（电力电子与电力传动专业论文）内燃机200kw供电牵引变频技术的研究.pdf

中文摘要 l i i ii i ii i ii iii i i ii iiil 17 8 9 4 6 7 太原机车厂研制的t y 0 5 型交一直一交传动内燃机车的主传动控制系统，电源部分 采用了传统的联合调节器式的内燃机一发电机组，牵引电动机采用了动态性能不是很高 的转差频率控制，但由于内燃机一发电机组的容量相对有限及其大惯性的特点，当负载 突变或运行环境变化时，机车经常发生卸载现象。 本文针对原有控制系统的缺点，对t y 0 5 型内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频控制系统做了 改进，牵引异步电机采用转差频率矢量控制，添加了一套内燃机一发电机组恒功率励磁 控制系统和中间直流环节电压控制系统，与电机变频调速控制系统配合来实现机车传动 系统的功率输入与输出的平衡。各控制系统按模块化设计，提高了交流传动系统的动态 性能和稳态性能，使整个系统协调运行。 本文首先介绍了交流传动内燃机车的发展状况，对交流电传动内燃机车的传动结构 以及传动过程中的能量流动及转换进行了详细的分析。其次介绍了t y 0 5 型交流传动内 燃机车的供电牵引变频控制系统，分析了t y 0 5 型内燃机车内燃机一发电机组的特点及 其整个控制过程，找出了各系统模块存在的问题与不足，并详细的分析了造成机车卸载 的原因。然后对机车供电变频控制系统进行了改进，牵引电动机采用转差频率矢量控制 方法，根据不同调速阶段的特点自动协调运行，使机车的恒功率控制在变频调速控制系 统上得到了完善，提高了整个系统的动态性能；增加了主发电机恒功率励磁控制系统中， 达到了调整牵引发电机恒功率输出的目的；增加了中间直流环节电压控制系统，并对中 间电压控制系统的调试做了说明，使发电机能够满足牵引电机对中问直流环节能量的需 求。最后利用m a t l a b 进行了系统仿真，仿真结果表明，该方案增强了系统的抗干扰性能， 使系统能够- i f 常稳定的工作。 关键词：交流电传动；中问直流环节；转差频率；矢量控制；恒功率励磁控制；异步电 机 i l l j i a b s t r a c t 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 5 - t y p ea 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 e f a c t o r y ，t h e i 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 i o ni su s e da sp o w e r s o u r c e ，t h 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 yc o n t r o l w 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 ft h ei n t e r n a l c o m b u g 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 ti sal a r g e i 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 ge n v i r o n m e n ti sc h a n g e d ，l o c o m o t i v e i sa l w a y sr u nd o w n i nt h i sp a p e r ，f o rt h es h o r t c o m i n g so ft h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m ，h a v i n g i m p r o v e dt y 0 5 一t y p ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e2 0 0 k wp o w e r t r a c t i o ni n v e r t e r c o n t r o ls y s t e m ，t h ep o w e rs e c t i o ni st h et r a d i t i o n a lc o r e g u l a t o r - t y p ei n t e m 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 rs e t ，t r a c t i o ni n d u c t i o nm o t o rm a k e su s eo fs l i p f r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o