（光学工程专业论文）铁道客车发电机移动式试验设备应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了满足旅客乘坐舒适性不断提高的需求，铁路部门开行了各种新型客车， 各种新技术在客车上广泛使用，各种新设备如逆变器、充电机、集便器、制氧机 等不断在旅客列车上运用。然而，目前铁路仍然存在大量的2 2 、2 5 b 型4 8 v 直 供电客车。其供电系统是使用j 5 发电机供电系统，通过车端连接器将各节车厢 的j 5 发电机供电系统相连，形成整列车的供电系统，给列车各种用电设备供电。 由于j 5 发电机供电系统对保证旅客列车的正常运行起着极其重要的作用，因此 铁道部针对该系统制订了各级检修规程、技术条件和适用于各级检修规程的试验 要求，确保j 5 发电机供电系统正常维修和使用。 铁路各个车辆部门都承担着j 5 发电机供电系统的检修任务，每年有大量j 5 发电机供电系统需要维修。在车辆段整备库内对j 5 发电机供电系统检修装车后， 由于列车在整备库内并不运行，转向架车轴车端大皮带轮无法带动j 5 发电机转 动，因此无法对其进行装车后试验，就不能确定系统是否正常工作，不能判断列 车各部与j 5 发电机接线是否正确，也不能检查列车上部设备是否工作正常。列 车出库后，这些隐患在运行中极有可能导致j 5 发电机供电系统发生故障，存在 全列停电的危险。不仅对列车运行造成极大的安全隐患，严重时会导致车辆事故。 本文针对实际运用过程中j 5 发电机供电系统问题进行调研，结合客车整备 库内的作业环境、及作业条件和操作工具，总结出解决以上问题的方法是制作可 在客车整备所内对j 5 发电机供电系统进行运行模拟试验的移动式试验设备。 移动式试验设备包括可移动小车、机械升降机构、变频调速部分、控制计算 机、拖动电机及其与j 5 发电机进行连接的联轴器。该设备控制拖动电机带动j 5 发电机转动来模拟列车运行工况，同时显示相关工作状态。论文对各组成部分进 行了详细设计分析。 现场试用表明，本文所设计的移动式试验设备能够在列车出库前对j 5 发电 机供电系统进行试验，确保车辆供电系统无故障安全出库，为旅客列车安全运行 提供有力保障。 关键词：j 5 发电机供电系统：铁道客车；拖动电机；移动式； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fp a s s e n g e r s r i d i n gq u a l i t y , m i n i s t r yo f r a i l w a y sp u ta w a ya l lk i n d so fn e wt y p ep a s s e n g e rt r a i n sa n dm a n yn e we q u i p m e n t s a p p l yi n t h ep a s s e n g e rt r a i n s ，s u c ha s i n v e r t e r , b a t t e r yc h a r g e r , s e ti m p l e m e n t , o x y g e n a t o ra n ds oo n h o w e v e r , s of a ral o to f2 2 ，2 5 bt y p ep a s s e n g e rt r a i n sw h i c h u s e4 8 v d cp o w e rs u p p l ya r es t i l lu s e di nt h er a i l w a y t h e i rp o w e rs u p p l ys y s t e m u s e sj 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e m j 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e mo fe v e r y c o a c hi sl i n k e dt o g e t h e rt h r o u g he n do ft r a i nc o n n e c t o r , f o r m i n gt h ep o w e rs u p p l y s y s t e mo f t h ew h o l et r a i na n di tc a ns u p p l yp o w e rf o ra l lk i n d so fe l e c t r i ce q u i p m e n t s b e c a u s eo fj 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e mi se x t r e m e l yi m p o r t a n tt oe n s u r et h e p a s s e n g e rt r a i nr u n n i n gn o r m a l l y , t h em i n i s t r yo fr a i l w a y sf o r m u l a t e ss p e c i f i c a t i o n s ， t e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n dt e s tr e q u i r e m e n t sa td i f f e r e n tl e v e l st oe