（电力电子与电力传动专业论文）机车整车试验台电气同步调速系统的仿真及微机控制.pdf

p i 调节控制。同时，在硬件和软件方面进行了相应的抗干扰 设计。 基于微机控制的整车试验台电气同步调速系统，简化了控 制电路设计，提高了系统的可靠性。本系统已在实验室完成了 硬件电路设计和软件调试。 关键词：整车试验台，电气同步，系统模型，微机控制 l i 垄夏至望奎兰銎主芏竺笙兰 t h em i c r o c o m p u t e r c o n t r o l a n d s i m u l 觚l o no fw h o l el o c o m o t i v e t e s t _ r i ge l e c t i u c a ls y n c h r o n i z a t i o n s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h e s y s t e m s t r u c t u r ea n d o p e r a t i o n p r i n c i p l eo f w h o l el o c o m o t i v e t e s t r i g t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di s t h ew h o l el o c o m o t i v et e s t r i go fs s 8 t y p ee l e c t r i c a ll o c o m o t i v ei n s h i j i a z h u a n g e l e c t r i c a l p o w e rl o c o m o t i v e m a i n t e n a n c es e c t i o n a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f t w o k i n d so fe l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o ns p e e dr e g u l a t i o nm o d e s ，t h i s p a p e rp r e s e n t s a n e x c i t i n g c u r r e n t s i n g l e c l o s e d l o o ps p e e d r e g u l a t i o n s c h e m eo f q u a s i - c o n s t a n ts p e e dl o c o m o t i v e ，w h i c h s c h e m eh a sr a i l w h e e lr o t a t i o n a ls p e e ds y n c h r o n i z a t i o nr e g u l a t i n g s e g m e n t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d n i 北京交通大学硕士学位论文 w h o l el o c o m o t i v et e s t r i gd r i v es y s t e m ，p a p e rh a sb u i l ts y s t e m m o d e la n ds i m u l a t e di t b y m a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t s m a n i f e s t e dt h es p e e dr e g u l a t i o ns c h e m ew a sf e a s i b l e t h ee x i s t i n gc o n t r o lc i r c u i ti ne l e c t r i cd r i v i n gs y s t e mo fw h o l e l o c o m o t i v et e s t r i gi ns s 8t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v ei sa r t i f i c i a l c i r c u i t c o m p l e xs y s t e ma n dm o r e d e v i c e sd e c r e a s et h er e l i a b i l i t y o ft h ew h o l es y s t e m i na l l u s i o nt ot h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h ep a p e r d e s i g n s a d i g i t a l e l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o ns p e e dr e g u l a t i o n c o n t r o lp l a t f o r m i ti st h ef i r s tt i