交流传动机车的控制系统.docx

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1、第三节沟通传动机车的限制系统对于铁路牵引，要求传动系统依据确定的限制方式（如恒力矩和恒功率）运行，同时又要不断地进行加速或减速。为了保证机车牵引系统有较高的静态限制精度和动态稳定性，机车上通常接受闭环限制系统在任何一个传动系统中，速度和转矩值通常被认为是两个重要的被调量。限制转矩，有两种方法：一种是由相关联的其它物理量作为给定信号，并检测这些量的实际值作为反馈信号（如电压、定子电流和转差频率），来有效地限制电机的转矩；另一种是利用检测的或计算的转矩作为反馈信号，与给定的转矩作比较，产生转矩调整器的输入信号，来干脆限制传动系统的转矩。前者已广泛的应用在各种沟通传动机车和动车组上；后者也称为干脆力

2、矩限制，它是迄今为止最佳的限制方法，已经在机车上接受。交直交变频调速系统经过近十多年来的发展，出现了许多形式，例如，电压、频率协调限制的变频调速系统，转差频率限制的变频调速系统，谐振型变频调速系统，矢量限制的变频调速系统和干脆转矩限制的变频调速系统等0一、转差频率限制的沟通传动系统目前，在铁路牵引的沟通传动系统中，大都接受脉宽调制（PwM）逆变器，这种逆变器的特点在于：当限制系统给定电压*和频率*时，PWM信号生成单元限制逆变器的输出总能保证电动机气隙磁通*接近恒值，这就满足了关于恒磁通限制的要求。依据*,转矩T只取决*的值，假如系统能合适的限制*以及*随*的变更规律，就能使电动机依据要求的运

3、行方式限制力矩。如图*所示的系统限制结构，是已经在一些机车和动车组上接受的实例。从基本特征来看，它是一种由电压型逆变器供电并具有电流反馈的转差闭环的双闭环限制系统。从司机室送出的给定转矩*信号，一路通过*函数发生器产生给定的转差频率*，它与反馈的转速信号*相加得*（牵引）或想减得*（再生制动），确定了逆变器输出电压频率。考虑到恒转矩对磁通*的要求，系统中设置了一个电压函数发生器，其函数关系为，*是考虑零速度旁边对定子绕组压降的补偿。给定转矩信号*的另一路经过电流函数发生器转换成电流给定信号*,与实际测得的电流比较后，经电流调整器得偏信号*，和*合成后得电压限制信号取*,其中*反映电流反馈限制的

4、影响。当实际电流给定电流，使*增加；反之，*减小。在*的组成中，*所占的比重大，可以保证电压和频率按线性关系调整。转差频率限制除应用于电压源逆变器传动系统外，还较多地用于电流源逆变器传动系统。电流源转差频率限制的运行方式与电压源相同，即：从零速度到额定速度为恒转矩运行区；在额定速度以上，电机端电压保持恒定，进入恒功运行区，当电动机以恒转矩运行时，其先决条件是磁通恒定，或者说须要激磁电流Im恒定。但IIn不是一个独立变量，它与定子电流11与转差频率*之间存在确定函数关系。图*所示是接受转差闭环限制的电流限制的电流源异步电机传动系统。在该系统中，由于电流反馈取自中间直流回路，又因为*与*成正比，所

5、以*和*之间存在与*和*之间类似的函数关系。在系统结构图中，转速偏差信号经速度调整器和确定值电路处理，产生电流给定信号。电流反馈信号，一路追踪，并经电流调整器后去限制系统电流;另一路由人函数发生器得出转差频率确定值，由*加转速反馈信号，得频率限制信号*。另外，当转速偏差信号为正时，转差频率有正符号，系统处于牵引状态；反之，转差频率为负符号，系统处于制动状态二、矢量限制的沟通传动系统以沟通电动机作为系统的传动单元，关键是电磁力矩的产生与限制，前述的转差频率限制系统，就是依据电压（或电流）和转差来限制电磁力矩的。但转差频率限制的变频系统，其限制方式是建立在异步电动机稳态数学模型的基础上的，其动态性

