（电力电子与电力传动专业论文）内燃机车交流传动控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t h i g h p e r f o r m a n c et r a c t i o ns y s t e mi sr e q u i r e db yt h ed e v e l o p m e n to f t h er a i ls y s t e m b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gm a t u r eo f t h ea cd r i v es k i l l ，a c d r i v el o c o m o t i v eh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h el o c o m o t i v ed r i v e s k i l l t h em a i nd r i v ec o n t r o ls y s t e mo ft h et y 0 5a c d c a cd r i v ed i e s e l l o c o m o t i v ei s d e v e l o p e db yt a i y u a n l o c o m o t i v ef a c t o r y , t h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e g e n e r a t o r su n i tw i t ht h ej o i n tr e g u l a t e ri su s e da sp o w e r s c 凡l r c e m ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed r i v i n gm o t o ri so n l ys l i pf r e q u e n c y c o n t r o lw h i c hd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sn o tv e r yw e l l ，b u tt h ec a p a c i t yo f t h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e g e n e r a t o r su n i ti sr e l a t i v e l yl i m i t e d ，a n dt h eu n i t i sal a r g ei n e r t i al i n k ，w h e nl o a dm u t a t e so ro p e r a t i n g e n v i r o n m e n ti s c h a n g e d ，l o c o m o t i v ei sa l w a y s r u nd o w n t h i sp a p e rp r o p o s e r st h ep l a n ，d i e s e le n g i n ee l e c t r o n i ci n j e c t i o ns y s t e m c o n t r o l l e db ym i c r o p r o c e s s o ri s u s e da st h ec o n t r o ld e p a r t m e n to ft h e i n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e g e n e r a t o ru n i t ，t h ed t ct e c h n o l o g yi su s e d a s c o n t r o ls t r a t e g yo fd r i v i n gm o t o r , m o d u l a rd e s i g nc o n c e p ti sa d o p t e dw h e n d e s i g nt h ew h o l ea cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ed y n a m i c a n ds t e a d y 。