m et oa d dm i c r o c o m p u t e r c o n t r o l i nw h o l el o c o m o t i v et e s t r i go fs s 8t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v ea n d a c c o m p l i s ht h ed e s i g na n dd e b u go f c o n t r o lc i r c u i t t h es o f t w a r e w r i t t e ni nc l a n g u a g er e a l i z e se x c i t i n gc u r r e n ts i n g l ec l o s e dl o o p p i r e g u l a t i o n a tt h e s a m et i m e ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c e d e s i g ni s a d d e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l l e d e l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o n s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mh a ss i m p l i f i e dc o n t r o lc i r c u i td e s i g na n d i m p r o v e d t h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h eh a r d w a r e d e s i g na n d s o f t w a r e d e b u g o fs y s t e mh a db e e nf i n i s h e di nl a b 1 v ! ! 塞窒望查兰堡主堂壁笙壅 k e yw o r d s ：w h o l e l o c o m o t i v e t e s t r i g ， e l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o n ，s y s t e m m o d e l ， m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l v 北京交通大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着我国铁路运输高速重载技术的发展，对机车运行的安全性和可 靠性提出了越来越多的要求。铁道部机车段修规程规定：“中修机车应进 行单程不少于5 0 k m 的正线试运”。 由于京广线等主要干线的客货运输十分繁忙，目前北京铁路局京广 线同开行列车5 7 对，运行间隔8 分钟，安排中修机车正线试运的难度越 来越大，从而使机车库停时间延长，影响机车周转。而且正线试运通常 是单机空载运行，难以全面考验机车的功能和进行参数检测。为保证机 车检修后的运行安全，适应铁路跨越式发展和大面积提速要求，建造适 用于机务段电力、内燃机车集静态试验、动态试验( 正线试运) 于一体 的整车试验台势在必行。 整车试验台具有不占用线路、不受气候影响、可重复再现机车工况、 反复测试机车在不同条件下的性能、参数等优点。建造整车试验台的意 义如下： 1 、进一步提高机车检修质量，确保铁路客、货运输的行车安全。 伴随着我国铁路第五次大面积提速的实施，对客运、货运提速机车 的安全性、可靠性提出了更高的要求。由于我国目前电力和内燃机车在 制造工艺水平和检修水平与国外尚有较大的差距，机车质量还不十分可 靠。运用机车发生动态故障后，必须添乘和试运才能进行故障判断处理。 北京交通大学硕士学位论文 而对于列车密集的繁忙干线，试运机车排点上线极为困难，机车出现动 态故障时不能做到随时上线试运，在机务段内又无法进行动态负荷试验， 势必造成机车安全质量上的隐患，使机务段的机车检修质量工作有时处 于被动局面。 2 、应用整车试验台代替机车试运 按现行铁道部、铁路局关于机车检修规程的要求，机务段中修后的 机车，必须经过负荷试验后方可投入正常运用。由于铁路运输繁忙，特 别是京广、京秦沈等电气化区段，受多方条件制约机车进行l o o k m h 以 卜试验十分困难，为此，建造整车试验台特别是试运速度可达到2 0 0 k m h 的整车试验台用以代替繁忙干线的机车试运刻不容缓，这对缓解铁路运 输能力不足，缩短机车试运时间，提高机车运用周转率都具有十分重要 的意义。 3 、为今后实施机车动态检测和状态修提供技术保证 整车试验台不仅能够解决正线试运机车难以解决的技术检测、零部 件的状态监控等问题，还可以利用地面微机信息系统对采集的机车各类 信息进行处理，随时掌握机车质量状态，尤其是对走行部等关键部位进 行检测，为今后对机车实施状态修提供了技术保证。 图卜l 为s s 8 型电力机车整车试验台试验示意图。