l ，a n da d d as e to fi 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 c o n s t a n tp o w e re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n di n t e r m e d i a t ed cl i n kv o l t a g e c o n t r o l s y s t e m ，w h i c hw i t h t h em o t o rf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e ma c h i e v e s l o c o m o t i v ed r i v es y s t e mp o w e rb a l a n c eb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t t h ec o n t r o l s y s t e ma c c o r d i n gt o m o d u l a rd e s i g n ，i m p r o v e da cd r i v es y s t e md y n a m i c p e r f o r m a n c e a n ds t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c e ，t h a t m a k et h ew h o l e s y s t e m c o o r d i n a t eo p e r a t i o n a l l y a n dt h e ni m p r o v el o c o m o t i v ep o w e rc o n v e r s i o n c o n t r o ls y s t e m s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fa cd r i v ed i e s e ll o c o m o t i v e ，a n d i nd e t a i la n a l y s i so fa cd r i v ed i e s e ll o c o m o t i v et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ea sw e l la s t h e e n e r g yf l o wa n dc o n v e r s i o n i nt h e p r o c e s s o ft r a n s m i s s i o n s e c o n d ， i n t r o d u c e dt y 0 5 一t y p ea cd r i v ed i e s e llo c o m o t i v et r a c t i o ni n v e r t e rp o w e r s u p p l yc o n t r o ls y s t e m a n da n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft y 0 5 一t y p ed i e s e l 一 r 一 ， 一 e n g i n e g e n e r a t o rs e ta n dt h ew h o l ec o n t r o lp r o c e s s ，t h e nh a sf o u n dv a r i o u s s y s t e mm o d u l e sp r o b l e m s a n ds h o r t c o m i n g s ，e x h a u s t i v e l ya n a l y s i so ft h e r e a s o n sc a u s i n gl o c o m o t i v eu n l o a d i n g t r a c t i o nm o t o ra d o p t ss l i pf r e q u e n c y v e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，a c c o r d i n gt od if f e r e n ts t a g e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f l i l s p e e da u t o m a t i cc o o r d i n a t e do p e r a t i o n ，w h i c h m a k e sl o c o m o t i