s t a t e p e r f o r m a n c ei se n h a n c e d ，s ot h ew h o l es y s t e m c a nw o r kc o o r d i n a t e l y f i r s t l y i ti sp r e s e n t e dt h ed e v e l o p m e n to v e r v i e wo fa cd r i v ed i e s e l l o c o n l o t i v e a n d t h ec h a r a c t e r so fe v e r ym a i nd e p a r t m e n t o fd i e s e l l o c o m o t i v ea r ea n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y , i t i si n t r o d u c e dt h a tt h e p r i n c i p l eo fe a c hc o n t r o l s e c t i o nf o rt h eo r i g i n a lt y 0 5d i e s e ll o c o m o t i v e ， p l u s , t h er e a s o nw h a tm a k e si tr u nd o w n i se x p a t i a t e d t h ed i e s e le n g i n ei s c o n t r o l e db yt h ec o m p u t e rw i t he l e c t r o n i ci n je c t i o nt e c h n o l o g y ；t h em o t o r i s c o n t r o l e dw i t hd t ct e c h n o l o g y t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fc o n t r o ls y s t e m i si m p r o v e db ya u t o m a t i c a l l yc o o r d i n a t e dc o n t r o la c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t s p e e dr e q u i r e t h el o c o m o t i v ei sa b l et oo p e r a t en o r m a l l y w h e nl o a dm u t a t e s o ro p e r a t i n ge n v i r o n m e n ti sc h a n g e d f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e d i i i w i t hm a t l a b ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tc o n f i r m st h a tt h es h e m ei m p r o v e dt h e a n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，a n dt h i ss y s t e mc a nw o r kw e l l k e y w o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e s ；a cd r i v ec o n t r o l t r a c t i o n ；e - j e t ： d i r e c tt o r q u ec o n t r o l i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名： 壶盈至 日期： 2 ：望：复：2 呈 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 杰亟墅 日期： 丝12 ：主：2 堑 导师签名：重盎：2 ：鱼： 日期：尘乒生l 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流传动内燃机车的发展概况 欧洲是交流传动内燃机车的发源地。早在8 0 年代以前，德国是世界上对交流传 动研究投人最大的国家。原西德的h e n s c h e l 公司和b b c 公司早在1 9 6 5 年就开始作 开发交流传动系统，并于1 9 7 1 年制造出世界上首台成功运行的交流传动内燃机车， 即d e 2 5 0 0 型机车。由于受当时的技术水平、电力电子器件、控制系统等诸多因素 的限制，这一机型并未大力推广应用。 进入8 0 年代，交流传动技术日趋成熟，在各种型号的机车、动车上获得了广泛 应用。这一时期，欧洲的交流传动发展势头较猛。德国研制出d e 5 0 0 型系列、d i 4 型、m e l 5 0 0 型、m e 0 7 型、m e l 0 型、d e l 0 2 4 型及d e 6 4 0 0 型等多种车型、不同 功率等级的交流传动内燃机车。同时，在其他国家，交流传动技术也得到长足的 发展。1 9 8 3 年，意大利f i a t 公司与p a r i z z i 公司合作，为意大利国家铁路生产了用 于调车作业和牵引客货运混合列车的d 1 4 5 2 0 0 0 型交流传动内燃机车。1 9 8 5 年， 芬兰的v a l m e t 公司为芬兰国铁制造出d r l 6 型干线调车通用型机车。1 9 8 6 年，西班 牙的工义公司研制成功3 1 1 1 型交流传动内燃机车。 与欧洲相比，美国在8 0 年代以前对交流传动内燃机车的投人不大。进人9 0 年 代，交流传动技术成为机车技术热点，世界上有许多国家开始研究或应用这一技术。 