试验台采用轨道 轮模拟铁路钢轨，被试机车的各个动轮分别落于对应的轨道轮上，机车 动轮与轨道轮的中心垂向对中，被试机车通过牵拉车钩可靠地定位于整 车试验台上。机车直接从接触网获取电能驱动动轮，动轮再分别驱动相 应的轨道轮转动。这种轮与轮之间的滚动与机车在轨道上的运行相当。 为了满足被试机车的运行要求，轨道轮必须对机车动轮施加大小可调的 负载力矩，每对轨道通过增速齿轮箱连接一台测功电机，测功电机发出 的电能消耗在负载电阻上，从而产生阻力矩作用于机车动轮上。 c垄塞奎堡查兰堡主兰堡笙兰 率引 - 屯谭 图卜1s s 8 型电力机车整车试验台试验示意图 f i g u r e1 - 1w h o l e l o c o m o t i v et e s t r i go fs s 8t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e 1 。2 国内外研究状况 1 、国外研究状况 整车试验台是一种历史悠久的大型机电设备，世界上第一台整车试 验台于1 8 8 0 年在俄罗斯基辅机务段建成。迄今为止主要发达国家如美 国、俄罗斯、德国、法国、日本等都建有整车试验台。 2 、国内研究状况 大连内燃机车研究所的整车试验台建成于1 9 3 5 年，为当时亚洲唯 一的整车试验台。1 9 7 9 年经过现代化技术改造，可进行内燃机车牵引热 工试验，还可以做高低温和高原环境下的特性试验。其功能比较适用于 科研和新造内燃机车试验。 北京交通大学硕士学位论文 西南交通大学从1 9 8 8 年开始，在牵引动力国家重点实验室正式建造 滚动振动整车模拟试验台，并于1 9 9 3 年初步建成，1 9 9 5 年起正式承担 机车车辆整车滚动振动试验，它是目前功能最完善的整车模拟试验台。 该试验台属于国家级的试验台，共投资6 0 0 0 余万元，技术先进、功能齐 全。它可以进行内燃、电力机车和动车的牵引特性试验和动力学试验， 主要适用于科研和新型机车的试验。 山海关机务段的整车试验台建成于1 9 9 7 年，是专供d f 4 型内燃机车 中修后的验收试验。该试验台设备简单、试验速度快。 石家庄电力机务段的整车试验台始建于2 0 0 1 年，于2 0 0 4 年2 月正 式建成并通过铁道部技术鉴定正式投入使用。它主要用于机务段的现场 检修，用于验证中修后的机车性髓和连接组装的可靠性，查找处理机车 故障，调整标定参数等。 1 3 本文所做的工作 本文以石家庄电力机务段的s s 8 型电力机车整车试验台为研究背 景，对s s 8 型电力机车整车试验台的电气传动系统的模型及控制技术进 行了研究。主要工作如下： ( 1 )介绍了s s 8 型电力机车整车试验台的系统构成和工作原理； ( 2 )分析了电力机车整车试验台传动系统的电气同步调速的各种方 法，在此基础上提出了适用于准恒速型机车如s s 8 型电力机车的励磁 电流单闭环调速的控制方法； ( 3 )建立了s s 8 型电力机车整车试验台的系统摸型，并用m a t l a b 进 行了仿真，通过仿真进一步证实了励磁电流单闭环调速系统的可行 4 北京交通大学硕士学位论文 性： ( 4 )设计了s s 8 型电力机车整车试验台电气同步调速微机控制系统 的硬件电路； ( 5 )设计了电气同步调速控制系统的软件。 北京交通大学硕士学位论文 第二章整车试验台的工作原理及同步调速方式 2 1s s 8 型电力机车整车试验台的系统构成 s s 8 型电力机车整车试验台系主要由机械装置、电气传动系统和微 机检测系统三部分构成。 1 、机械装置 机械装置包括齿式轨道轮、t 型槽导轨、浮动尖轨、传动装置和牵 引车钩等部件组成。轨道轮对的作用是模拟铁路线上的轨道，用于支撑 机车轮对并提供机车运行阻力。t 型槽导轨是一种刨有t 型槽的铸铁钢 轨，通过地脚螺栓紧固在地坑内预制的钢筋承泥地基上，它是安装各种 机电设备的基础。轨道轮、增速齿轮箱和测功电机就安装在这种t 型槽 导轨上。浮动尖轨是一种特殊的轨道，它的构造形状是将普通钢轨端部 下面磨尖成弧形，布置在轨道轮的两侧，用来引导被试机车上、下试验 台。传动装置包括万向轴、增速齿轮箱和鼓形齿式联轴器等部件，增速 齿轮箱的输入端通过万向轴与轨道轮的轴连接，而输出端通过鼓形齿式 联轴器和测功电机联接在一起，这种连接方式的优点是安装、调试方便， 对中性好。它的作用是协调测功电机和机车动轮之间的速度，当被测试 机车的速度达到2 0 0 k m h 时，能充分发挥测功电机的功率，并将轨道轮 转动的机械能传给测功电机而转变为电能消耗在制动电阻上：测功电机 在转换机械能为电能的过程中产生的阻力矩又通过传动装置、轨道轮作 用于机车动轮，模拟出机车在正常线路上运行时轮轨之间相互产生的作 i ! 塞窒望查兰堡主堂堡笙苎 用力。牵引车钩是牵引被试机车并使其定位于轨道轮上的装置。 2 、电气传动系统 电气传动系统包括测功电机、制动电阻、检测元件、励磁调节主电 路和控制电路等五部分。测功电机采用的是s s 7 型电力机车z d l l l 型全 叠片复励式牵引电机，其额定功率为8 0 0 k w ，额定电压9 2 5 v ，额定电流 9 2 5 a ，额定转速为8 4 5 r m i n ，最高转速为2 0 0 5 r m i n 。