v e sc o n s t a n t p o w e rc o n t r o lc o n s u m m a t e di n v v v fc o n t r o ls y s t e m ，a n dw h i c hx m p r o v e o v e r a i ls y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e i n c r e a s ei nt h em a i ng e n e r a t o rc o n s t a n t p o w e r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a d j u s t e dt oa c h i e v et r a c t i o ng e n e r a t o rc o n s t a n t p o w e ro u t p u t ，i n a d d i t i o n i n c r e a s eo fi n t e r m e d i a t ed cl i n kv o l t a g ec o n t r o l s v s t e m ，a n di n t e r m e d i a t ev o l t a g ec o n t r o ls y s t e md e b u g g i n g i se x p l a i n e d ，s oa st o m a k et r a c t i o nm o t o rg e n e r a t o rm e e tt h ei n t e r m e d i a t ed c l i n ke n e r g yd e m a n d a t l a s t u s eo fm a t l a bf o rt h es y s t e ms i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o g r a mh a si m p r o v e da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m ，e n a b l i n gt h e s y s t e mt on o r m a la n d s t a b l ew o r k k e yw o r d s ：a cd r i v e ；i n t e r m e d i a t ed c l i n k ；s l i pf r e q u e n c y ；v e c t o rc o n t r o l c o n s t a n tp o w e re x c i t a t i o nc o n t r o l ；i n d u c t i o nm o t o r i v 目录 引言1 第一章概述3 1 1 国外交流传动内燃机车的发展状况3 1 2 交流传动内燃机车的性能特点4 1 3 我国交流传动内燃机车的发展状况5 第二章交流电传动内燃机车的传动结构一7 2 1 内燃机车的传动类型和形式7 2 2 交流传动电路8 2 2 1 能量流转换。9 2 2 2 柴油机发电机系统l l 2 2 3 中间直流环节13 2 2 4 牵引逆变器1 3 第三章t y 0 5 型内燃机车牵引变频控制系统1 7 3 1t y 0 5 型内燃机车牵引电机的特性1 7 3 2t y 0 5 型内燃机车牵引变频调速控制系统1 8 3 2 1t y 0 5 型变频牵引调速系统的控制方式18 3 2 2t y 0 5 型牵引变频调速系统的工作模式1 9 3 2 3t y 0 5 型内燃机车牵引变频调速控制系统存在的问题2 0 3 3t y 0 5 型内燃机车微机控制系统2 0 3 3 1t y 0 5 型控制系统的基本组成2 0 3 3 2 控制系统的基本工作原理2 l 3 4 内燃机车控制系统的不足2 2 第四章t y 0 5 型内燃机车2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究2 3 4 1 交流主传动2 3 4 1 1 主发电机及其励磁2 3 4 2 异步电动机变频凋速控制系统的分析2 4 4 2 1 异步牵引电动机特性2 4 4 2 2 机车的牵引性能分析2 8 v 4 2 3 牵引电机控制策略简介31 4 3 内燃机车异步电机的转差频率矢量控制策略3 3 4 3 1 矢量控制数学建模3 3 4 4 机车牵引电机转差频率型矢量控制结构原理3 9 第五章t y 0 5 型内燃机车微机控制系统改进4 5 5 1 微机控制系统主要功能4 5 5 2 微机控制系统原理4 6 5 3t y 0 5 型内燃机车微机控制系统总体架构设计4 6 5 3 1t y 0 5 型微机控制系统总体结构4 6 5 3 2t y 0 5 型微机控制系统各模板功能概述4 