n s u r ej 5g e n e r a t o r p o w e rs u p p l yn o r m a lu s ea n dm a i n t e n a n c e e v e r yv e h i c l ed e p a r t m e n t sh a v et h er e s p o n s i b i l i t yt o o v e r h a u lj 5g e n e r a t o r p o w e rs u p p l ys y s t e m t h e r ea r eal o to f j 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e m sn e e dt ob e r e p a i r e d j 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e mi sr e p a i r e di nt h es e r v i c i n gc h a m b e ro f t h e d e p o t t h el a r g ep u l l e yo nt h ee n do ft h ea x l ec a n td r i v ej 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l y s y s t e mb e c a u s et h et r a i nc a n tm o v ei nt h es e r v i n gc h a m b e r i tc a n tt e s ta f t e ri n s t a l l e d o nv e h i c l e s oi tc a n tb ec o n f i r m e dw h e t h e rw o r kn o r m a l l yo rn o t i tc a n tb ej u d g e d w h e t h e rj 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e mc o n n e c t sw i t ho t h e rp a r t sc o r r e c t l y i ta l s o c a n tc h e c kw h e t h e ra l lt h ee q u i p m e n t so ft r a i na r ew o r k i n gn o r m a l l y a f t e rt h et r a i n g e t t i n go u tt h ed e p o t , t h e s eh i d d e nt r o u b l e se x t r e m e l yc a u s ej 5g e n e r a t o rp o w e r s u p p l ys y s t e mt ob r e a kd o w nw h e nt h et r a i nr u n n i n g i fi th a p p e n s ，t h e r ei st h er i s ko f p o w e rf a i l u r eo f t h ew h o l et r a i n t h ep r o b l e m so fj 5 g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e m i nt h ev i e wo fa c t u a l a p p l i c a t i o na r es u r v e y e d i nt h i s p a p e r c o m b i n e dw i t l lo p e r a t i o ne n v i r o n m e n t w o r k i n gc o n d i t i o na n dt o o l si ns e r v i n gc h a m b e r so fp a s s e n g e rt r a i n ，t h em e t h o do f s o l v i n gt h ea b o v ep r o b l e m si ss u m m a r i z e d t h es o l u t i o ni st os e tu pt h em o v a b l et e s t e q u i p m e n t w h i c hi su s e dt oj 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e mt e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h em o v a b l et e s t e q u i p m e n tc o n t a i n sam o v a b l ec a r t , m e c h a n i c a ll i f t i n g m e c h a n i s m ，c o n t r o lc o m p u t e r , d r a g g e dm o t o ra n dac o u p l e rw h i c hc o n n e c t st oj 5 g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e