在实际试验中测 功电机工作在他励状态，即把4 台测功电机中的串励绕组串联在一起， 由1 台可控的三相晶闸管桥式整流电路提供集中的励磁电流，集中的励 磁电流可调节；4 台测功电机的并励绕组则分别由4 台可控的三相晶闸 管桥式整流电路提供独立的励磁电流，独立的励磁电流也可以调节，集 中和独立两部分励磁电流共同提供总的励磁电流。测功电机的功能是将 试验机车动轮转动的动能通过轨道轮、增速齿轮箱及联接轴的传递变为 电能消耗在制动电阻上。制动电阻采用的是经过改装后的s s 8 型电力机 车用的t z z l 0 型制动电阻装置，用以调节测功电机在不同转速时的制动 功率。测功电机回路中装有电压传感器、电流传感器等检测元件，分别 检测测功电机的电枢电压、电枢电流和励磁电流，并在检测回路中设计 了电压和电流限制电路，以防止由于过电压或者过电流而烧毁电机。 3 、微机检测系统 在检测系统的集中控制操作台上，装有地面诊断计算机，它通过利 用s s 8 机车微机控制系统的r s 4 8 5 通信总线与测试机车进行联络，对机 车的信息，包括机车操纵、运行、轴承及环境稳定等进行记录，并利用 机车上的专家诊断系统及其记录对机车及控制装置发生的故障、故障状 态、位置等进行诊断，以帮助地面人员确定故障的处理方法。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 28 8 8 型电力机车整车试验台的工作原理 $ 5 8 型电力机车整车试验台的试验示意图如图2 - 1 所示，它用于机 车牵引特性试验。试验台采用轨道轮模拟铁路钢轨，被试机车的各个动 轮分别落于对应的轨道轮上，机车动轮与轨道轮的中心垂向对中，被试 机车通过牵拉车钩可靠地定位于整车试验台上。机车直接从接触网获取 电能驱动动轮，动轮再分别驱动相应的轨道轮转动。这种轮与轮之间的 滚动与机车在轨道上的运行相当。为了满足被试机车的运行要求，轨道 轮必须对机车动轮施加大小可调的负载力矩，每对轨道通过增速齿轮箱 连接一台测功电机，测功电机发出的电能消耗在负载电阻上，从而产生 阻力矩作用于机车动轮上。 牵弓l 电谭 图2 - 1s s 8 型电力机车整车试验台试验示意图 f i g u r e2 - 1w h o l e l o c o m o t i v et e s t - r i go f s s 8 t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e s s 8 型电力机车整车试验台测功电机( z d l l l ) 主电路接线原理图 如图22 所示，s s 8 型电力机车处于牵引状态，对轨道轮提供牵引力， 则测功电机工作在发电制动状态通过机械传动装置给电力机车提供运行 阻力。 r 1 r 2 r 3 r 4 图2 - 2s s 8 型电力机车整车试验台主电路接线原理图 f i g u r e2 - 2m a i nc i r c u i to f s s 8 t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e w h o l el o c o m o t i v et e s t r i g 测功电机的励磁电流由可控硅整流电路提供。当测功电机处于发电 工况时，通过调节励磁电流来改变测功电机的制动转矩，以达到改变机 车运行阻力的目的。测功电机的电枢回路中串入4 级制动电阻r ，通过 控制转换开关k 。、k ：、k ，的导通与断开，可以改变电枢回路制动电阻 值，从而扩大机车试验速度范围。 在电阻制动时测功电机有下列电枢回路方程和电磁转矩m 。( n m ) 的方程： e c 。n 雪一i 。( r 。+ z r ) ( 2 1 ) m 。- c 。i 雪 ( 2 2 ) 式中：i ，一电枢电流：r 。一电枢绕组电阻； 北京交通大学硕士学位论文 y r 一电枢回路总制动电阻。 南式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 得： 由式( 2 - 1 ) 得： 把上式代入式( 2 - 2 ) 得 m 。一嚣 中。! ! 照翌! c 。n ( 2 - 3 ) m ，一警 a ， 设试验台有n 台测功电机，则试验台所提供的轨道轮制动力b 。( 即机车 运行阻力) 为： b k 。2 n i i z ) 。, ： r l 翌m - 1 。一3 ( 2 5 ) 式中：b 。一轨道轮制动力( k n ) ；l i 。一大小齿轮传动比 t i 。一传动效率；d i 轨道轮直径( m ) 。 试验台轨道轮运行速度v 。( 在不发生空转的情况下，试验台轨道轮 运行速度v 。等于机车运行速度v ) 与其转速有如下关系： v k - 了3 1 r d j n k ( k m h ) ( 2 6 ) 测功电机的转速为n ( r m i n ) ，大小齿轮的传动比为：u c 一n ，则： 1 1 1 0 北京交通大学硕士学位论文 ”等c ， ， 利用式( 2 3 ) 、式( 25 ) 和式( 2 7 ) 的关系，轨道轮的制动力b 。( k n ) 表示 为： b t - ! ! ! 鬻巾2 v 。x t 。一3 c z s ， 利用式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 和式( 2 7 ) 的关系，轨道轮的制动力b 。( k n ) 表示 为： b 。