（电力电子与电力传动专业论文）交流传动内燃机车电气特性分析与计算.pdf

， 西南交通大学研究生学位论文第j i 页 a b s t r a c t a 1o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e w t y p ee l e c t r icc o m p o n e n ta n d m jc f o e 】e c t t o n ic t e c h n 0 1 0 9 y ，a sw e l la st h eu s e0 f m o d e r nc o n t f o l ih e o f ya n dc o n t o it e c h n o l o g y ，r h et e c h n o l o g yo fa cd r iv eh a sm a d e a g r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s i t sp e r f o r m a n c eh a sas e f i e so f a d v a n t a g e sa c c o r d i n gt od co n e s n o w ，s u b s t i t u t i n gt h ed cd r iv e s y s t e m sb ya co n e sh a sb e e o m ead i f e e t i o n f i r sc ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h eo b v i o u ss u p e r i o r i t yo fa cd i e s e l 一 e l e c t r i c l o c o m o t i v e ， a n d p o i n t e d o u tt h a t s u b s t i t u t i n g t h ed c d i e s e l 一e l e c t r i c1 0 c o m o t i v eb ya co n e sw i l l b et h en e c e s s a r yt r e n d a f t e r s i m p i y i n t r o d u c e ds o m em e t h o d so f a c t i m i n gs u c h a s s 1i p f r e q u e n c yc o n t r o l ，v e c t o tc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ，e t c t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa cm o t o r ss u p p li e dt h r o u g h c h a n g e df r e q u e n c yp o w e r ，a n dd is c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h eh a r m o n i c s s u p p i e dt h r o u g h i r i v e r t e r b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e ru l t e r i o r y a r i a lv z e dt h ec h a r a c t e f i s t ic0 fe l e c t r i c d e p a r t m e n t s i nt h ea c io c o m o t iv e a n dt h em a t c h i n gr e l a t i o nb e t w e e ni r i v e r l e fa n dm o t o r a n d t h c1r a c ti o n d y n a m i cb r a k ec h a r a c t e f i s t i c sw a sa l s oa n a i y z e d m e a n w h i1 e ，as p e c i f i cc a l c u l a t i n gm e t h o di sg i y e n u s et h ism e t h o d ， t h ec a lc u l a t e dr e s u l to ft h e1 0 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 ica n d d y n a m i cc h a r a cl e t i s t i c h a v e m o r eh i g h e ra c c u r a c y a n dt h em a i n p a r a m e t e r so f e l e c t r i cd e p a r t m e n t sc a na l s og o t ，s oc a nv e r i f yi ft h e s e d e p a r t m e n t sc a nm e e tt h ei o c o m o t i v er e q u e s t s a t1 a s t t h ec a l c u l a t i n gs o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hv i s u a l b a s ic w h ic hi so b j e c t - o r i e n t e d t h es o f t w a r ew i t hf r i e n d ly in t e r f a c ea n dc o n v e r t i e n to p e r a t i o