即一层插件箱控制端转向架，二层插件箱控制端转向架，一层与二层插件箱布线稍有不同，不能互换。 一、二层中对应位置的插件相同，插件可以互换，但同一插件箱中的数字输入输出A、B插件由于内部跨接矩阵不同而不能互换。,插件箱中的插件配置,控

20、制插件箱的硬件框图,模拟信号输入输出,模拟输入信号：司机控制器的给定电位器指令信号、电压/电流传感器的反馈信号、速度传感器反馈信号、制动缸压力传感器反馈信号等，分别经相应的信号调整(或处理)电路，送A/D采样； 模拟输出信号：计算机输出的数字控制量，经D/A转换输出8路模拟信号，如机车速度表信号(V0)。,数字量输入输出,外部数字输入信号：经带过压吸收的光电隔离数字输入电路送CPU的内部数据总线； 内部数字信号：通过无隔离的通用数字输入/输出通道用于插件箱内部各插件间的连接。既可以用作输入，又可以用作输出，根据不同的应用通过跨接矩阵灵活设置，大大增强了数字量输入/输出的通用性； 数字输出信号：经继电器隔离输出数字控制信号，如过载跳主断等； 脉冲输出信号：脉冲控制器根据SBC送来的移相控制信号控制晶闸管的触发时刻和触发位置，实现牵引/制动的调速控制。,采用三级分级结构,人机对话级：主CPU为80486，实现人机对话功能，采用TFT彩色液晶显示屏； 特性控制