7 5 4 机车励磁控制系统4 9 5 4 1 恒功率调节系统5 0 5 4 2 恒功率励磁控制系统的基本工作源理5 2 5 5 中间直流环节电压控制系统5 3 5 5 1 中间直流环节电压特性曲线5 3 5 5 2 中间直流环节电压调节的控制5 4 5 5 3 熊量需求影响以及中间直流环节电压调节技术5 5 第六章改进后的t y 0 5 型内燃机车牵引特性仿真分析5 7 6 1 系统构成及模型介绍5 7 6 2 仿真结果及分析5 9 第七章总结与展望6 l 7 1 本文的主要结论6 1 7 2 今后工作展望6 l 参考文献6 3 致1 谢6 7 攻读硕士期间发表的学术论文6 9 v i 引言 引言 我国从1 9 5 8 年开始制造内燃机车，先后有东风型等多种型号机车最早投入批量生 产，然而此阶段的内燃机车大多都采用直流传动方式。随着铁路高速化和重载化进程 的加快，进一步研究设计、开发与之相适应的内燃机车势在必行。1 9 9 9 年9 月交流传动 “捷力型”调车内燃机车的研制成功，标志着我国内燃机车进入交流传动时代。近几 年铁路运输事业在我国发展迅速，f l 】机车车辆产品也进入了史无前例高速的发展阶段。 今后内燃机车的性能要随着“重载、提速 的变化而提高。 随着交流传动技术的成熟，内燃机车交流传动成为机车主要传动方式是必然趋势， 结合我国内燃机车的发展特点，太原机车厂研制了t y 0 5 型交一直一交传动内燃机车。 但由于牵引电机变频调速、内燃机一发电机组以及中间直流环节控制存在不足，容量 相对受限，存在着自订后反应不协调的问题；对于机车牵引电机逆变系统采用转差频率 控制，此控制方式控制精度低，调速范围窄，最大的缺点就是动态性较差，每当运行 工况发生突变时，机车会产生自动熄火或者表现出前后负荷脱节的现象。所以，对t y 0 5 型内燃机车2 0 0 k w 供电牵引变频控制系统的改进，提高整个系统的协调性，使整个系 统能够平稳顺利运行，是本文研究的主要内容。全文共分六章，各章主要内容如下： 第一章主要对交流传动内燃机车国内外发展历史做了回顾与阐述，简要的介绍了 交流传动内燃机车的优点，通过分析我们了解到我国交流传动内燃机车还具有很大的 发展空间。 第二章介绍了交流电传动内燃机车的传动结构，并分析了机车主传动各部分的特 点以及传动过程中的能量流动及转换。 第三章详细阐述了t y 0 5 型交流传动内燃机车原有的牵引变频控制系统，说明了 t y 0 5 型内燃机车内燃机一发电机组的特点及其整个控制过程，找出了各系统模块存在 的问题与不足。 第四章深入研究了t y 0 5 型内燃机车2 0 0 k w 供电牵引变频控制系统存在的不足，分 析了内燃机车牵引异步电机的特性，提出了转差频率矢量控制策略，并对机车牵引变 频调速系统进行了改进。使电动机的转矩脉动减小，转矩动态响应得到了提高，从而 使异步电机变频调速后的机械特性以及动态性能得到了大大的提高，也使机车的恒功 率控制在变频调速控制系统上得到了完善。 第五章对t y 0 5 型内燃机车微机控制系统进行了改进，增加了主发电机恒功率励磁 控制系统中，达到了调整牵引发电机恒功率输出的目的。增加了中问直流环节电压控 内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 制系统，并对中间电压控制系统的调试做了详细的说明，使发电机满足牵引电机对中 间直流环节能量的需求，更进一步的解决了功率输入输出不匹配的问题，使内燃机车 达到了稳定协调运行的目的。 第六章对改进后的内燃机车供电牵引变频控制系统进行仿真，由仿真结果可以看 出，整个系统到达了协调运行的目的，说明本文对t y 0 5 型内燃机车交流传动供电牵引 变频控制系统的改进是可行的，抗干扰能力明显提高。整个系统运行的可靠性、稳定 性与控制精度也得到了改善。 最后部分总结了前面所做的工作，并对本文涉及的t y 0 5 型交流传动内燃机车系统 中存在的其它问题进行了简单分析，提出了需要进一步研究的问题。 2 第一章概述 第一章概述 1 1 国外交流传动内燃机车的发展状况 欧洲是交流传动内燃机车的发源地。而在欧洲德国是最早开始研究交流传动内燃 机车的国家，最早可追溯到上世纪7 0 年代，那时德国对交流传动研究投人很大，在世 界上也是首屈一指。1 9 7 1 年世界上首台交流传动内燃机车研制制造成功，并顺利通过 试运行，它是原西德的h e n s c h e l 公司和b b c 公司研制开发的，这两大公司于1 9 6 5 年就 开始研发交流传动内机车，1 2 l 此稳定运行的首台交流传动内燃机车被命名为d e 2 5 0 0 型 机车。然而那时的技术水平还具有相对的局限性，再加上电力电子器件的应用还在起 步阶段，控制系统技术水平还有待于完善，因此这一机型并没有广泛应用。 进入8 0 年代，随着技术的进步，交流传动技术进入了快速发展阶段，随着研究的 深入，交流传动技术大量应用于各种型号的内燃机车、动车上。