nh a s o c o m o t i v e sc h a r a c t e r is t i c s c a ic u a t i v ef u n c t i o na st r a c t i o n ，d y n a m i cb r a k e ，a c c e i e r a t i o na n dt h e c a lc u l a t io no ft r a i nr e s i s t a h o ee t c e s p e c i a l l yi tc a na u t o m a t i c a l l y d r a wc h a r a c t e r is tic sc u r v et h r o u g ha u t o c a d n o w ，ith a sb e e nu s i n g f o rd e s i g no ft h ea cd i e s e l1 0 c o m o t iv ei nq i s h u y a n1 0 c o m o t iv ea n d l 【) j11n gsl o c kw o r k s k e yw o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e a cd r i v ec h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t i o n 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 在工业、农业、交通运输、军事设施及同常生活中，广泛地运用着电力 传动，如果运转机械由直流电动机驱动，则称为直流电气传动系统，如果 运转机械由交流电动机驱动，则称为交流电气传动系统。长期以来，由于 直流传动优越的调速性能而一直占据着高性能可调速传动领域，电传动内 燃机车也不例外。但是，由于直流电动机在结构上存在接触式的机械换向 器，使得它不仅工艺复杂、价格昂贵，而且运行中易产生换向火花及发生 环火故障。另外，由于换向器的存在，一方面占据了空i 白j ，另一方面限制 了转速的提高，使得直流电动机的单位功率重量( 体积) 比做不大，同时， 由于换向片间的电压不能过高，使得直流电动机的设计容量和高速时的利 用功率也受到限制。 三相交流电动机，特别是鼠笼异步电动机，由于其转子上无机械换向器 和没有带绝缘的绕组，不存在换向火花和环火现象等问题，因此，他的结 构简单、运行可靠，可以运行在更高的转速，从而可获得较大的功率及单 位功率重量( 体积) 比。但交流电动机调速比较困难，使得它绝大部分运 用在恒速运转的场合。 鉴于上述原因，交流电气传动一直是人们研究的对象，但受电力电子器 件的限制，一直没有大的发展，直至2 0 世纪七十年代未，随着电力电子播 件和微电子技术的发展及现代控制理论、控制技术的运用，交流调速系统 技术终于取得了突破性的进展，其优异的调速性能完全可与直流调速系统 相媲美。从世界范围来看，作为铁路牵引动力的主力军电传动内燃机 车从直流传动过渡到交流传动将是必然趋势。 1 内燃机车采用交流传动的优越性 1 ) 交流异步牵引电机单位功率重量( 体积) 比大 同直流电机相比，由于不受换向器的限制，允许交流异步牵引电机有更 高的转速，因此，同样的牵引力需求可采用更高的齿轮传动比( 在机车上， 这一传动比主要受机车齿轮箱限界及齿轮中心距的制约) ，从而，三相异步 牵引电机所要求的转矩低于直流电动机所要求的转矩。目前，我国功率最 亘塑奎望奎兰堡窒竺兰竺鲨塞兰! 里 人的货运直流电传动内燃机车d f 。其齿轮传动比为4 5 ，电机最高转速仅为 2 3 8 5 r m i n ，而国外用于机车牵引的交流异步牵引电动机转速己高达 4 0 0 0 r m i n ，通过采用插入式小齿轮等技术，齿轮传动比达6 以上。 另外，由于不存在换向器，因此，换向器的空间也得以利用。 由于以上两个原因，使得在有限的转向架空间内可提供更大的功率，或 者说同样功率的异步牵引电动机有更小的重量、体积。 就内燃机车而占，由于目前柴油机功率不是很大，采用直流牵引电动机 还是可以的，但与交流牵引电动机相比，付出的代价是轴重增加、簧下重 量增加。以d f 。为例，其牵引电动机重量约为3 t ，如采用异步牵引电动机则 仅为1 8 t 左右，簧下重量约可减轻7 2 t ，从而大大减轻了对线路的冲击。 2 ) 交流异步牵引电机粘着特性好 同直流牵引电动机相比，异步牵引电动机具有很陡峭的运行特性，这使 得它具有更好的粘着特性。 根据机车轮轨摩擦一蠕滑率特性研究，典型的粘着力蠕滑率曲线如图1 1 中的曲线1 、2 所示。图中f ，为粘着牵日1 力，r 为蠕滑率，定义为： 因，导致粘着力蠕滑率由 一 幽1 1 交流异步牵引电动机粘着特性的充分利心 曲线1 变为曲线2 ，使平 。 衡遭到破坏，由于直流电动机特性较软，使得蠕滑率急剧增加，如不采取 措施，必然会发生空转。相反，由于异步电机的硬特性，使得机车最终稳 定运行于b 点，此时牵引力下降，而蠕滑率只略有增加，不足以引起空转， 一旦粘着力一蠕滑率恢复为战线1 ，则可迅速恢复至a 点的牵引力。因此可 获得更好的粘着利用。 目前，我国直流电传动内燃机车的计算用起动粘着系数为o 3 3 ，而采用 了交流牵引电动机、径向转向架等技术的美国e m d 公司生产的s d 7 0 m a c = j _ 二_ _ = = = i 堑量奎堕茎型兰焦笙皇 笙! 里 的起动粘着系数达到了0 4 5 ，研制中的s d 9 0 m a c 的指标更达到了石；i = _ i 来需要5 6 台直流传动机车牵引的列车，现在只要3 4 台即可。大大减 少了运用机车的数量及运营成本。 另外，由于空转滑行的减少，减少了砂量消耗，降低了轮对磨耗。根 据国外经验，交流传动机车的砂量消耗约为直流机车的3 0 ，轮对磨耗约 为直流机车的4 7 2 。 3 ) 机车制动特性好 如图1 - 2 所示，异步牵引电机的机械力矩特性相对于横坐标轴是上下对 称的。