这时，美国在交流传动技术方面异军突起。1 9 9 2 年，g m 公司率先推出了s d 6 0 m a c 型交流传动内燃机车，之后又相继推出s d 7 0 m a c 、s d 8 0 m a c 以及m d 9 0 m a c 型 交流传动内燃机车。而8 0 年代一直默默无声的g e 公司也当仁不让，相继推出 a c 4 0 0 0 ，a c 6 0 0 0 型交流传动内燃机车，且两大公司均获得大批订货。 内燃机车向交流传动方向发展已是大势所趋。交流传动内燃机车从问世到现在 已经历了二十多年时间，在这期间，掌握这一技术的国家己由德国扩大到美国、法 国、英国、意大利、西班牙、日本、芬兰等国。技术水平不断提高，生产和应用规 模不断扩大。尤其是美国近几年在交流传动内燃机车上作出了显著成绩，对促进交 流传动内燃机车的发展起到了积极作用。大功率内燃机车交流传动技术己成为各大 机车公司争夺机车市场所必备的高新技术。 1 2 交流传动内燃机车的优良性能 截止目前为止，大多交流传动内燃机车使用的牵引电机均为异步电机。异步牵 内燃机车交流传动控制系统的研究 引电机与传统的直流电机相比具有结构简单、电性能好、效率高、同功率下重量轻、 可靠性较高、维修量小、机械特性硬等特点。可以说交流传动内燃机车的优越性正 是由于采用了异步牵引电机而带来的。交流传动内燃机车的优点，概况起来主要有 如下几点： ( 1 ) 与直流电机相比，同功率下，异步电机具有体积小、重量轻的优点，在转 向架的有限安装空间内可以设置更大的功率，从而减轻簧下重量，提高单轴功率( 单 轴功率最大可达1 8 0 0 k w ) ，在降低轮缘与轨面磨损的同时提高了机车的牵引功率。 ( 2 ) 交流电机机械特性曲线陡直，有利于制止空转和打滑现象的发生；在充分 利用电机过载能力、采用适当的电机控制方式并加以机车粘着控制的基础上，可大 大提高机车的粘着率( 干燥线路条件下重载起动的需要) ，可以实现良好的牵引制动 性能。 ( 3 ) 异步电机结构简单可靠、效率高，无电刷和换向器，大部分与转速有关的 限制条件( 如直流电动机换向器表面线速度限制) 都没有了，可减少维修费用，延长 检修周期，且节省燃油，维护量小，降低了机车的运用及维修成本。 ( 4 ) 采用异步电机可增大机车的恒功区范围，满足内燃机车大的持续功率要求， 交流传动干线内燃机车的恒功区宽度k ( 机车最大速度与额定速度之比) 可达 2 5 3 ，而采用直流串励电动机的整流式内燃机车，即使在深度磁场消弱( 小于5 0 ) 下，大都在1 5 1 6 之间，很难超过1 8 0 窿3 。 ( 5 ) 与电力机车相比，不需要长距离供电，输电损失小、热效率高，自备“电 站的电压可以调节，能比较充分的发挥电动机的功率，即所谓恒功率特性比电力 机车好。 1 3 我国发展交流传动内燃机车的可行性与必要性 随着我国铁路运输事业的发展，铁路运输部门对机车车辆产品提出了更高的要 求。为了提供更多更好的适用于“重载、提速的干线和调车内燃机车，铁路部门 应当抓住机遇、加紧开发研制我国的交流传动内燃机车。我国发展交流传动技术起 步较晚，与目前广泛采用的机车交直流传动技术相比，内燃机车采用交直一交传动 在很多方面具有极大的优越性，其优点主要是由异步牵引电动机的特点决定的。交 流牵引电动机结构简单，可靠性高，维护简单；电机体积小，重量轻，大大改善了 机车的动力学性能；交流电传动机车的粘着系数高，电阻制动特性好，提高了机车 的牵引性能。经过多年的研究论证，并吸收了国外发展交流调速的经验，我国已成 2 第一章绪论 功研制出交直交a c 4 0 0 0 型电力机车，实现了零的突破，具备了所需的基础理论口儿驯。 研制交流传动内燃机车的时机已经成熟，研究及制造部门应当采取由简入繁、稳妥 可靠的方针，通过各方通力合作，尽快使我们自己的交流传动内燃机车进人实际运 用阶段，从而赶上世界机车制造工业的发展步伐。 1 4 本论文的提出及主要内容概述 随着交流传动技术的成熟，交流传动机车的发展成为机车电传动技术的必然趋 势，结合我国传统交一直流传动内燃机车的特点，太原机车厂研制了t y 0 5 型交一直一 交内燃机车，但由于电源采用联合调节器式的内燃机发电机组，容量相对受限，具 有大惯性特点；而且牵引电机只是采用了动态性能不是很高的转差频率控制，当遇 负载突变或运行环境变化时，机车经常发生卸载现象。因此，如何高效利用其功率 输出，提高整个系统的动态性能，使整个系统协调运行，是本文研究的主要内容。 全文分为六章，各章主要内容如下： 第一章介绍了交流传动内燃机车的发展概况，分析了交流传动内燃机车的优良 性能，得出了发展交流传动内燃机车的可行性与必要性。 第二章介绍了内燃机车电传动方式的发展及交流传动内燃机车的结构，并对机 车主传动各部分特点进行了分析。 第三章介绍了交流传动内燃机车的牵引特性，分析了原有的t y 0 5 型内燃机车 采用联合调节器式的内燃机发电机组，牵引电机采用转差频率控制，分析了其整个 控制过程，找出其存在的问题，提出了内燃机车发电机组采用微机控制的电子喷射 技术，牵引电机采用直接转矩控制方法。 第四章研究了机车微机控制系统的工作原理、控制流程，机车实现了微机逻辑 控制功能，针对前面提出的内燃机发电机组大惯性环节，深入研究了柴油机电子喷 射系统控制，从而解决了内燃机车的功率输出控制。 