；业塑争坠型l ：三x 1 0 一s ( 2 _ 9 ) l e v k 式( 2 8 ) 和式( 2 - 9 ) 即为整车试验台制动特性表达式。其曲线如 图2 3 所示，其中虚线l 为最大励磁电流限制曲线，虚线2 为最大制动 电流限制曲线，虚线3 为最大转速限制衄线。实线为整车试验台的制动 特性，即轨道轮所提供的制动力( 机车运行阻力) 。 图2 - 3 制动特性及其界限 v k f i g u r e2 - 3b r a k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dl i m i t e db o u n d 制动工作范围受到下列限制： 北京交通大学碗士学位论文 ( 1 ) 最大励磁电流限制 这是一条由最大励磁电流i 。决定的限制曲线，如图2 3 中的虚线 1 所示，i 。决定最大励磁磁通巾一。由式( 2 - 8 ) 可知，该限制曲线是 通过原点最陡的直线，它的纵坐标决定了机车在低速区的最大运行阻力。 在电机磁路及励磁绕组温升允许的条件下，总是力求增加i 。一，以提高 s s 8 型电力机车在低速区的运行阻力。 ( 2 ) 最大制动电流限制 这是一条由最大制动电流i 。一决定的限制曲线，如图2 3 中的虚线 2 所示。由式( 2 9 ) 知，l ，对应于最高的一条双曲线。该曲线的纵坐 标决定了机车在高速区的最大运行阻力。i ，的取值受到测功电机电枢 绕组发热以及制动电阻发热的限制。 ( 3 ) 轨道轮对最大运行速度的限制 整车试验台不发生空转时，轨道轮对的运行速度与电力机车的速度 一致，所以轨道轮对受s s 8 型电力机车最高速度的限制。 2 3 整车试验台的同步调速方案 机车在整车试验台上通过独立的轨道轮承载，其运转状态与在线路 上有所不同，因此整车试验台的轨道轮要有同步系统。同步方法有机械 同步和电气同步两种，机械同步是通过齿形皮带传动机构或者机械传动 链机构将各个轨道轮联在一起，只要各轨道轮的轮径完全相同，在任一 瞬时都能够精确地保证各轮同步。例如山海关机务段的d f 4 型内燃机车 北京交通大学硕士学位论文 整车试验台就是采用齿形皮带传动机构进行同步。机械同步的方法比较 简单，但是存在一些缺点，如果要使轨道轮达到精确的同步，则应使齿 轮咬合较紧，这样就容易造成齿形同步皮带绷断；如果齿轮之间的咬合 留有一定的裕量，则不能达到同步要求。机械传动链长，容易造成扭振， 高速运转噪音也大。电气同步是以一对轨道轮的速度为基准，分别检测 各轨道轮的速度并与基准速度进行比较，当出现速度偏差时，通过分别 调节驱动轨道轮的测功电机的励磁电流来消除速度偏差。电气同步系统 调节方便，不存在以上机械同步容易出现的问题，大连内燃机车研究所 研制的整车试验台、西南交通大学牵引动力国家重点实验室的整车试验 台和石家庄电力机务段的s s 8 电力机车整车试验台都是采用电气同步方 法。 2 4 电气同步调速方式比较 整车试验台4 对轨道轮的电气同步调速系统属于闭环调速系统，常 用的闭环调速方式有两种，一种是转速、励磁电流双闭环调速系统，另 一种是励磁电流单闭环调速系统。 l 、转速、励磁电流双闭环调速系统 转速、励磁电流双闭环调速系统的原理图如图2 4 所示，它是由励 磁电流构成电流内环、轨道轮对转速构成速度外环的双闭环调速系统， 轨道轮对的转速与测功电机的转速之间存在传动比。该系统中，首先设 定轨道轮对转速的给定值，轨道轮对的实际转速以负反馈的方式和给定 值比较，其差值作为速度调节器的输入，经过速度调节器后其输出为励 磁电流的给定值。整个系统要实现4 对轨道轮的转速同步控制，把其中 1 3 北京交通大学硕士学位论文 1 对轨道轮的转速作为参考转速，其他3 对轨道轮的转速与参考转速分 别作比较，其差值分别送入同步调节器，同步调节器的输出作为励磁电 流给定值的一部分。电枢电压限制环节、电枢电流限制环节和励磁电流 限制环节分别用于防止测功电机出现电枢电压过压、电枢电流和励磁电 流过流，这三个环节的工作原理基本相同。现以电枢电压限制环节为例 说明其工作原理：当4 台测功电机的电枢电压值都低于限制值时，限制 环节的输出为o ；当4 台测功电机的电枢电压值有一个高于限制值时， 则限制环节的输出为负值，使4 台测功电机的励磁电流同时减小，从而 使测功电机的电枢电压低于限制值。励磁电流调节器的输入信号由以下 三部分组成：加法器的输出信号、同步调节器的输出信号和励磁电流的 反馈信号。励磁电流调节器的输出信号送入到晶闸管触发电路，用于调 节品闸管触发角的大小，进而改变励磁电流的大小，最终改变测功电机 制动转矩的大小，实现4 对轨道轮转速的同步控制。 图2 - 4 整车试验台的转速、励磁电流双闭环调速系统原理图 1 4 北京交通大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 4d u a l c l o s e dl o o p s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo f r o t a t i o n a ls p e e da n de x c i t i n g c u r r e n ti nw h o l el o c o m o t i v et e s t - r i g 转速同步的调节过程如下：当某一对轨道轮的转速等于参考轨道轮 的转速时，同步调节器的输出保持不变，则测功电机的励磁电流保持不 变，测功电机的制动转矩保持不变，测功电机的转速不变，该轨道轮以 参考轨道轮的转速稳定运行。