在这一时期欧洲作为 交流传动的发源地，交流传动技术得到了突飞猛进的增长。其中德国研制的交流传动 内燃机车种类多、功率等级多样，是当时交流传动技术的代表，在世界范围内带动其 他国家在交流传动技术上的发展。与此同时，交流传动技术在其他国家也得到突破性 的发展。1 9 8 3 年，意大利生产出了d 1 4 5 q 2 0 0 0 型交流传动内燃机车，主要用于调车作 业，这是意大利f i a t 公司与p a r i z z i 公司合作专门为意大利国家铁路研制的。1 9 8 5 年，芬 兰的v a l m e t 公司也加紧研制开发属于自己的交流传动内燃机车，通过技术攻关也成功 制造出了d r l 6 型通用型机车，主要用于干线调车。西班牙的工义公司也紧随其后，1 9 8 6 年3 1 1 1 型交流传动内燃机车终于成功下线，这标志着西班牙在内燃机车行业步入了国 际先进行列。 美国在交流传动内燃机车方面起步较晚，当欧洲在8 0 年代对交流传动研制如火如 茶的时候，美国却对其鲜有重视。进人9 0 年代，交流传动技术的研发已经成进入了一 个高速发展的阶段，交流传动技术也成为各国各大公司发展的重点热点，许多国家也 已经掌握了这一技术，研制出了属于自己国家的交流传动内燃机车，并得到了广泛的 推广应用。1 3 】_ 【4 】在这个时期，美国加大了对交流传动内燃机车的研究力度，在机车的 研制与应用上也慢慢的赶了上来，甚至超出了其他国家水平。这一时期g m 公司和g e 公司是美国在交流传动技术方面的代表，其中g m 公司早在在1 9 9 2 年就首先成功开发 出了自己的交流传动内燃机车，被命名为s d 6 0 m a c 型，后来被广泛推广应用的如 s d 8 0 m a c 、s d 7 0 m a c 以及m d 9 0 m a c 型交流传动内燃机车都是此公司生，汜的。而如 a c 4 0 0 0 、a c 6 0 0 0 型交流传动内燃机车是g e 公司推出的，由于两大公司在其技术上的 3 内燃 o l 2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 领先和随着其研制的机车大量推广应用，两大公司订货在当时国际卜首屈一指。 交流传动内燃机车的发展应用已是大势所趋。到现在为止，经过几十年的发展， 内燃机车交流传动技术已经得到了长足的发展，我们从交流传动内燃机车的发展可以 看出，这一技术源于德国，后来随着技术的进步和机车高性能的体现，这一技术在芬 兰、西班牙、美国、日本、意大利、法国、英国等国得到了推广。技术水平和生产应 用规模不断提高和扩大。近几年，在交流传动内燃机车上作出显著成绩的首推美国， 从而在世界上促进了交流传动内燃机车的发展。如今各大机车公司为了争夺机车市场， 都转向了大功率内燃机车交流传动技术的研究上。 1 2 交流传动内燃机车的性能特点 内燃机电传动的传动方式，先后经历过直一直传动、交一直传动，到了上世纪7 0 年代出现了交二直一交传动，即通常所谓的交流电传动。这种传动方式被认为是现代 机车的标志。交流传动内燃机车的牵引电机大多使用异步电机，这是由于异步牵引电 机与传统的直流电机相比具有许多优点，牵引电动机特性的对比如下： ( 1 ) 允许转速较高和效率较高； ( 2 ) 电机转子对潮湿损坏不敏感，且无换向问题； ( 3 ) 能够得到较大的牵引力； 、 ( 4 ) 电机机械特性硬，具有自然的防空转的性能，使机车粘着利用提高； ( 5 ) 电机换向器不存在烧损的热一机械问题； ( 6 ) 结构简单，成本较低。 所以异步牵引电机的优越性也体现了交流传动内燃机车的优越性，交流传动内燃 机车与直流传动内燃机车对比其优越性具体体现如下： ( 1 ) 粘着利用力高； ( 2 ) 传动效率高； ( 3 ) n 动力、机车牵引力高； ( 4 ) 可靠性高，磨损小，降低了运营及维修成本。 从国际上看，1 兰12 0 世纪5 0 年代由蒸汽过渡到内燃以来，交流传动技术给铁路牵引 动力领域带来了最大的变革，它使内燃机车在牵引力等关键技术性能方面取得了突破， 相信今后随着技术的同趋成熟、需求量的加大、成本的下降，最终将完全取代交一直 流传动机车。1 5 j 4 第一章概述 1 3 我国交流传动内燃机车的发展状况 近几年铁路运输事业在我国发展迅速，机车车辆产品也进入了史无前例高速的发 展阶段。今后内燃机车的性能要随着“重载、提速”的变化而提高，因此铁路部门要 抓住机遇、迎难而上、加紧开发研制我国的交流传动内燃机车势在必行。 1 9 9 9 年9 月交流传动“捷力型”调车内燃机车的研制成功，标志着我国内燃机车进 入交流传动时代。2 0 0 0 年6 月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的4 0 0 0 马力 d f 4 d j 型客货运两用交流传动内燃机车落成，2 0 0 2 年沈阳机车厂研制出5 0 0 0 马力 d f 8 b j 交流传动货运内燃机车，特别是2 0 0 3 年，戚墅堰机车车辆厂试制成功了功率为 6 0 0 0 马力的d f 8 c j 型交流传动货运内燃机车，并顺利完成1 5 万公罩运行考核试验和各 项性能试验，各项技术经济指标已接近国际先进水平。