第五章对交流传动内燃机车牵引电机控制方法的分析、研究得出，直接转矩应 用于内燃机车，能够减小转矩脉动，加快转矩动态响应，在调速范围内获得令人满 意的动、静态特性，并根据内燃机车的牵引特性，设计了不同的控制策略。 第六章对整个系统进行了s i m u l i n k 模型仿真，通过对仿真结果的分析，证明了 本文设计的内燃机车交流传动控制系统是可行的，达到了系统协调运行的目的。 3 内燃机车交流传动控制系统的研究 第二章交流传动内燃机车的结构 2 1 内燃机车的电传动方式发展 内燃机车电力传动是柴油机带动一台牵引发电机，牵引发电机向安装在机车转 向架上的数台牵引电动机供电，牵引电动机再通过车轴齿轮箱驱动机车的动轮使机 车运行。可见内燃机车电力传动装置中的两个最主要的部件是牵引发电机和牵引电 动机。按照两种电机所用的电流制不同，电传动装置可分为三大类，即直流电力传 动、交直流电力传动和交流电力传动。 2 1 1 直流电力传动 这种传动方式是采用直流牵引发电机和直流牵引电动机，又称为直直流电传 动，柴油机直接驱动一台直流牵引发电机，将柴油机的机械能转变为电能，并供给 数台直流牵引电动机。牵引电动机又将电能转变为机械能，并通过传动齿轮箱驱动 机车动轮。 直流传动的特点是调速方法比较简便，通常用改变直流电动机端电压的方法即 可达到调速的目的。由于直流串励电动机的转速特性较软，适合于机车牵引，因此 在直流电传动中，牵引电机一般都采用直流串励电动机。在内燃机车发展的初期， 由于牵引电动机是直流电机，因而就很自然地配用直流牵引发电机作为供电电源。 这种传动方式沿用了很长的一段时间，例如我国的d f l 型、d f 2 型、d f 3 型以及进 口的n d i 型、n d 2 型等机车都属于这种传动形式哺1 。 但是从2 0 世纪6 0 年代以来，内燃机车不断向大功率发展，柴油机的功率和转 速不断提高，而直流牵引发电机的功率则受到换向条件和机车限界的限制，使单机 组直流电力传动内燃机的功率几乎限制在2 2 0 0 k w 以下。 2 1 2 交直流电力传动 这种传动方式是采用交流牵引发电机，通过大功率硅整流器使交流电变为直流 电，然后供给数台直流牵引电动机。 在这种传动方式中，一方面保留了直流电动机作为牵引电动机的特点，另一方 面又采用交流牵引发电机通过整流器取代了直流牵引发电机，以克服制造大功率直 流牵引发电机时所出现的困难。由此可见，交直流传动和直一直流传动两者同属于 直流调速系统。但交流发电机与直流发电机相比，前者无换向器，故结构简单，运 用可靠、省铜，质量轻且维护简便。在功率相等的条件下，交流牵引发电机的质量 4 第二章交流传动内燃机车的结构 约为直流牵引发电机的一半。因此在同等质量或体积下，它的功率可以做得远比直 流牵引发电机大。在机车交流牵引发电机的功率可以不受2 2 0 0 k w 的限制。 从2 0 世纪6 0 年代开始，国内外生产的大功率电力传动内燃机车普遍采用了交 直流传动方式。我国生产的d f 4 型、d f 5 型、d f 6 型、d f 7 型、d f 8 型、d f 9 型、 d f l 0 型、d f l l 型、d f l 2 型内燃机车以及进口的n d 4 型、n d 5 型内燃机车都属于 这种传动形式。 2 1 3 交流电力传动 这种传动方式采用交流牵引发电机和交流牵引电动机，因两者都是交流电机， 故称为交流电力传动。直流串励牵引电动机虽然具有良好的调速性能，但其主要缺 点是结构上有换向器，不仅质量和尺寸大、费铜，而且故障率高，维护保养麻烦， 特别在直流牵引电动机大负荷，高转速工作时换向器易出故障。由于交流电机没有 换向器，故不存在直流电机所具有的这些缺点。特别是鼠笼式异步交流电动机，具 有结构简单、体积小、运行可靠等优点，应用于内燃机车上，不但可以提高单节机 车的功率，而且由于交流电动机的硬特性使机车具有良好的防空转的性能。交流异 步电动机的转速主要决定于它的供电电源的频率。当电源频率一定时，由于其机械 硬特性，它的转速变化范围是很小的，必须对其供电电源的频率进行大范围的调节， 才能适应机车牵引速度变化范围大的要求。在机车上，交流牵引发电机的频率取决 于柴油机的转速，而柴油机在一定功率下工作时它的转速是不变的，所以在一定的 功率下发动机的频率也是不变的。因此交流电力传动的关键是在交流牵引发动机和 交流牵引电动机之间设置一个功率大、调频范围宽的变频装置，以满足交流牵引电 动机的调速要求。过去由于半导体技术不成熟，2 0 世纪5 0 年代的交流传动仅限于 旋转机组来实现变频调速，而这种笨重、复杂且低效的变频机组使交流传动没有得 到更多的发展。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电力电子及半导体技术的发展，大功率 可控硅变频装置应运而生，为在内燃机车上采用交流电力传动提供了技术条件，并 已成功地应用于内燃机车上陋1 。 按变频方式，交流电力传动又可分为两种形式： ( 1 ) 交一直一交电力传动 具有中间直流环节的间接变频的交流电力传动，称为交直交流电力传动，柴 油机驱动交流牵引发电机，所产生的三相交流电经硅整流器整流为直流电，再经过 可控硅逆变( 可设一个或数个逆变器) ，将直流电转变为频率可调的交流电，供给数 5 内燃机车交流传动控制系统的研究 台交流牵引电动机。