当某一轨道轮的转速低于参考轨道轮的转 速，同步调节器的输出值增大，相当于减小励磁电流的给定值，通过励 磁电流调节器调节使励磁电流减小，则测功电机的制动转矩减小，测功 电机的转速增加，该轨道轮的转速也增加，最终增加到参考轨道轮的转 速。当某一轨道轮的转速高于参考轨道轮的转速时，同步调节器的输出 值减小，相当于增加励磁电流的给定值，通过励磁电流凋节器调节使励 磁电流增大，则测功电机的制动转矩增大，测功电机的转速降低，该轨 道轮的转速也降低，最终降低到参考轨道轮的转速。 采用转速、励磁电流双闭环调节系统的优点是速度比较稳定，能够 抑制机车牵引电机飞速，特别适合于牵引特性如图2 5 所示的恒功型机 车试验，如d f 4 型内燃机车。但是控制系统比较复杂。 v 图2 - 5 恒功型机车牵引特性示意图 f i g u r e2 - 5c o n s t a n tp o w e rl o c o m o t i v et r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c 1 5 北京交通大学硬士学位论文 2 、励磁电流单闭环调速系统 励磁电流单闭环调速系统原理框图如图2 - 6 所示。与转速、励磁电 流双闭环调速系统相比，它少了速度闭环，励磁电流直接由外部给定， 其工作原理与转速、励磁电流双闭环调速系统的励磁电流调节部分基本 相同。 图2 - 6 整车试验台励磁电流单闭环调这系统 f i g u r e2 - 6s i n g l ec l o s e dl o o ps p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo f e x c i t i n gc u l r e n ti nw h o l e l o c o m o t i v et e s t 一“g 与转速、励磁电流双闭环调速系统相比，其结构比较简单，系统动 态响应的速度快，软件控制上比较容易。但是由于没有速度闭环，不能 抑制机车牵引电机飞速，所以这种系统不适合恒功型机车。 s s 8 型电力机车的牵引特性示意图如图2 - 7 所示，s s 8 型电力机车 采用的是恒流准恒速控制( 特性控制) 。对于准恒速s s 8 型电力机车来说， 1 6 北京交通大学硕士学位论文 由于机车自身对速度有限制功能，不会象恒功型机车那样出现轻载飞速 的问题，所以本系统采用励磁电流单闭环同步调速方式。 v 图2 - 7s s 8 型电力机车牵引特性示意图 f i g u r e2 - 7s s 8t y p ee l e c t r i cl o c o m o l i v ei r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车试验台的系统仿真 3 ，1 整车试验台的系统模型分析 s s 8 型电力机车整车试验台用于验证中修后的s s 8 型电力机车的牵 引性能和连接组装的可靠性，查找并处理机车故障，调整标定参数。机 车整车试验台的系统模型包括两部分： 1 、s s 8 型电力机车牵引特性模型： 2 、整车试验台传动系统模型。 3 1 1 s s 型电力机车牵引特性模型分析 s s 8 型电力机车是“八五”期问国家重点科技攻关项目，原用于广 州和深圳问的准高速铁路，现用于我国主要干线铁路牵引提速旅客列车。 株洲电力机车，一+ 和株洲电力机车研究所于1 9 9 4 年完成两台s s 8 型电力机 车样机研制，经多种试验，于1 9 9 7 年2 月通过国家鉴定。s s 8 型电力机 车最高试验速度可达到1 8 7 k m h ，实际运行的最高时速是1 7 0 k m h 。下面 分别介绍s s 8 型电力机车的机车速度特性、牵引力特性和牵引特性。 1 、机车速度特性 机车速度特性是指机车运行速度与牵引电动机电枢电流的关系， s s 8 型电力机车速度v ( k m ) 与牵引电动机( 型号：z d l l 5 ) 转速n 。( r m i n ) 问有如下关系： 1 8 韭塞窒望奎兰堡主兰笙坚 v i n d i i 。 牵引电动机的转速n 。的表达式为： 电机常数： 式中：p 牵引电机极对数；n ，一电枢绕组有效导体数； a 电枢绕组并联支路数。 由式( 3 1 ) 和式( 32 ) 得出机车速度特性计算公式 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ，。旦! 二! ! 坠( 3 4 ) c 巾 式( 3 4 ) 中：c ，蒜杀c 。，| 。一机车传动齿轮传动比。 t ，一 1 3 6 ：0 一新s v 取最小值 c s s ， li i 。一牵引电动机电枢电流c a ) 。 1 9 r 一 l 一一 m 石 吐一叫 叭丽 u 一 。 c 北京交通大学硕士学位论文 s s 8 型电力机车在特性控制下的机车速度特性数值表如表3 - 1 所示 n ( 级) l2345 l 。a o1 2 002 4 0o3 6 004 8 00 6 0 0 v ，k m h 一11 08 6 3 2 01 7 33 02 5 94 0 3 4 55 04 3 1 n ( 级)67891 0 i 。