m t h i se q u i p m e n tc f l x lc o n t r o ls p e e do ft h ed r a g g e d m o t o rt os i m u l a t et h et r a i nr u n n i n gc o n d i t i o n ，m e a n w h i l ed i s p l a yt h er e l a t e do p e r a t i n g s t a t e t h i st h e s i sm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so fa l ip a r t s f i e l dt r i a ls h o w e dt h em o v a b l et e s te q u i p m e n tc 8 1 1t e s tj 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l y s y s t e mb e f o r et h et r a i nl e f ts e r v i n gc h a m b e r m a k es u r et h et r a i np o w e rs u p p l ys y s t e m s a f e t ya n d e n s u r et h ep a s s e n g e rt r a i nr u n n i n ga b s o l u t e l ys a f e t y k e yw o r d s ：j 5g e n e r a t o rp o w e rs u p p l ys y s t e m ；p a s s e n g e rv e h i c l e ；d r a g g e dm o t o r ；, m o v a b l e ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着科学技术的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对旅客列车安 全性、舒适性提出了越来越高的要求，空调旅客列车新型电气设备的大量使用 已成为一种趋势。但因为历史的原因及经济发展的过程，中国还处在经济快速 发展的初期，铁路仍然存在大量的2 2 、2 5 b 型客车，俗称“绿皮车”。在实际 使用过程中，这些2 2 及2 5 b 型客车全部使用j 5 发电机供电系统给车辆用电设备 供电，包括照明系统、电扇、水泵等。成都铁路局、贵阳车辆段的2 2 型及2 5 b 型客车调查统计如下说明。 ( 1 ) 成都铁路局在2 0 1 0 年客车配属有4 0 0 0 辆。其中2 2 型及2 5 b 型客车 1 3 4 2 辆，占全局客车配属的3 3 5 ，2 2 、2 5 b 型客车将在较长时期内大量运行 在铁路线上。 ( 2 ) 贵阳车辆段在2 0 1 0 年共配属客车9 8 5 辆，其中2 2 型车共2 0 6 辆，在 运用当中的有1 2 5 辆；2 5 b 型车共1 3 4 辆；在运用当中有1 0 6 辆。则2 2 、2 5 b 型车共配属3 4 0 辆，占总配属9 8 5 辆的3 4 5 。 ( 3 ) 贵阳车辆段2 0 1 0 年及2 0 1 1 年车辆厂、段修的数量统计。2 0 1 0 年共段 修2 2 、2 5 b 型车2 8 9 辆：2 0 11 年共段修1 5 2 辆，2 2 、2 5 b 型客车在两年间年平 均段修2 2 0 辆。2 0 1 0 年共厂修5 3 辆，2 0 1 1 辆厂修6 5 辆，年平均厂修5 9 辆。 因此存在年均5 9 辆的车辆厂修，及年均2 2 0 辆的车辆段修。 ( 4 ) j 5 发电机大修、中修数量及装卸车情况统计。随着车辆厂、段修的发 生，j 5 发电机供电系统就要进行相应的大、中修检修，所以每年平均存在j 5 发 电机供电系统大修、中修2 7 9 套，因此就有年均2 7 9 辆车的j 5 发电机供电系统 存在装卸车的情况。同时，在运用过程中，经常存在甩、挂车辆的情况，同样 存在大量装卸j 5 发电机供电系统的情况。也就是说，在进行车辆定期检修时存 在大量j 5 发电机供电系统装卸工作，运用过程中也同时大量存在。 在客车车辆段整备库内j 5 发电机供电系统装车以后，由于列车停留在客车 整备库内没有运行，转向架车轴车端大皮带轮无法带动j 5 发电机转动，所以无 法对j 5 发电机供电系统进行试验，无法得知该系统是否工作正常，各部配线是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 否连接正确无误。因此在列车出库以后，在列车运行当中j 5 发电机供电系统极 有可能发生以下各种各样的故障。 ( 1 ) k p 2 a 控制箱过压保护调整不当，造成r d 3 熔断器熔断，影响j 5 发 电机发电。如果过压调整值过高，j 5 发电机将处在高压运行状态，j 5 发电机的 定子绕组将可能烧损，引起客车火灾。 ( 2 ) k p 2 a 控制箱电压调节器调节不当。电压调得过低，j 5 发电机将在低 电压大电流的工作状态下工作，容易造成电机励磁绕组及定子绕组烧损。 ( 3 ) j 5 发电机轴承故障，造成电机转动卡滞，引起轴承高温，进一步可能 引起车辆火灾，同时也有可能导致电机转子脱出，造成车辆配件脱落的事故。 ( 4 ) 整流箱二极管故障，造成j 5 发电机无法正常发电。 ( 5 ) 客车配线故障，造成j 5 发电机无法正常工作。 以上故障皆可能造成整个列车车辆供电系统无法正常供电，存在列车全列 停电的危险；同时存在由于j 5 发电机系统故障引起电气火灾的重大隐患。 因此本文重点调查j 5 发电机实际工作过程，通过总结经验，认为只有在j 5 发电机供电系统装车后进行转动模拟负载试验，才能够检查j 5 发电机供电系统 在不同转速下是否能够正常工作，同时检查j 5 发电机供电系统及客车电气配线 是否工作正常，这样才能大大减少j 5 发电机供电系统发生以上故障的可能性， 并进一步确认车上电气设备是否存在故障。据此，本文设计了用于检测j 5 发电 机供电系统的移动式试验设备，可在停车状态下对j 5 发电机供电系统进行转动 试验。该设备可满足车辆供电系统的转动模拟负载试验的实际使用需求，对确保 车辆供电系统正常工作，保证列车安全运行具有较好的工程实践意义。 1 2 国内外铁道客车发电机试验设备和技术现状 为了满足铁路客车的实际使用要求，确保旅客列车的安全运行，国内外的 铁路客车发电机供电系统都有相应的试验技术和试验设备。 1 。2 。1 国外发电机试验设备和技术现状 随着铁路运行速度、运行安全和可靠性要求的不断提高，国外铁路客车采 用了比较先进的发电机试验技术，针对不同类型的发电机研制了各种各样的发 电机试验设备。各种发电机试验设备一般采用以下结构如图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 1 发电机试验设备基本结构 试验设备包括整流部分、变频调速部分、计算机控制部分、拖动电机部 分、负载箱。工作原理是利用计算机控制变频调速部分，从而控制拖动电机的 转速，实现对试验对象的模拟负载试验。试验台能够利用计算机控制拖动电机 的转速并进行工作状态显示，同时计算机通过传感器可以记录试验对象的电 压、负载电流、一转速等试验对象的各种参数，还可记录、保存和打印。 国外的各类试验设备一般安装在一个试验间中，将试验对象安装在“固定” 的试验台上。如日立公司在1 9 8 3 年生产的v e c t r o l t 【4 q 系列试验设备采用了 电压型p w m 逆变器，匹配2 2 0 7 5k w 电动机；三菱公司在1 9 9 7 生产的应用于 风机和水泵等试验的m e l t r a c m 系列试验设备都是采用固定在地面的安装方 式。国外各个厂家所使用的变频调速部分主要采用s p w m ( 正弦脉宽调制) 、矢 量控制、直接转矩控制等变频调速技术，采用电压型和电流型逆变器系列，其 中以电压型为主，同时匹配标准拖动电机。德国v & b 英特模拟测试技术有限公 司在2 0 0 7 年生产的电机试验测试系统【4 7 】如图1 2 所示，主要组成部分包括计算 机控制部分、拖动电动机和试验对象安装台、变频调速器、传动部分、负载 箱。具有空载测试、负载测试、短路输出测试、耐久性测试、性能测试、电机 绝缘性测试、堵转测试、电磁测试、噪声及振动测试、下线检测等功能，其主 要优点是针对试验对象能够较好地完成各种功能的试验，达到检测试验对象的 要求，功能较多、性能良好。但由于具体试验要求不同，该设备不能进行移 动，不能对现场的试验对象进行试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 2 德国v & b 电机试验测试系统 1 2 。2 国内发电机试验设备和技术现状 随着国内铁路科学技术的不断发展，目前在针对发电机拖动试验设备方面 也采用了许多先进的计算机控制技术，同时也相应的采用了不同的调速技术， 通过计算机、变频器及相应的配套电子电路来实现对发电机的试验。 在国内发电机拖动试验设备中，也大量采用了交流变频调速技术。在2 0 0 0 年刘超设计了针对客车j 5 发电机进行负载试验的试验台【2 6 】如图1 3 所示。其主 要由8 0 c 1 9 6 k b 控制计算机、触摸屏、d a 和a d 转换器、变频器、传感器、 电动机、整流箱、负载箱等组成。 图1 - 3 发电机控制系统试验台框图 该j 5 发电机试验台以8 0 c 1 9 6 k b 单片机为控制核心，可以控制电动机的正、 反转，同时单片机通过d a 转换器输出模拟信号给变频器，控制电动机的转速， 电动机则通过皮带带动j 5 发电机转动。通过传感器、a d 转换器实时采集发电 机三相输出电压、输出电流、整流输出电压、负载电流、充电电流、模块温度等 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 参数，通过触摸屏显示器实现试验参数的设定和实时显示试验数据；保存和打印 试验结果。其通过脉宽调制器件t l 4 9 4 控制i g b t 的通断，来改变电动机电流的 大小以实现负载的连续调整。外围设备主要包括电动机、蓄电池组、负载箱、被 测发电机、控制箱、整流箱等。电动机采用三相异步电动机，利用变频器实现交 流变频调速，达到控制转速的目的，蓄电池组用来模拟车上的蓄电池。其主要实 现的功能就是将j 5 发电机供电系统进行整体的试验，并将有关试验数据进行保 存及打印。该试验设备的优点在于可以较好地对j 5 发电机供电系统进行试验， 采集有关的试验数据并记录保存，但整套试验设备是安装在试验间里，无法进行 移动，不能在j 5 发电机供电系统装车以后，在股道间对其进行试验。 国内也有采用仿真技术的试验设备，如在2 0 0 0 年翟国富、王淑娟设计的j 5 发电机试验设备【2 7 1 。