这样的间接变频，使逆变器输出的三相交流电的频率与牵引发 电机发出的三相交流电的频率没有任何关系。在机车启动和调速的整个工作范围内， 交流牵引电动机的三相电源的频率都能平滑的调节。 ( 2 ) 交交流电力传动 没有中间直流环节的直接变频的交流电力传动，称为交交流电力传动，由交流 牵引发电机发出的三相交流电经一个或数个变频装置变频后，直接变为频率可调的 三相交流电，供给交流牵引电动机。由于交交流变频装置输出的频率要低于输入频 率，一般最高输出电源频率只能达到输入电源频率的三分之一，因而要求交流牵引 发电机具有较高的频率n 1 1 。因而交交流传动比较适合于原动机转速较高的设备( 如 燃气轮机) ，至于装设低、中速柴油机的内燃机车，目前没有实用的交交流传动的 方案。 交直交内燃机车与交直机车相比有很多优点，其中主要有： 1 单轴功率大，可达到1 8 0 0 k w ； 2 粘着性能好； 3 牵引、再生控制方便，节能指标好； 4 簧下重量轻、维修工作量少； 5 可实现现代计算机控制等。 随着电力电子器件和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和控制技术的应 用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，主要表现在调速范围宽、调速精度高、 动态响应快等方面。因此，交流传动已经大举进入电气传动调速控制的各个领域。 2 2 交流传动内燃机车的结构 交直交传动内燃机车与交流电力机车有相同的地方，如逆变器、牵引电机等， 但也有很多不同的地方。电力机车的电源是电压和频率固定的电网，容量很大；而 内燃机车则是由转速、电压和频率不断变化的柴油发电机组提供电力。两者的控制 对象及控制方式不完全相同。在对柴油机起动与转速控制、同步发电机电压控制、 恒功率控制以及电阻制动的控制等方面均需作特别的研究。内燃机车交流传动系统 主要由柴油机、主发电机、整流器、逆变器和牵引电动机组成。下图2 1 为一台典 型交流传动内燃机车的系统框图： 6 第二章交流传动内燃机车的结构 直流环节 图2 1 交流传动内燃机车系统框图 f i 9 2 1a c d r i v ed i e s e ll o c o m o t i v es y s t e md i a g r a m 下面简要分析各部分的工作特点 2 2 1 柴油机发电机组 内燃机车与电力机车的最大区别在于机车自带电源。这样柴油机的运用经济性 就成为决定内燃机车运用性能和经济性能的首要问题。柴油机的经济运行有其自身 的规律，依其最佳规律使用是机车经济性获得的基础。 ( 1 ) 柴油机的经济性 当柴油机设计定型后，如何使用是获得柴油机经济性的根本问题。对柴油机来 讲，最佳的经济性是在额定工况点的稳定工作状态中发挥，在不同部分负荷时也有 其相应的经济工作点n 利。当偏离这些经济工作点时，即便是稳态工作，经济性也会 下降。当然柴油机工况处于变动时，经济性更无从谈起。所以为使柴油机具有良好 的运用经济性，必须通过控制系统使柴油机在各经济工作点上稳定工作。而柴油机 处于动态工况时，应使柴油机动态工况同样按照一定的规律进行控制，并迅速地达 到指定的稳态工作点。当柴油机经济工作点的有关参数发生变化时，若仍按原来的 控制规律工作，同样会使柴油机的经济性下降。此时必须对柴油机的工作状态依据 有关规则进行修正以提高经济性。针对不同用途的机车，柴油机的运用工况差异很 大，因此采用的控制方法也会有相当大的差别。对调车机车，其工作特点是频繁的 起动、提速、减速和制动，还有较多的作业间歇。因此柴油机具有较多的部分负荷 7 内燃机车交流传动控制系统的研究 工况、动态工况及较大比例的柴油机怠速工况。 ( 2 ) 柴油机的控制及调速器 在机车的实际运行中，控制系统必须依据柴油机的工作状态对柴油机的供油量 进行调节，使柴油机在给定的转速上，发出一定的输出功率。该过程既体现在柴油 机的稳定工况，更体现在各种变化的动态工况。在动态工况，控制规律不同柴油机 的经济性会有相当大的差别，以至影响到机车的动态性能n 们n 5 1 。为保持功率平衡， 柴油机的输出功率必须由传动装置充分吸收。因此传动装置功率吸收的控制也属于 柴油机控制的范围。我们希望传动装置具有一定的功率闭环控制精度和比柴油机动 态响应更快的闭环控制特性。由于使用、维修、保养水平的差异，同型号的柴油机 性能也可能相差很大。为保持其经济性必须对柴油机有关运用参数作相应的改变， 这也是柴油机控制内容的一部分。 当采用以微机为核心的电子喷射技术时，能够综合诸多的柴油机状态信息和负 载信息，所以可以充分和主动地对柴油机进行控制，尤其是动态过程。 ( 3 ) 柴油机部分负荷时的牵引特性 由下图2 2 ，在机车持续速度v 1 以上，从柴油机额定功率至部分负荷，只要保 持发电机端电压相应于柴油机转速不变，随着牵引电机转子感应电势频率的变化， 直至最高转速均能实现柴油机恒功率的运用。在部分负荷工况，通过对异步牵引电 机控制规律的改变，还有可能产生低于额定功率时的机车持续速度。这一点是有利 的。 