a 07 2 008 4 009 6 0o 1 0 8 001 2 0 0 v ，b n - h 。 6 05 1 87 06 0 48 06 9 09 07 7 71 0 0 8 6 ，3 n ( 级)1 11 21 31 41 5 1 。a o1 3 2 0o1 4 4 001 5 6 0o1 6 8 0o1 8 0 0 v b n h - 1 1 l o9 4 91 2 01 0 3 51 3 01 1 2 21 4 01 2 0 81 5 0 1 2 9 4 n ( 级)1 61 71 8 l 。a 01 9 2 0o2 0 4 002 1 6 0 v ，k i n h 。 1 6 01 3 8 11 7 01 4 6 71 8 01 5 5 3 表3 - i 特性控制时机车速度特性数值表 t a b l e3 - 1l o c o m o t i v e s p e e dc h a r a c t e r i s t i cn u m e r i c a lt a b u l a ri nc h a r a c t e r i s t i cc o n l m l 2 、机车牵引力特性 机车牵引力特性是指机车轮周牵引力k ( k n ) 与牵引电动机电枢电 流i 。之问的关系 r f ( 1 ) 。机车牵引力由牵引电动枫输出轴上的转矩 m 。表示： r 一2 f n z 。t k m d ( 3 6 ) 而牵引电动机轴上转矩为： 。：! ! 室窒望盔兰堡主兰垡笙苎 m 。一盖u d i i 1 0 1 卅m ) ( 3 _ 7 ) 将式( 3 7 ) 代入式( 3 - 6 ) 得机车牵引力特性的表达式为： f k 一3 6 n 2 u d i 。1 1 。t i d v x l o 。3 ( 3 - 8 ) 式中：n ：一牵引电动机台数；u 。一牵引电动机端电压( v ) ； i i 。一机车传动齿轮传动比； t 1 。一传动效率； - e l 。一电机效率；d 一车轮直径( m ) 。 3 、机车牵引特性 由机车速度特性v f ( i 。) 和牵引力特性f k - f ( i ，) 得到机车牵引特 性f k f ( v ) ，即机车牵引力r 与速度v 之间的关系为： 叫冀美 c 3 吲 式中：k 。一比例系数；c 。一常数：v 。一转折点速度( k i n h ) 。 互 一 墨 肘 速度v k - n h 一1 图3 1s s 8 型电力机车的牵引特性曲线图 f i g u r e 3 - 1t r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fs s 8t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e 北京交通大学硕士学位论文 s s 8 型电力机车的牵引特性曲线图如上图3 一l 所示。机车以恒定的 牵引力起动，当速度达到一定值时，牵引力不再是恒定值，而是随着速 度的增加而线性减少，斜线部分为电力机车稳定运行区。如果电力机车 的牵引力进入a b c d e f 限制曲线内，则机车的速度级位最终决定机车稳定 运行区域。 s s 8 型电力机车牵引特性受下列条件的限制： ( 1 ) 最大起动电流限制； ( 2 ) 牵引电动机额定电压限制； ( 3 ) 牵引电动机持续制功率限制： ( 4 ) 牵引电动机晟深磁场削弱限制： ( 5 ) 机车最高速度限制。 由以上限制构成的限制曲线如图3 一l 中的a b c d e f 曲线所示，限制 曲线的方程可表示为： f k - 2 1 0 一晋v ，( a b ) f k 一3 5 3 一詈v ，( b c ) f k 一1 2 6 0 0 v ，( c d ) u d 一1 1 0 0 v p - 0 4 3 ，( d e ) v - 1 7 0 k i n h ，( e f ) ( 3 - 1 0 ) 3 1 2 整车试验台传动系统模型分析 s s 8 型电力机车整车试验台系统是由机械装置、电气传动系统和微 机检测系统三部分组成。电气传动系统是整车试验台的核心，它主要完 成4 对轨道轮转速同步的检测、控制和驱动。s s 8 型电力机车与试验台 电气传动系统之间的纽带是轨道轮，轨道轮通过机械传动装置与电气传 动系统中的测功电机相连。驱动轨道轮旋转的力矩是由机车牵引力矩和 j e 京交通大学硕士学位论文 试验台制动力矩合成的合力矩，牵引力矩t 是由电力机车的牵引力f k 作 用在轨道轮上产生的，而阻力矩t z 则由测功电机的制动力矩m 。通过机 械传动装置加载在轨道轮上产生。图32 是轨道轮所受的力矩示意图。 在起动过程中，s s 8 型电力机车的恒定牵引力f k 加载到轨道轮上，产生 较大的牵引力矩t 。为了给电力机车提供运行的阻力矩，测功电机在起 动时应处于制动状态，以提供制动转矩来平衡牵引力矩。制动力矩的大 小从零开始逐渐增加，轨道轮处于加速过程，当制动力矩与轨道轮的惯 性转矩之和等于牵引力矩时，轨道轮便处于平衡状态，以恒定的转速旋 转。轨道轮的力矩方程如下： t t ，j 等( 3 - - 1 1 ) 式中：牵引力矩t f k 粤( k n m ) ；阻力矩t z k m 。