其系统的硬件构成包括由p c 5 8 6 工业控制计算机为核心的 中央处理器、隔离型a d 和d a 转换卡、隔离温度采集卡、隔离型i o 卡、电 磁继电气输出板、变频器、电压变送器、电流变送器、温度传感器等，其硬件结 构框图如图l - 4 所示。 图1 - 4j 5 型发电机仿真试验系统 其主要工作原理是工业控制计算机p c 5 8 6 c p u 通过控制i o 卡输出来控制变 频器“正”或“反 转，并通过d a 卡输出模拟信号给变频器来控制发电机转 速。c p u 通过a d 卡实时采集发电机三相交流电流、三相交流电压、负载电压、 负载电流、整流箱中6 个大功率二极管的温升。同时把所有的仪表虚拟到计算机 屏幕上，配合特殊设计的硬件和应用软件，形成试验台特殊的仪表功能。该试验 设备的优点是采用了工业控制计算机对变频器进行较好地控制，达到较好地转速 控制要求，同时可以采集有关试验数据并进行记录保存。但同样存在设备不能进 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 行移动的缺点，不能满足在j 5 发电机供电系统装车以后进行试验的实际使用需 求。 根据铁道部铁辆【1 9 9 2 18 5 号客车车电装置检修规程的规定，j 5 发电 机供电系统必须采用专用的地面试验台进行检修试验，如在贵阳车辆段使用的 j 5 发电机系统试验台是2 0 0 5 年武汉昌茂工业公司生产的，其主要组成部分包括 以计算机为控制核心的控制台如图1 5 、变频器如图1 - 6 和j 5 发电机及拖动电机 安装台如图1 7 、负载箱如图1 8 、传感器等。 图1 5 计算机控制台图1 - 6 变频器 图1 7j 5 电机及拖动电机安装台图图1 8 负载箱 该试验设备的主要功能是通过计算机控制变频器的输出，从而控制拖动电 机的转动，拖动电机通过皮带带动j 5 发电机转动满足负载试验的要求。计算机 通过数据采集卡对j 5 发电机的三相交流电压电流、负载电流、整流箱6 个大功 率二极管的温升进行数据采集，并形成试验报表保存、打印。该试验设备能够 较好地满足j 5 发电机供电系统的试验要求，对j 5 发电机供电系统自动进行负载 试验并自动采集试验数据保存并记录、打印，但由于设计初衷是在室内进行试 验，设备无法进行移动，不能在1 5 发电机供电系统装车以后对其进行试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 发电机试验的调速方法 为了满足发电机在不同转速及扭矩工况下的试验需要，对发电机进行试验 的设备中，通常采用了直流调速或交流调速两种调速方法，通过计算机控制核心 对拖动电机进行转速控制，达到对发电机进行试验的目的。调速性能是整个试验 设备的关键技术。在实际应用中也采取了各种控制手段，如恒压频比、恒功 率、转差频率控制、矢量控制、和直接转矩控制等控制方法。 1 3 1 直流调速方法 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要 求，从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动 机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性的交叉点，使电动机的稳定 运转速度发生变化。 从2 0 世纪9 0 年代以后，世界各大电气公司都竞相开发数字式调速传动装 置，经过2 0 年的发展，直流调速已经发展到很高的技术水平，控制方式采用电 源换相或相位控制等，特别是采用了微处理器及其他先进电力、电子技术，使 数字式直流调速装置在调速精度的准确性、控制技术的优良性和抗干扰的性能上 有了很大的提高和发展，在国内外得到了广泛的应用。直流调速的试验方法中 各种拖动电机调速系统和试验设备大部分采用的技术是使用单片机进行控制， 同时使用p w m 脉宽调制技术，结合有关a d 、d a 转换和数字电路来设计整个 试验系统。 直流调速系统是采用的直流电动机，而直流电动机的速度控制既可采用电 枢控制法，也可以采用磁场控制法。磁场控制法是采用控制磁通的方法，但其 控制功率较小，低速时受到磁极饱和的限制，高速时又受到换向火花和换向器 结构强度的限制，而_ r e h 于励磁线圈电感较大，造成动态响应较差，所以在实 际工业生产过程中常采用的方法是电枢控制法。电枢控制法是在励磁电压不变 的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机转速。传统的改变电 压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速 的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经 济效益低，而且转速越低能耗越大。随着电力电子技术的发展，出现了许多新 的电枢电压控制方法，使用晶闸管整流器进行相控调压和脉宽调制( p w m ) 调 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 压方法，具有平滑度高，能耗少，精度高等优点，其中p w m 脉宽调压方法得 到了广泛的使用，其基本原理是利用一个固定的频率来控制电源的接通和断 开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即通过改变直流 电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速， 因此“p w m ”控制装置又被称为“开关驱动装置”。 