v 图2 2 柴油机额定及部分负荷时的机车牵引特性 f i 薛2l o c o m o t i v et r a c t i o no fd i e s e le n g i n er a t e da tt h et i m ea n dp a r t - l o a dc h a r a c t e r i s t i c s ( 4 ) 同步发电机 8 第二章交流传动内燃机车的结构 采用上述方案时，对同步发电机电压无特殊要求。在不考虑辅助功率的情况下， 通过闭环控制，对应一定的柴油机功率值，中间直流电压和电流均保持不变。当然 在柴油机部分负荷时，亦可采用高于线性变化的中间直流电压值，此时同步发电机 具有较高的端电压，这样异步电机的利用率得以提高。也就是说，保持恒功率的运 用工况点，可以使牵引电机在小转差范围内工作。而且电压值提高，电流值减小。 和电流有关的损耗，如发电机定子铜耗、整流损耗、异步电机定转子铜耗均可减小。 但反过来，和电压有关的损耗却增大。如发电机转子铜耗、定子铁耗、杂耗，异步 电机的定子铁耗和杂耗等从控制角度讲，异步电机运用工况均在小转差范围内工 作，相应地提高了有关参数的检测和控制精度。因此，柴油机部分负荷时中间电压 的选取同样是一个诸多因素合理、平衡后的结果n 8 1 。 2 2 2 中间直流环节 就传动特性而言，中间直流环节既是一个滤波器，又是一个能量存储和变换的 装置，在平衡功率波动方面起着决定性的作用。中间直流电压是交流传动牵引变流 器的一个关键参数。对于交流供电的电力机车而言，它决定牵引变压器、牵引变流 器以及异步牵引电动机等系统主要设备的电压等级；对于内燃机车而言，它决定主 发电机、主整流器、牵引逆变器、制动电阻以及异步牵引电动机等系统主要设备的 电压等级。在机车功率一定的条件下，也就决定了设备的输入输出电流，进而决定 设备的体积、重量。该电压值的优化选择是一个非常复杂的系统问题，主要由机车 功率、每台逆变器控制的电机数量、电机启动转矩和恒功率区宽度、逆变器开关元 件的电压和电流等级等因素综合决定。为便于电传动设备的标准化、系列化、模块 化以及产品的升级换代，目前研制的国产交流传动电力机车、电动车组、内燃机车、 地铁等车辆的牵引变流器采用的中间直流电压值主要有1 5 0 0 v 和2 6 0 0 v - 2 8 0 0 v 两 种。采用3 3 0 0 v i g b t ( t p m ) 元件满足1 5 0 0 v 中间直流电压标准的牵引变流器，应用 于地铁、中小功率内燃机车、动力分散型电动车组等车辆，如国产n j l 型内燃机车 和d w a 型地铁工程车。对于大功率电力机车、内燃机车以及电动车组等车辆，采 用4 5 0 0 v g t o 或i g b t ( i p m ) 元件满足2 6 0 0 v - 2 8 0 0 v 中间直流电压标准的牵引变流 器，如a c 4 0 0 0 电力机车中间直流电压值为2 8 0 0 v ，d j 型电力机车中间直流电压值 为2 7 0 0 v 、2 0 0 k m h 动力分散交流传动电动车组中间直流电压值为2 6 0 0 v ，d f 4 d a c 型内燃机车中间直流电压值为2 6 0 0 v 。 9 内燃机车交流传动控制系统的研究 2 2 3 牵引逆变器 ( 1 ) 逆变器形式的选择 交直交主电路逆变器形式主要有电流型逆变器和电压型逆变器。 1 电流型逆变器 电流型逆变器的中间直流回路采用大电感进行滤波。其主电路比较简单，在负 载较大时它有较好的换流能力。由于采用电流控制，可以把逆变器的输出电流限制 在允许的范围内。输出短路时，也不致损坏元器件。其主要缺点是，电流型逆变器 向电机提供2 n 3 的方波电流，使得电机电流中除了频率为五的基波分量f l 外，还包 括频率为( 6 k 士1 ) f l 的谐波电流，其中k = i ，2 ，3 。这些谐波电流在电机中产生 谐波力矩。电流型逆变器的输出端电压随着负载变化。如果用来向多台并联的电动 机供电，那么其中任何一个的电机负载的变化都会影响到其他电动机的工作嘲1 。所 以，电流型逆变器对于多电动机的传动系统是不合适的。 2 电压型逆变器 电压型逆变器的特点在于其中间直流回路是采用电容来维持直流电压的稳定。 在采用可控硅作为变流开关器件的情况下，由于必须采用辅助可控硅、换流电容器 等器件进行主可控硅的关断，因此，电路比较复杂。近年来，由于高定额g t o ，i g b t 等直接可关断开关器件的应用，己经不需要强迫关断的辅助电路。电压型逆变器的 显著优点是它可以通过调制技术，并适当设计牵引电机的电抗，使电机中出现更接 近正弦波的电流。 目前，在国内外交流传动机车上，电压型逆变器的应用占据着主导地位。因此， t y 0 5 型内燃机车采用电压型逆变器。 在现有的电力电子技术发展和经济性考虑下一般均采用“合适逆变器，大牵引 电机”的原则乜1 l ，于是主传动技术关键就转化为在现有的转向架空间尺寸内，异步 牵引电机所具有的性能能否满足需要；传动装置动态经济性的控制和机车牵引( 制动) 特性能否实现。 ( 2 ) 逆变器的配置方式 纵观目前已有的交流传动内燃机车，主要有以下几种形式： 1 一台逆变器驱动所有牵引电机； 2 逆变器组驱动所有牵引电机； 3 一台逆变器驱动一个转向架下所有电机( 架控式) ； 1 0 第- 二章交流传动内燃机车的结构 4 一台逆变器驱动一台牵引电机( 轴控式) 。 