( k n - m ) ； 转动惯且j - 等( 咖2 ) - 角速度口一等( m d s ) 。 图3 2 轨道轮所受的力矩示意图 f i g u r e3 - 2m o m e n t i nr a i l w h e e l 由式( 3 - - 1 1 ) 化简得： 2 3 北京交通大学硕士学位论文 f k 孚一。一罢i d n k ( 3 - - 1 2 ， 式中：d ：一轨道轮直径( m ) ；k 一比例系数： g d j 2 一飞轮矩( n - m 2 ) ；n k 一轨道轮转速( r r a i n ) 。 综上所述，s s 8 型电力机车整车试验台系统的仿真模型是以轨道轮 为中心，分别建立牵引力矩t 的传递函数模型和阻力矩t z 的传递函数模 型。牵引力矩t 是由电力机车的牵引力f k 作用在轨道轮上产生的，牵日 力f k 可由s s 8 型电力机车的牵引特性得到，即可由图3 - - 1 所示的牵b 特性曲线得到。速度级位n 不同，机车牵引力f k 也不同。阻力矩t 是由 测功电机的电磁制动转矩m 。通过机械传动装置加载在轨道轮上产生的， 通过改变测功电机励磁电流的大小便可改变制动转矩。 3 2 整车试验台的系统建模 3 2 1s s 8 型电力机车的牵引特性数学模型 前面介绍了s s 8 型电力机车的机车速度特性、牵引力特性和牵引特 性，可知s s 8 型电力机车是恒牵引力起动运行，当机车速度达到一定值 时，机车牵引力随着速度的增加而减少，机车进入稳定运行区，稳定运 行区的最大速度差是2 5 k m h 。式( 3 9 ) 和式( 3 - 1 0 ) 便是s s 8 型电力 机车牵引特性的数学模型，由式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 表示的牵引特性 图为图3 1 。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2 测功电机制动工况的传递函数模型 用于驱动轨道轮的测功电机( z d l l l ) 工作在制动状态，制动电阻r 。 串联在电枢绕组回路中，主要用于消耗电能。所以测功电机制动时的电 路模型如图3 3 所示： r d 图3 - 3 测功电机制动时的电路模型 f i g u r e3 - 3c i r c u i tm o d e l o fd y n a m o m e t e rm o t o ri nb r a k i n gc o n d i t i o n 电枢绕组回路的方程为 励磁绕组回路的方程为： 测功电机的转矩方程为： e + r d i d + l 。等，o e i c 。扣 ( 3 1 3 ) ( 3 一1 4 ) 附+ b 盖- u f ( 3 - 1 5 ) 以上方程经拉普拉斯变换得 t m 。+ j d _ l l d t m 。- c 。舭d ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 北京交通大学硕士学位论文 e ( s ) + r d i d ( s ) + l d s i d ( s ) 一0 e ( s ) 一c 。c n ( s ) r f f i ( s ) + l f s ir ( s ) 一u f ( s ) t ( s ) - m 。( s ) + j s n ( s ) m 。一c 。巾i d ( s ) 解上述方程得i 。( s ) 、i ，( s ) 和n ( s ) 表达式为 式中： ” 一 k d l r 加孝訾 i f ( s ) - 等 ，一号掣 由此得测功电机制动时的传递函数模型如图3 4 所示： ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 图3 - 4 测功电机制动时传递函数模型 f i g u r e3 - 4t r a n s f e r f u n c t i o nm o d e l o fd y n a m o m e t e rm o t o ri nb r a k i n gc o n d i t i o n 苎蔓茎望查兰鍪兰兰堡堡兰1 3 2 ，3 控制系统的传递函数模型 1 、晶闸管整流电路的传递函数 s s 8 型电力机车整车试验台电气传动系统主电路采用三相晶闸管桥 式整流电路，其输入信号是触发电路的控制电压u 。，输出信号是整流电 压u 。如果把它们之闻的放大系数k 。看成常数，则晶闸管整流电路是 一个具有纯滞后的放大环节，滞后作用是由晶闸管电路的失控时间t 引 起的。因此晶闸管整流电路的传递函数可表示为： w s ( s ) 一器代e 4 ( 3 - 2 6 ) 式中：k 。一放大系数：e 一失控时问。 三相桥式整流电路的失控时问t s1 一般取1 6 7 m s 。由于t s 很小，式( 3 - 2 6 ) 可近似为一阶惯性环节： w s ( s ) _ 羔 ( 3 - 2 7 ) 2 、励磁电流和速度反馈环节传递函数 s s 8 型电力机车整车试验台的电气同步闭环调速系统中，采用霍尔 电流传感器k t i o o o a 来检测测功电机的励磁电流，使用光电编码器d f l 6 来测量轨道轮的转速构成速度反馈环节，这些检测装置对整个同步调速 系统的控制精度和性能有很大的影响。一般检测装置要求有很好的线性 度，但由于装置本身的时间常