1 3 2 交流调速方法 交流变频调速试验方法是采用了有关交流变频技术及三相异步调速电机为 拖动电机的试验技术。交流电机具有制造成本低，运用安全可靠，环境适应性 强等优点，更好地适应于更高压、更高速、更大容量的发展方向。 随着电子电力技术的发展，在上世纪9 0 年代初期，变频调速装置主要采用 晶闸管等元器件，其装置的效率、可靠性、成本、容量体积等均不能与直流调 速装置相比较，但随着电子器件g t o 、g t r 等构成的变频装置的出现，交流调 速系统性能得到很大地提高和发展。随着新型i g b t 、i g c t 、i e g t 、s g c t 等 变频调速装置的进一步发展使用，以及电子电力器件的模块化设计制造，如 i p m 智能化模块、a s p m 功率器件模块的大量涌现，使得交流变频系统装置的 性价比越来越高，交流调速系统变得越来越普遍。 1 3 3 调速控制技术的发展概况 较早期的变频调速系统采用的控制技术有恒压频比( 矽，厂- c ) 控制方式，该 控制方式是转速开环控制，不具有转矩控制功能。异步电动机的每极磁通正比 于电动势与频率比点泸5 1 ，在进行频率调节时，若能保持e l f 不变，也就可以保 持磁路的一定饱和程度，这样可以充分利用电机的铁磁材料，充分发挥电机转 矩的能力。缺点是调速系统性能不高，其控制曲线随着负载的变化而变化，转 矩响应慢，低速时由于定子电阻等原因而性能下降，稳定性较差，限制了传动 系统的带负载能力，因此该种控制系统比较适用于风机、水泵等负载。 为了进一步提高系统的动、静态性能，采用了转差闭环控制系统。该系统 中设置了一个频压函数变换器，在额定频率以下的低速区，使电动机端电压与 定子频率成正比变化，经过修正的力矩给定值，函数发生器产生给定的转差频 率。该种控制方法控制睦线更为平滑，控制系统更为稳定。但是，这种系统设 计时，只采用了近似的动态结构图和稳态等效电路、稳态转矩公式进行分析，为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 此不得不设置一些假定条件，因而设计结果与实际使用有一定的差距，其动态 性能不够理想。 随着现代控制理论和控制技术的发展，一种模仿直流电机控制的磁场定向 矢量控制技术取得了重大进展，并已在许多变频调速系统中应用。德国人 b l a s c h k e 和e c c u s t m a n 、a a c l a r k 在1 9 7 2 年提出了“矢量控制理论”和“电 机定子电压坐标变换川6 6 1 ，矢量控制理论的基本原理是根据异步电机的数学模型 理论，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流以、 i 8 、i c 通过三相两相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流矗1 、雄1 ， 再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流 如j 、矗，如果观察者站在铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流 电机，原交流电机的转子总磁通9 2 就是等效直流电机的磁通，m 绕组相当于直 流电机的励磁绕组，j 相当于励磁电流，t 绕组相当于伪静止的电枢绕组，矗j 相当于与转矩成正比的电枢电流，既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流 电机，那么，模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相应的 坐标反转换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流( 代表磁动 势) 的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系 统，或称矢量控制系统。该种控制方法较好地提供了系统的静态、动态性能， 但系统对控制器的处理速度、处理能力要求较高。 在进行矢量控制研究发展的同时，也出现了其它的控制方法如直接转矩控 制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 。由于旋转坐标变换较复杂，而直接转矩控制通过测 量电机定子电压和电流，使用“瞬间空间矢量理论”计算电机的磁链和转矩， 并根据与给定值比较的差值来实现磁链与转矩的直接控制。这种控制方法，省 掉了复杂的矢量坐标变换，控制方法结构简单，转矩响应比较迅速，具有较高 的静态和动态性能。 1 4 本文研究的主要内容 目前，铁道部要求客车j 5 发电机系统在进行大、中修时必须按照铁辆 【1 9 9 2 8 5 号客车车电装置检修规程的标准进行。在将j 5 发电机供电系统 卸下车辆以后，在专门的试验间检修，利用专用的试验台进行试验，对其各种 性能及参数进行检测，并将测试结果记录和打印、保存。而在j 5 发电机供电系 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 统做完大、中修以后准备装车时；或是在现场股道列车中甩下车辆后，重新在列 车中挂上新车，准备给车辆装配j 5 发电机供电系统时，没有相应的试验设备对 己装上车辆的j 5 发电机供电系统进行测试，没有办法了解和掌握j 5 发电机供电 系统的工作状态，其与车辆的配线是否连接正确也不能确定，车辆上部的电气设 备也无法进一步检查。