1 、2 两种在早期的交流传动机车上均有运用，优点是可防止单个轮对打滑，但 对整台车的轮径差要求严格，目前这种形式己不大采用，采用较多的是架控式与轴 控式， 下面简要分析其各自特点。 架控式特点： a 电力电子器件少。从可靠性角度看，元器件少，故障点就少，相对来说可靠 性高，经济性好； b 一个转向架一台逆变器，驱动系统控制结构简单，且有利于机车的整体布置； c 缺点是对轮径要求较高，粘着利用和抗故障性不如轴控式。 轴控式： a 单轴逆变器驱动，可获得最佳的粘着利用； b 抗故障能力强，故障查找相对容易，具有很强的完成任务能力； c 单轴控制降低了电力电子器件及相关电力器件的功率要求，冷却问题也容易 解决； d 缺点是逆变器总体积较大，控制系统较复杂。 ( 3 ) 电压型p w m 逆变器 目前，多采用电压型p w m 逆变器实现同时变压变频控制。从结构上看，现在 的变频器可分为间接变频和直接变频两类。目前应用的主要是间接变频装置，即先 将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变换成可控频率的 交流电。按照不同的控制方式，间接变频装置又可分为以下几种形式： 1 闸管整流器调压、逆变器调频的交直交变压变频装置； 2 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频的交直交变压变频装置； 3 不控整流、p w m 逆变器调压调频的交直交变压变频装置； 4 p w m 可控整流、p w m 逆变器调压调频的交直交变压变频装置。 第1 、2 种方法有功率因数低、输出谐波分量大的缺点，而第4 种方法的电路和 控制方式都比较复杂，因此，现在主要使用第3 种方法。逆变器工作的基本原理就 使用一系列等幅不等宽的p w m 波加到主电路上控制主电路的导通与关断，以得到 所需的电压、频率，达到变频调速的目的。 内燃机车交流传动控制系统的研究 第三章t y 0 5 型内燃机车传动控制系统 无论是调车还是干线机车，机车的运行状态是随着司机指令和线路阻力相应变 化的。传动系统的另一个功能是密切配合柴油机的动态控制过程，以获得期望的经 济性。因此对主传动系统既希望有不超过粘着利用的大的起动牵引力，又希望有尽 量宽的恒功率调速范围。针对此目标，在进行主传动方案设计时，必须对柴油机发 电机组和逆变器控制系统进行协调，从而得出一个技术经济性能指标均较为合理的 方案；围绕机车运用状态，同样对主传动系统各个环节的动态参数进行协调，得出 动态参数方案。综合这两个方面，从而找出一个合理的设计方案。 3 1 机车的牵弓i 性台皂 对于铁路牵引来说，无论是内燃机车还是电力机车都应满足的牵引性能包括： 平稳起动，足够大的起动牵引力，调速范围尽可能宽，有较大的高速利用功率。为 适应牵引运用的要求，通常将整个调频调速范围分成三个区段，如图3 1 所示： v m a x 图3 1 机车牵引运行的电气机械特性 f i 9 3 1o p e r a t i o no fl o c o m o t i v et r a c t i o no fe l e c t r i cm a c h i n e r yc h a r a c t e r i s t i c s ( 1 ) 起动加速区。在该区可实行恒磁通运行。对应于图中的区段1 以或1 2 ， 为了使机车能尽快起动和加速，应保证一定数值的牵引力。考虑到起动期间轮轨之 间粘着特性的限制，通常要求牵引电动机能发出1 2 1 5 倍的额定转矩。起动时， 控制系统应使转差频率五保持恒定，电机端电压研与定子频率五近似线性变化， 即锄= 常数，牵引电动机在恒转矩下运行。随着速度的提高，牵引电动机的输出 12 第三章t y 0 5 型内燃机车传动控制系统 功率增大，起动终了的速度( 点2 或点2 ) 决定于机车供馈能源所允许的持续功率。 对电力机车来说( 点2 ) ，该功率较内燃机车为大( 主要受机车柴油机牵引发电机组功 率的限制) 。与此同时，随着机车速度的提高，电机的端电压研近似线性增长到点 5 ( 内燃机车) 或5 ( 电力机车) 。 ( 2 ) 变电压、恒功率运行区。在该区段采用2 j 5 = 常数、办不变的恒功率调节 方式，即端电压仍随频率乃增加而增加。保持磁通近似恒定。这一区段对内燃机 车来说，为了充分利用柴油机的功率，扩大恒功率调速范围，通常更为重要，对应 的电压曲线大致按区段5 - - 6 变化。而对电力机车来说，此段并不重要，可有可无。 ( 3 ) 恒电压、恒功率运行区。在该区段采用巩不变，正锄= 常数的恒功率调节 方式。因为电压研的提高事实上受到逆变器输出电压的限制，当电动机达到最高电 压后一般不再增加，如图上区段6 7 属内燃机车，区段6 7 属电力机车。在恒电 压下，供电频率的增加使牵引电动机产生磁场削弱的效果，此时牵引力随机车速度 ( 供电频率) 的增加成反比下降( 内燃机车为区段3 - - 4 ，电力机车为区段3 47 ) ，类似 于直流串励电动机的转矩特性。 为了满足上述三个区段的运行要求，应对牵引电动机作出相应的性能调节。机 车运行过程中，要求不断地迅速地加速或减速，而其机械惯性极大，当为了加、减 速度而改变定子频率时，可能会因定子频率和电机的实际旋转频率相差过多而超出 临界转差频率的范围，从而导致不稳定的运行口3 1 。 