6、能不够志向。随着现代限制理论及限制技术的发展,一种仿照直流电机限制的矢量限制系统取得了重大的进展，并已在许多变频调速系统、铁路干线机车（如西班牙的5252机车）和高速动车（如德国的ICE动车）上得到应用。在图4一18所示的限制系统中，通过转速传感器将电动机的实际转速信号田检测出来与给定转速信号矿进行比较，转速偏差信号山经速度调整器SR产生力矩给定值T,而转速信号山送到磁通函数发生器必F,该发生器在基速以下供应恒定的转子磁化电流给定值（恒力矩运行区），在超过基速后实现磁场减弱（恒功率运行区）。由给定力矩丁和给定转子磁链扩通过磁链视察器平M计算出给定电流弓，、瓜1和给定转差角频率矿，与实测得的转速

7、信号山相加得定子角频率信号山：，经积分得到同步旋转坐标系和静坐标系（轴系）之间的角位移尹，利用向量分析器VA可得Sin尹和CoS尹。把*和*送入向量旋转器VR后，可得*,再经“2/3”坐标变换，得*,与通过电流互感器检测的三相定子电流*进行比较，偏差信号*作为PWM逆变器的三相限制信号。三、干脆力矩限制系统干脆力矩限制是在矢量限制和电流跟踪限制的基础上发展起来的，它解决了矢量限制系统中须要困难的坐标变换和限制性能易受参数变更影响的问题。干脆转矩限制是目前最先进的高性能沟通限制策略之一。该方法是干脆在电机定子侧计算磁链树和力矩T,借助两点式调整器（BarDBanD限制）产生PWM信号，干脆限制逆

8、变器的开关状态，把磁链和力矩限制在某一给定的容差内。该限制系统线路简洁，有最佳的开关频率和最小的开关损耗，并能获得良好的动态调速性能，所以电力机车常接受这种系统。1 .干脆转矩限制的原理异步电动机的干脆转矩限制理论是建立在异步电动机的动态方程上的。当忽视空转阻力矩时，异步电动机的运动方程可表示为式，T为电磁转矩，*为负载转矩，J为电动机转动惯量，*为转子机械角速度（*,D为转子直径，n为转子转速）。依据上式，调整转速可以通过调整电磁转矩来实现。而*（*为定子磁链，它是磁通*与定子匝数*的乘积，即*；*为定子电流；K为常数），故在定子磁链不变的状况下，调整电磁转矩可以通过调整定子电流来实现。依据

9、电动机电压方程式中，*为定子电压，*定子电阻。在定子磁链不变的状况下，*,所以，调整定子电流可以通过调整定子电压来实现。综上所述，在保持定子磁链不变的状况下，通过调整定子电压即可调整电磁转矩，从而达到调速的目的。2 .干脆转矩限制交直交变频调速系统的原理图4一19所示为干脆转矩限制交直交变频调速系统的原理框图。该系统主要由主电路和限制系统两部分组成。主电路的工作原理是：电网单相沟通电经主断路器送入变压器主绕组，经降压从二次侧输出单相频率不变的沟通电，经整流器整流成直流电，再由逆变器转变为频率可调的三相沟通电，输送给三相异步牵引电动机。限制系统的工作原理是：三相异步牵引电动机经3/2变换，转变为

10、二相沟通电机，由电流互感器检测出两相电流*,和*,由电压互敢器检测出两相电压*和*,一起送入定子磁链模型，输出磁链*和*,再合成为定子磁链料，与给定定子磁链试进行比较，输出差值信号*,经磁链滞环调整后送入开关状态选择*和*;经转矩模型输出转矩T,给定转速成与经过转速传感器TG检测出来的转子实际转速山进行比较，输出的转速差值信号经转速调整器转变为转矩给定信号T,T与T进行比较，输出转矩差值信号经转矩滞环调整后送入开关状态选择，最终由开关状态选择去限制逆变器中功率开关的导通状态，通过调整电压矢量的大小达到调整牵引电动机转速的目的。图4一19干脆转矩限制交直交变频调速系统的原理框图干脆转矩限制的核心