只有等到列车开行以后，在运行中才能检查j 5 发电机供 电系统的工作情况，这时一旦发生问题将束手无策，给运行安全产生极大的危 害。 为此本文在分析了国内外拖动试验设备的基础上，设计了可移动式试验设 备，主要包括以m s c 5 1 为控制核心的计算机控制部分、变频器部分、系统机械 支撑结构、移动小车、拖动电机、显示屏等。为了该系统更好地在客车整备库内 的实际环境中使用，进行了机械方面的创新，将该系统中的计算机控制部分和 变频器、拖动电机、显示屏安装在移动小车上，操作者更加方便地将小车推到股 道问，对j 5 发电机供电系统进行运行模拟负载试验。 本文使用电流闭环控制技术，采用了变压变频装置f v v v f ) ，并设计了移动 式拖动试验设备，设备包括整流、滤波、变频器、i g b t 的驱动和保护电路等， 还设计了包括过压欠压保护、过流保护、故障保护等保护电路。 将制作好的移动式试验设备运用到实际车间班组生产过程中，较好地满足 了j 5 发电机供电系统的运行模拟负载试验，减少j 5 发电机供电系统装车以后的 故障率，取得了较好的使用效果，更好的为运用列车服务；同时也减少发生事故 的可能性，进一步保证列车运行安全。同时使用该系统的工作原理，可以制作 不同容量的拖动电机系统，应用于其它需要拖动的工作环境，从而拓展了整个 系统的应用范围，具有较强的工程实践意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章移动式拖动试验设备整体方案设计 为了进行移动式试验设备的方案设计，本章首先需要对运用对象一j 5 发电 机供电系统的工作原理进行说明，以便在设计中根据其工作原理及工作环境确 定所使用的控制方法，进一步确定移动式拖动电机试验系统的机械结构和电气 原理的整体设计方案。 2 1j 5 发电机供电系统的组成和特性 我国铁路2 2 、2 5 b 型客车主要采用轴驱式供电方式。所谓轴驱式就是发电 机的转动是由转向架车轮车轴运转时，借助于传动装置驱动的。成都铁路局采用 的是j 5 发电机供电系统。j 5 发电机供电系统由安装在车下的j 5 发电机( 如图 2 1 ) 、安装车上的k p 2 a 控制箱( 如图2 2 ) 和整流箱( 如图2 3 ) 组成。 图2 一l 安装在车下的j 5 发电机图2 2k p 一2 a 控制箱实物图 图2 3 整流箱实物图 j 5 发电机供电系统基本结构原理框图如图2 4 所示。j 5 发电机的驱动是由 车轴转动通过皮带来完成的。发电机输出的三相交流电经整流箱三相桥式整流后 分成二路：一路向蓄电池充电；另一路向负载供电。发电机不发电时，负载所 需的能量由蓄电池组提供。图2 2 中的k p 2 a 控制箱的作用是检测整流输出电 压信号并与控制装置中的基准电压进行比较，将比较后的差别电压信号通过控 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 制环节去调节发电机激磁电流的大小，保证发电机在负荷增减，车速快慢变化 时，输出电压都能稳定在整定值范围内。 图2 4j 5 发电机供电系统 ( 一) j 5 发电机 j 5 发电机主要由机座、端盖、转子、定子、激磁绕组和电枢绕组等组成。 j 5 发电机电压主要受到发电机转速( 以) 、发电机的负载电流( ，奠) 、发电机的 激磁电流( ，蘑) 的影响。图2 5 为j 5 发电机空载与负载两组特征曲线。其主要 技术参数如下。 额定功率5 k w 额定电压4 5 v ( 交流) 额定转速8 5 0 - 3 7 0 0 r m i n 频率85370hz 相数3 相 定子内径 1 8 2 m m 定子外径 2 8 0 m m 定子长度2 2 0 m m 转子直径 1 8 1m m 转子长度2 3 2 m m 转子齿数 6 气隙05 m m 气隙磁通密度0 6 3 2 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 9 0 8 0 7 0 6 0 s 0 4 0 3 0 2 0 1 0 = ：2 的羞f 2 ；巧；乏= o ，i 形曩i 沁 形身鼋5 气乃砖e s 6 # ，l z 浓；i1 ”i 嬲 y 嬲i 驴 i ( 0l2 3 4 5 67 l8 91 u 图2 5 发电机空、负载特性曲线 ( 二) k p 2 a 控制箱 k p 2 a 一控制箱是客车供电系统中进行发电机自动调压的控制装置。它与j 5 发电机配套使用，构成了客车j 5 发电机供电系统。k p 2 a 控制箱由主整流回路、 激磁回路、测量回路、触发器、限流充电、起激回路和过压保护等回路组成。其 主要电路图如图2 - 6 所示。 图2 - 6k p - 2 a 控制箱电路原理图 k p 2 a 控制箱的主要参数如下。 三相交流输入线电压 三相交流电频率 4 5 ；v 8 5 0 7 0 h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 直流输出电压5 8 圭2 v 额定直流电流85a 充电电流整定值3 5 4 5 a 过压保护整定值6 3 6 5 v ( 三) 整流箱 整流箱主要由d 1 - d 6 六只大功率二极组成，电容器c 5 、c 6 、c 7 为滤波电 容。其主要作用是将j 5 发电机发出的三相交流电整流成直流，同时进行滤波。 交一直流供电装置的主整流回路的工作情况如图2 7 所示。主整流器输出的直流 电流经分流后加到负载与蓄电池组。 