这标志着我国铁路交流传动技 术“十年转换”工程已全面启动，也意味着我国大功率内燃机车将跨入全面实现交流 化的新时代。 6 1 然而我国的交流电传动内燃机车才刚起步，交流传动机车还处在试制、 试用阶段，有许多技术工艺上的难关需要克服。相信随着电力电子技术的提高和控制 技术的进步，交流电传动逐步取代交一直传动成为机车的主要传动方式是大势所趋。 5 内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 6 第二章交流传动内燃机车的传动结构 第二章交流电传动内燃机车的传动结构 2 1 内燃机车的传动类型和形式 内燃机车能量供应的核心部件就是柴油发电机组是，内燃机首先把热能转换为机 械能，然后机械能再转化为电能，这一转换是通过发电机完成的。那么机车的主传动 就是从柴油机开始的，动力从柴油机输出轴传递到机车轮对这一过程经常被称为机车 主传动。其次还有机车辅助传动，它包括机车柴油机冷却风扇、制动系统的空压机以 及牵引电动机通风机等机车重要辅助设备。车的工况和性能主要取决于主传动的控制， 辅助传动主要用来保证机车柴油机和主传动部件以及其他附属设备能顺利安全的工 作。 电传动已经成为当今内燃机车的主传动，然而交一直流电传动在我国内燃机车传 动方式中占据着重要地位，因此交流传动的发展潜力巨大。 交一直传动内燃机车的牵引电机为直流电机，实践证明以直流牵引电机做牵引动 力的电传动内燃机车存在以下不易解决的问题。其一，功率提高的局限性是直流传动 内燃机车所面临的问题；第二，直流传动机车的粘着利用率低，对于串励直流牵引电 动机，由于其具有较软的负载特性，那么由此就会导致交一直流电传动内燃机存在一 个难题，也就是在电阻制动工况下轮对空转时以及在机车牵引工况下的滑行；第三， 直流牵引电动机结构复杂，不利于降低内燃机车的轴重和簧下重量，进而不利于降低 高速或重载机车在运行中对路轨的冲击力；第四，直流电动机具有窄范围的调速特性。 基于以上直流传动内燃机车所面临的问题，交流机车就应运而生，其中以交一直 一交机车最为流行，它的主传动形式主要是采用采用- - 卡1 7 1 交流异步牵引电动机。【7 1 【8 】 由于交流电机与直流电机相比具有例如较硬的负载特性等诸多优点，并且其变频变压 技术达到了一定的高度，交流传动机车的粘着利用率大大提高，采用交流传动的内燃 机车的牵引能力也得到了提高，另外调速范围也得以扩大。还有与直流电机相比较交 流电机具有很轻的重量，那是由于交流电机铜所占的比重较小，因此这对于交流传动 内燃机车轴功率的提高很有利。众所周知直流电动机存在换向器和碳刷，那么就使其 结构复杂，以此增大了电动机的维修量，而交流电动机电机不存在换向器，也就不存 在烧损的热一机械问题；因而结构简单，成本较低。由于以上诸多因素，内燃机车交 流传动技术的应用，特别是交流电动机的应用使机车的提i + 能力和水平得到了克服。 交流电传动机车控制系统主要包括柴油机恒功率控制、机车速度控制、牵引力控 制、机车电阻制动控制、粘着控制、柴油机启动和调速控制、包括柴油机等机车各系 统的保护、报警、参数显示以及机车辅助电传动的控制。柴油机恒功率控制的核心在 7 内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 于对机车牵引主传动和辅助传动系统功率之间的转移控制。机车速度和牵引力控制的 核心内容在于利用交流异步电动机的特性、发挥电力电子元件特点的转矩控制。实现 内燃机车交流传动的一个难点和重点就在于对主发电机励磁和异步电动机的控制以及 两者之间的协调，在具备交流辅助传动系统的机车上功率控制的实现更要复杂。内燃 机车内部的能量流动在一个比较封闭的体系内，一方面要保证柴油发电机组这个“源 的工作稳定性，另一方面要保证机车的性能要满足在广阔的、复杂的使用条件下运用， 实现这两个方面的基础是机车内部的能量分配和控制协调，信息传递为这两方面的实 现充当载体。针对内燃交流传动的技术特点，新型机车研发所涉及到的变频异步交流 电机控制技术、交流控制技术、微机控制技术、机车各分系统之间的统筹协调及通讯 技术等等在理论上己基本成熟。随着新器件、新工艺、新技术的不断出现电传动系 统的实现手段也越来越丰富。【9 】 近年来电力电子技术更新换代加快，控制技术的发展也达到了空前的水平，特别 是计算机控制技术的成熟与广泛应用，机车交流电传动也随之迅速的发展。电力电子 器件的发展使交流电机的变频控制技术也得到了长足的发展，从而使交流电机也可以 像直流电机那样得到高性能的调速特性和牵引特性，这都要得益于异步电机以及逆变 器控制技术的发展。异步电动机的变频控制理论的不断突破和微处理器件及其控制技 术的日新月异，成熟的变频电机设计制造技术都为交流传动技术提供了峰实的基础。 