11、思想是通过不同时刻给出不同的电压矢量，以限制定子按确定幅值的正六边形磁链轨迹运行并限制其旋转速度（请读者参阅有关资料），在机车限制级的限制下，即可按干脆转矩限制的思想限制牵引电动机的输出力矩，使机车获得预期的牵引特性。目前.，干脆转矩限制已经成功地应用于奥地利的1822型和瑞士的460型电力机车。国产*型沟通传动内燃机车也接受了干脆转矩限制方式。四、沟通传动电力机车的限制系统Ac4o00沟通传动电力机车有两套独立的电子限制装置，具有机车级限制、四象限变流器限制、异步牵引电机环限制、速度闭环和逆变器限制、系统爱惜等功能，图4一20机车限制原理图1 .机车级限制机车级限制包括电平转换、解锁逻辑、特

12、性限制及防空转限制。考虑到机车限制系统系统化、系列化的要求，机车级限制接受了MICAS微机限制系统，系统结构如图421所示。其软件功能包括机车特性限制、防空转限制、电机损耗估算和逻辑解锁。特性限制单元接收到司机操作台送出的手柄信号后，按机车特性的要求以及机车运行状态进行调整，生成力矩给定值姨。司机操作台送出的开关叮嘱信号经电平转换分别送入解锁逻辑、特性限制、速度闭环限制以及脉宽调制等功能单元，叮嘱各功能单元按指令工作。解锁裸机负责机车有触点限制与电子限制装置的逻辑接口，依据机车状态及指令限制主断路器、充电接触器、沟通器等的投入和切除。2 .四象限变流器限制系统机车牵引时，四象限变流器把50HZ

13、电网电压变换成直流电压供应牵引逆变器；制动时，把中间直流电压逆变成50HZ沟通电压反馈给电网。限制系统的任务是使中间直流回路电压恒定为2800v,并使输入电流与网压同相（牵引时）或反相（再生制动时）。限制原理框图见图4一220图4一22四象限变流器的限制原理框图为了削减电网电流的谐波重量，机车上的4台四象限变流器相位依次相互错开90”。再生制动时，上述作用方式没有什么变更，只是因为能量必需反馈到电网，所以电压调整器的输出最终是负值。3 .牵引电动机闭环限制系统20世纪80年头末，国外已先后开发出矢量限制和干脆力矩限制两种高动态限制系统，并成功地应用于沟通电传动机车异步牵引电动机的调速限制。但高

14、动态限制系统须要有高响应速度的变流装置及高速信号处理器。限于相关元器件的国产化水平并借鉴某些成熟的限制技术，我国生产的第一台AC4000型沟通电力机车接受转差一电流限制的闭环系统，如图4-23所示。图4-23牵引电动机闭环限制系统一乘法器；一功率调整器；O一加法器；一转差函数发生器;一电流函数发生器；一空载电压生成环节；一电流调整器；一电流信号处理环节从该限制结构的基本特征来看，这是一种接受速度外环和电流内环的双闭环限制系统。为了补偿系统运行时电机的损耗，系统设置了一个功率闭环。从系统的限制功能和信号妙理过程来看，该系统事实上包含两个部分：系统限制功能的实现；电机速度信号的检测与处理。其工作原

15、理简要说明如下：（1）系统限制功能的实现。如图4一23所示，由特性限制单元（来自司机限制台）的给定力矩信号峡与电机速度反馈信号尤相乘，得出电动机的给定输出功率，加上逆变器和电机损耗设定值护后，得到送入电机的功率给定值*,所得结果与中间回路实际反馈功率几比较，送到功率调整器PI,调整器的输出和力矩给定值姨相乘，对力矩给定值进行修正，得到电机力矩的给定值力。系统中的单元为转差函数发生器，依据力矩信号和转速信号生成转差频率信号fz,fz和转速反馈信号石叠加后，得到逆变器输出电压的频率信号*；单元为电流函数发生器，依据力矩信号和转速信号生成电流给定值信号万，将实际值*和*一起送入电流调整器单元，其输出矶可作为电机电压动态调整信号。依据限制方式的要求，系统设置了电压/频率比函数发生器，由频率信号厂可得到电压调整量信号U1。，然后*和U1。通过加权相加得到电机电压限制信号ul，。最终将厂和可送入逆变器的限制单元，实现了转差一电流闭环限制的运行功能。（2）速度信号的检测与处理。在转差闭环限制系统中，电机速度信号是一个关键的量，要求接受高精度和高辨别率的检测装置。目前普遍接受的是速度脉冲传感器。在AC4000型沟通机车上，每台异步牵引电动机的非传动