因此，机车上需要一个有着快速响应的闭环系统对转差频率也进行精确控制。 闭环系统直接控制的参数可以是电压奶和转差频率五，也可以是定子电流乃和正， 通常称为转差控制。 应当说明，对于高速电力机车，为了能在最高速时使功率达到额定功率，可特 意使逆变器的输出电压在该区能提高到点7 ”，这正是异步牵引电动机相对于直流牵 引电动机的显著优点。因为直流牵引电动机的磁场削弱受到换向条件的严格限制， 最高速度时只能发挥7 0 - - - 8 0 的额定功率。 内燃机车牵引特性基本上由两部分组成：一部分是牵引力几乎恒定的起动和加 速阶段，如图3 2 中虚线a b 所示；另一部分是牵引力和速度呈双曲线规律变化的 恒功率阶段，如图中虚线b c 所示。 1 3 内燃机车交流传动控制系统的研究 m ， a 下 m q 上 v ， c tt t ? 图3 2 机车牵引特性的形成 f i 酪2t h ef o r m a t i o no fl o c o m o t i v et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 这里先简要分析一下对异步牵引电动机进行变频调速实现恒功率牵引的问题。 设图3 2 的恒功率牵引区段给出了异步牵引电动机的两条机械特性曲线，分别对应 的频率为力 t i np t 0 假如机车在初始的工作状态时，异步牵引电动机的供电频率是力， 机车的阻力矩曲线是m z ，这时异步牵引电动机稳定工作在恒功率曲线上的g 点， 即异步牵引电动机机械特性与阻力矩曲线的交点。如果机车的阻力矩曲线由尬，变 化到m z 2 ，则异步牵引电动机的新的工况点必然落在新的阻力矩曲线m z 2 与机械特 性曲线的交点g j 上，此时异步牵引电动机输出转矩小于恒功率要求的牵引转矩，使 机车柴油机“欠载 。这时机车的功率闭环控制系统发出一个“增功率 信号，经过 信号变换，“增功率”信号转换成“增频率”信号，使供给异步牵引电动机的电源频 率由力增加到石”，迫使异步牵引电动机的机械特性由尬变为m 2 ，在新的频率办” 和机械特性m 2 条件下，异步牵引电动机的新的工况点就落在h 点上。如果这个h 点也正好落在恒功率牵引特性上，柴油机的“欠载”现象将被消除，控制系统就不 再发出“增频”信号，异步牵引电动机就稳定在疗频率下工作，机车又实现了恒功 率牵引。如果h 点不在恒功率牵引特性曲线上，柴油机仍会表现出“欠载”或“超 载”状态，控制系统会继续发出“增频 或“减频信号，亦即不断改变异步牵引 电动机的机械特性，直到实现恒功率牵引为止。 以上分析说明，铁路牵引传动要求在宽广的速度范围内，对每个速度点都能提 供合适的力矩值。所以速度和力矩值被认为是系统的被调量，并被取为闭环控制的 反馈信号。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是毋庸置疑的。但关键是如何 1 4 第三章t y 0 5 型内燃机车传动控制系统 提高系统的动态性能，来适应机车牵引时的较大负载变化和速度变化。 任何电气传动自动控制系统都服从于基本运行方程式 z 一乃：二丝( 3 1 ) 。 n p d t 式中：疋为电动机的电磁转矩；t l 为负载转矩；j 为电机的转动惯量；n p 为极对数； 如d t 为电机角加速度。 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率d w d t 。显然，控制 电磁转矩疋就能控制如魂，因此，调速系统动态性能的好坏就取决于其控制转矩 的能力。 在直流电动机中，转矩闭环控制比较容易实现。因为当气隙磁通恒定时，电动 机的转矩与电枢电流成正比，所以，利用一个快速作用的电枢电流环既可以有效地 控制转矩，又可以在暂态或稳态过载时保护变流器或电动机出现过电流现象。但是， 对于交流异步电动机来说，事情就没有那么简单了。交流异步电动机是一个复杂、 非线性、多变量控制对象，而且在鼠笼结构中无法直接检测转子电流。因此，交流 传动不像直流电动机传动系统那样，有一种标准的控制结构，而是先后开发出各种 各样的方法【2 6 1 。根据异步电动机转矩生成的物理机理和数学表达式，除了直接采用 转矩作为反馈信号进行直接转矩控n # i - ，还可以结合与转矩相关的气隙磁通、转差 频率或定子电流的控制环，实现间接转矩控制。应当注意的是，无论控制结构如何 复杂，或采用什么样的反馈环和反馈量，逆变器只有两个控制变量，即电压和频率， 故一般通称为v w f ( 变压变频) 逆变器。 目前，在交流传动机车和动车组上，比较普遍采用的电动机控制策略有三种： 转差频率控制、磁场定向矢量控制和直接转矩控制。三种控制策略均可用于交直 交电力机车或交直交电传动内燃机车。然而，在内燃机车上还必须对柴油机按额 定功率或部分功率最佳化进行恒转速恒功率控制，交流传动控制系统须与之相配合。 因此，内燃机车交直交传动控制系统是集柴油机控制和交流传动控制为一体的机 车牵引控制系统。 在交直流传动系统中，柴油机的恒功率运行是通过调节牵引发电机励磁电流来 达到的。而在常用的电压型交直交传动系统中，当速度档位信号一定时，中间直 流回路电压恒定，即牵引发电机经不可控整流装置输出的直流电