从g t o 发展至u i g b t ，对变频控制而言具有革命性意义，目前集驱动、保护于一体的智 能型功率模块i p m 又成为新宠。数字信号处理器( d s p ) 作为变流器控制核心，高运行速 度为高精度控制、复杂算法的实现提供了可能。交流异步牵引电动机的变频变压控制 的技术要素在于交流异步电动机的分析研究，变流器的控制应用。【lo 】随着控制技术和 控制手段的不断提高，变频调速超过了直流电动机调压调速性能。矢量控制方法的提 出具有划时代的意义。场定向控制、矢量控制等在理论上的成熟，使其在机车传动控 制上得到了广泛应用。 2 2 交流传动电路 如下图2 1 所示为交流传动机车电路的基本组成。 由上下图可以看出传动电路辛要由柴油机发电机组、整流器、中问直流环节、逆 变器，控制系统以及牵引电动机组成，其中主发电机与辅助发电机由柴油机提供动力， 带动其发电。主发电机输出三相交流电，主整流柜接收到主发电机的三相交流电后经 整流输出为中间直流环节电压，其中直流支撑电容、电阻制动装置等组成中间直流环 节。逆变器的作用就是接收中间直流环节输出的直流电压，并将其逆变为可调频调幅 8 第二章交流传动内燃机车的传动结构 的三相交流电压，为内燃机车牵引电动机提供动力电源。 ，厂一 t 竺，1 3 1 。 l i- 二 3 中间茂 流环肖 i二3 一 厂ij - 微机一 - 厂1 转 t m 2 向 架 1 一t m 3 1 _ 广t 鼍4 转 ；眦星 一 厂l 二6 ，2 图2 1 典型交流传动机车电路系统框图 f i 9 2 1at y p i c a lb l o c kd i a g r a mo f a cd r i v el o c o m o t i v ec i r c u i ts y s t e m 2 2 1 能量流转换 图2 2 表示交流传动内燃机车的能量流动及变化。 通风机 ! 冷却风机i 其他电机蔷篇警 ：其他负载 十 i 辅助发电机! 臣叫匠产蜒兰吨i i 茹唪三銎亘型电刚 图2 2 能量流向过程 f i 9 2 2t h ep r o c e s so fe n e r g yf l o w 图中：g h p 为柴油机总功率；a h p 为辅助功率；t h p 为牵引功率；n t h p 为净牵引 功率；r h p 为牵引轮周功率；b h p 为轮周电阻制动功率 在机车运行过程中，燃油提供机车运行的能量来源，我们暂且把柴油机给发电机 提供的机械能叫做柴油机的总功率，如上图g h p ，它是由燃油燃烧的热能转化而来的。 由图中可知，柴油机机械能g h p 一方面施加给辅助发电机，使辅助发电机输出电能传 递给辅助设备。另一方面施加给主发电机，使主发电机输出供牵引电动机利用的电能， 9 内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 这部分能量先经过整流器经整流后，再流经逆变器逆变为三相交流电，最后提供给牵 引电机经机车轮对转化为机械能，最终带动机车运行。1 能量过程中可用如下公式来 表示： 砰妒= g 脚卅御 ( 2 一1 ) r h p = 砰炉一e f f i c i e n c y( 2 - 2 ) 式中：e f f i c i e n c y 为辅助功率系数、牵引发电机效率、牵引整流器效率、逆变器效 率、牵引电机效率以及机械传动转换效率等的乘积。下图为牵引工况下主传动能量传 递过程。 燃油二i ! ! 柴油机l 生! 塑! 掣主发电机l 生j 堇塑0 主整流柜l ，一：厂1 f 一 电能r 一一 l ，j l 一j l 。，一 电能l ( 直流) l 攀磊i 茸i 茸囊纛j l，! l 一 ，一一j l 一一 图2 3 机车牵引能量传递过程 f i 9 2 3l o c o m o t i v et r a c t i o ne n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s 在机车高速运行时，如果此时机车需要制动，那么在这过程中会产生电阻制动， 此时轮周电阻制动功率b h p 会带动牵引电机运行，为其提供动能，那么牵引电机将作 为发电机运转，输出电能，流经逆变器，把电能输送给中间直流环节，然而此部分电 能大部分被制动电阻所消耗，转换为热能散发掉。如图2 4 为能量传递过程。 图2 4 机车高速度下进行电阻制动能量传递过程 f i 9 2 4r e s i s t o rb r a k i n ge n e r g yt r a n s f e rp r o c e s su n d e rt h el o c o m o t i v er u n n i n ga th i g hs p e e d 机车低速度电阻制动工况，此时机车制动需要很大的制动力，只靠轮对的滚动动 能提供制动力是不足够的，这时就要设法来给机车提供较大的制动力，这时就需要从 逆变器分析，如果此时中白j 卣流环节的能量流入逆变器，那么与此同时中间直流环节 电压将发生波动，会导致其欠压，凶此牵引发电机需要给整流器供电，维持直流环节 1 0 第二章交流传动内燃机下的传动结构 的电压恒定，这时主传动能量传递过程与机车牵引能量传递过程是相同的。 