1 _ 咽 r d 一r o 一r _-_-_ 一 一 i 、 一t 一 = 一 q k p m v ，、，叽 l 卜i l ，。r 丝二弘 7b 一 2 pf ，1 6 吖 一 一磊a =一 d r d |rd l【 ，拦l 躺 j 5 “_-_-_ 图2 7 交一直流供电装置的主整流回路 主整流器装在整流箱内，自动激磁调节器及其他部分装在k p 2 a 控制箱内。 j 5 发电机供电系统接线方式如图2 8 所示。 配屯盘 蓄电滟 图2 8j 5 发电机供电系统接线图 2 2 移动式试验设备整体方案设计 在充分考虑实际使用环境和现场需要的基础上，移动式试验设备必须满足 可以在客车整备库内股道间进行移动的基本需要，同时满足j 5 发电机的速度使 用范围，并具有速度的显示和正反转试验功能。 匹南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 移动式试验设备总体设计框图见2 - 9 所示。 图2 - 9 移动式试验设备总体设计框图 移动式试验设备主要由计算机部分、机械承载部分、变频器部分、拖动电机 组成o _ 计算机部分输出控制信号给变频器，变频器控制拖动电机的转动，拖动电 机带动j 5 发电机进行转动，同时拖动电机的工作状态又反馈到计算机，计算机 根据实际情况按照程序进行调节控制变频器，形成完整的闭环控制。整套设备设 计安装在推动小车上，方便实际使用时将试验设备在客车整备库内股道间进行 移动。拖动电机可以进行上下的移动，以便于联轴器较好地与j 5 发电机进行连 接。同时，推动小车要具有较好的稳定性，所以使用螺栓对支架进行调节，并 在推动小车的轮轴与车体之间增加减振簧，这样可以较好地减少设备在工作时 所产生的振动。计算机控制部分和变频器、显示屏也安装在移动推车上，可以满 足对速度控制和显示的需要。电源采用股道问电源箱里的3 8 0 v a c 交流电源。 2 2 1 机械部分方案设计 基于设备的具体使用环境考虑，本文设计的移动式试验设备由以下几个部 分组成： l 、框型钢架 框型钢架是移动式拖动电机试验系统主要的承载部分，可以将计算机控制 部分、变频器、拖动电机、显示屏固定在钢架上，同时设计推动钢架的把手，并 在框型钢架的下部设计三个橡胶滚轮，前端两个可以支撑设备移动，后部设计一 个可以转向的滚轮，总体设计成可以移动的推车。这样试验设备可以方便地从 库房移动到客车整备库股道旁，并方便地在股道间进行移动。 2 、联轴器 为了让拖动电机带动j 5 发电机转动，两者之间需要设计合适的联轴器，保 证两者间的可靠连接。 一 一 磊一 r：h：- 一 -ih。一磊喜| 。i 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 、电源制式 将设备电源制式设计成可以利用股道间的电源给设备供电的方式。根据j 5 发电机和拖动电机的容量计算，设计选择相应直径的电缆线，连接地面电源箱 和拖动试验设备，同时，移动小车上应有电缆线收放装置。 4 、设备固定螺栓、减震簧 框型钢架需要有可靠的机构进行支撑和固定，并在设备通电转动时进行较 好地减振。为了使设备能平稳工作，在设备后部两侧设计可以调节高度的支架， 使用调节螺栓可以调整支架高度，这样可以保证系统在一个相对水平的工作面 上进行工作。同时设计减振簧，在拖动电机进行转动的时候，尽可能地减少整 套设备的振动。 5 、升降机构 在试验时需要将拖动电机轴与j 5 电机轴调平，因此需要设计拖动电机的升 降机构。拖动电机在面对j 5 电机轴向的平面内设计为可以进行上、下垂向调节 高度。在拖动电机的轴向可以不设计移动机构，因为该小车可以在轴向向前或 向后推动，以适应具体场合的需要，同时不用设计在左右方向的移动机构，因 为该小车可以在左右方向自由的推动，所以本文将拖动电机设计在垂向可以进 行调节的升降机构上，以便适应j 5 发电机的具体实际位置。 6 、拖动电机 根据j 5 发电机的容量计算拖动电机的启动转矩和额定转矩、额定功率，并 根据j 5 发电机的转速范围要求确定拖动电机的转速要求，从而选择满足实际使 用要求的拖动电机。 2 2 2 电气控制部分方案设计 随着电力电子技术，计算机技术的不断发展，变频调速技术也得到了飞速的 发展。对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类；按照调速方法可以 分为交流调速方法和直流调速方法两种。考虑到本文设计的移动式拖动试验设备 的实际使用环境和使用要求，采用简单控制方法。 在直流调速系统中，直流电动机的磁场( 励磁) 电流和电枢电流可以分别控 制，其起动、调速性能和转矩控制特性比较理想，并容易获得良好的动态响应。 然而，直流电动机的结构复杂，存在电刷接触式的换向器，它不仅工艺复杂，体 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 积及重量大、价格昂贵，而且在运行中，很容易产生换向火花甚至发生环火现象， 故障率高，不便于维护。由于换向及环火这一类问题的存在，则要求电动机换向 片之间的电压不能过高，因而使得直流电动机的设计容量和高速时的利用功率受 到限制。 在交流调速系统中的三相交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，由于其转子 上没有换向器，根本不存在换向火花及环火等问题，因此，它的结构简单、运行 可靠，能达到更高的转速。交流电动机与直流电动机相比较，具有如下特点。 ( 1 )容量大，这是电动机本身的容