从以上分析我们可知中间直流坏节起着承上启下的作用，它是能量转换的中枢， 因此对中间直流坏节电压的调节控制关系到机车能否稳定协调运行，也直接影响着各 系统之问的能量传递。 2 2 2 柴油机发电机系统 电力机车是外接电源，并且电网的功率可以认为是无限大的，而内燃机车靠内燃 机发电机组提供电源，功率大小有限。那么内燃机车运行的经济性，就要由柴油机运 行的经济性所决定，因此柴油机发电机组的运行经济性首先体现在柴油机上。柴油机 作为机车能量的来源，有其自身的特性和规律组成，若要使机车能够获得最佳的经济 性，就要从内燃机发电机组着手，研究其规律即发电机电压输出的特点。 交流传动内燃机车利用柴油发电机组提供电源，提高了机车运行的灵活性，提高 了其对坏境的适应能力，摆脱了像电力机车那样对电网供电的依赖。柴油发电机组可 以认为是一种小型独立的发电设备，它有机动灵活、投资少、随时可以启动等优点。 柴油发电机组是技术密集型产品，它涉及柴油机、发电机、自动控制等多个学科领域 的技术。它应用于内燃机车上，优点也是显而易见的。首先，单机容量等级多。柴油 发电机组的单机容量从几千瓦到几十千瓦不等。可以根据内燃机车的功率以及负载要 求选择合适的容量。【坦】也可采用多台机组，装机容量根据实际需要灵活配置。其次， 配套设备结构紧凑、安装位置灵活。柴油发电机组的配套设备比较简单、辅助设备少、 体积小、重量轻，减少了对机车空间的要求。再次，柴油机发电机组热效率高，燃油 消耗低。然后，柴油发电机组启动迅速，并能很快达到全功率。最后，维护操作简单， 容易保养。基于以上柴油机发电机组的优点，内燃机车良好经济特性也得以突出。 ( 1 ) 柴油机的经济性 每种类型的机车都有一套特定的柴油发电机系统，提高柴油机的经济性，是提高 内燃机车效率的根本所在。当柴油机运行在额定功率时，能够获得最佳的经济性能， 这就要看机车在特定工况下运行是否能够保持柴油机稳定工作。当机车运行环境变化， 那么机车的运行工况也就随其改变，那么柴油机会打破。一种平衡，在功率范围内会有 另一种平衡，使柴油机能够稳定运行，达到经济性的目的，这种平衡被称为经济工作 点。【l3 】所以想使柴油机获得最佳的经济性，就要根据机车的运行工况，来调节柴油机 的输出功率，使其达到最经济的目的，从而提高机车效率。这就要使当机车负载发生 变化时，能够检测负载情况，然后回馈给柴油机，刘其运行工作点进行渊节，使其达 到机车负载所需要的工作点。因此想使柴油机经济性达到最高，那么就需要根据机车 l l 内燃机2 0 0 k w 供电牵引变频技术的研究 柴油机发电机组的特性，设计一套可行的控制系统。 ( 2 ) 柴油机恒功控制 根据柴油机各挡位转速功率给定及辅助功率的转移，确定机车牵引和制动功率， 确保柴油机在各挡位下以经济功率运行。 ( 3 ) 柴油机部分负荷时的牵引特性 如图2 5 所示，当机车以恒定速度阳运行时，在其以上，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行。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。 n 4 1 v 图2 5 柴油机额定及部分负荷时的机车牵引特性 f i 醇5l 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 d a 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 由于要保持内燃机车柴油发动机组功率输出平衡，那么需要对同步发电机电压进 行必要的控制，与柴油机控制一起来保持柴油机发电机组功率的稳定输出，尽最大的 可能使中间直流环节电压与电流在机车负载发生变化时保持较小的波动甚至恒定不 变。为了保持机组能够稳定输出一定的功率，首先可以使中间直流电压值高于线性变 化。那么此时提高了异步牵引电动机的利用率，原因是由于同步发电机输出较高的端 电压。这样的方式也就是在小转差范围内使牵引电动机保持持续工作。此时电流随电 压值的提高而减小。 1 6 1 直接可导致异步电机转子铜耗、异步电机定子铜耗以及整流损 耗等减小，这是由于这些损耗都和电流有关。然而这样也存在一个问题，由于电压增 大，那么如异步交流电机的定子铁耗、杂耗以及电机转子铜耗等损耗增大，这是由于 这些损耗和电压有关。因此要想使发电机达到合理的运行特性需要平衡各方面的因素， 1 2 第二章交流传动内燃机车的传动结构 通过合适的控制方式，提高发电机有关参数的检测和控制精度。因此，柴油发电机组 发电机的控制和中间直流电压的选取需要精心的来谋划。 2 2 3 中间直流环节 就传动特性而言，中间直流环节既是一个滤