上半部分是电动 机_ l 况，卜半部分为发 电机工况，这两种工况 是由电机定子频率，= 与 转予频率之差一转差 频率，决定的，o 为 电动机工况，z ， 0 为发 电机工况，这种转换是 机械特性的自然转换， 图1 - 2 异步电机电动机与发电机i ：况的白然转换 不需外加任何设备即可实现，因此 其转换速度之快是直流传动机车所 尤法比拟的。从图1 2 中还可见， 在制动工况下频率降低时电机的制 动力矩仍能保持不变直至停车。而 直流机车在电制动时由于受励磁电 流的限制，制动力将随速度减小而 下降。为维持低速时仍有较大的制 弋 f i )( b 图1 - 3 两种机车制动力b 特性比较 动力，需要分段切除制动电阻，如 ( a ) 交流传动机车( b ) 直流传动机乍 图1 - 3 ( b ) 中虚线所示。这不仅使电器设备增加，同时在切换电阻时还会产生 制动力的冲击。图1 3 示出了交流传动机车与直流传动机车电阻制动特性的 区别。 出于这种可一直制动到停车的优异性能，使得交流传动机车在运用中可 以f i 用或少用空气制动，使列车的闸瓦消耗量大大减少，另外值得一提的 西南交通大学研究生学位论文第4 页 是由于机车从牵引转为电阻制动极其快速，因此，如能与空气制动联合实 施，可以大大缩短机车的紧急制动停车距离。 4 ) 机车爬坡能力强 众昕周知，直流传动机车发挥大的起动牵引力是依靠电机电流过载来实 现的，但由于换向器的存在，过载时间受到严格限制，一般在5 6 m i n 之 问，因此，在有长大坡道的牵引区段时，即使不存在粘着力不足的问题， 也会因为这一限制而不得不减少牵引吨位。而交流传动机车则不然，在设 计时往往将持续牵引力等同于起动牵引力，换句话说，交流传动机车在特 性曲线上的任一点均可持续运行。即使设计时持续牵引力取得稍低，机车 在运用中仍能利用异步电动机较大的热容量保持更大的牵引力运行1 小时 以上而不会带来任何问题，这对运用部门无疑是有利的，也是交流传动机 车能成为客货通用机车的重要原因之一。 5 ) 交流传动系统可靠性高、维修简便 交流异步牵引电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外，无摩擦部件， 密封性好、防潮、防尘、防雪性好；由于它的作用原理，其转子不需要绝 缘，因而结构简单、可靠性商、维修量小。控制装嚣采用模块化结构，故 障率低、检修容易。驱动系统的全部运行过程及控制过程均由无触点电子 元件完成，不需要主回路的各种转换开关，如前进或后退的换向开关、牵 引或制动的转换丌关、电阻制动用的励磁接触器等，这不仅简化了机车的 设备、减轻了重量，而且不再存在直流传动系统中经常发生的触点磨损、 粘接、接触不良、机械卡滞等问题。另外，交流传动机车有完备的监控系 统和故障检测系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障渗断。综上所 述，可知交流传动系统具有可靠性高、维修量小、检修方便等优点，这一 方面使得机车的维护保养费用大大降低，另一方面提高了机车的利用率。 换句话说，可减少备用机车的台数，减少一次性投资。 6 ) 机车综合效率高、节能 就功率传输而言，交流传动系统比直流传动系统尚多一一个逆变器损耗， 然而，交流异步电机的效率也略高于直流电机效率，因此可以弥补这一不 足。相较直流传动机车，交流传动机车在节能方面有以下优越性： 堕童奎望查兰塑窒竺堂堡笙窒篁! 里 a 因为同步主发电机对应柴油机某一转速时的工作点基本不变，可针 对该点进行优化设计， 以获得较高的效率，而 直流传动机车用的同步 发电机担负着调节恒 功的仟务，其工作电 压、电流随机车速度改 变，绝大部分时问不是 工作在最佳效率点。 图1 - 4 交、直流传动机车主发电机效率比较 b 交流传动机车主电路大线少、电流小，因此铜损耗少；另外事回路 无接触电器，因此也无接触损耗。 c 电阻制动时，柴油机无需为牵引电机提供励磁能量，主发电机处于 空载状态，也无需通风冷却，因此，辅助功率需要少。 d 交流传动机车起动牵引力大，起动加速快，可缩短柴油机处于非恒 助区的运行时f 、日，使柴油机油耗降低。 e 电阻制动时如采用辅助逆变器，可将制动能量凹收后用于机车辅助 用电或列车供电上。 f 如辅机也采用交流传动，则可根据温度变化平滑调节j x l 机转速，大 大降低机车辅助功率。 综上所述，交流传动内燃机车综合效率较高，根据国外资料，可比直流 传动内燃机车节油1 4 左右，最高可达2 3 。 从以上所述可以看到：交流传动技术具有优越的技术性能和巨大的经济 效益，尽管相对直流机车而言，由于目前逆变器价格较高导致初期投资较 高，但机车全寿命成本却并不高，而且随着电子元器件的技术进步及规模 化 4 - 产：，逆变器的成本将会进一步下降。因此，交流传动技术近年来有了 迅速的发展，并在全世界范围内大量推广使用，理论分析和实践证明都表 明，交流传动技术是机车车辆的发展方向。 1 2 交流传动内燃机车的发展 1 2 1半导体电子元件的发展 西南交通大学研究生学位论文第6 页 5 0 年代术，第一个普通晶闸管在美国通用电气公司的实验室诞生，标 志着电力电子技术的丌关，从此“电子”进入到强电领域，电力电子器件 成为弱点控制强电的纽带。近年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展 过程，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件( 晶闸管) ，到可以控制 导通和关断的全控型器件；从电流控制到电压( 电场) 控制；从低频功率 丌关到高频功率开关；从单片元件到模块化、集成化；从小功率到人功率。 新一代的器件带来新一代的变流器，又推动了新一代交流调速装置的发展。 因此，说半导体元件的发展历史就是交流传动技术的发展史一点也不为过。 半导体元件的发展可分为两个方面：一方面是半导体元件类型的升级变 化：一方面是同类型元件本身技术参数的提高。图1 5 示出了各种不同器件 允许丌关功率p 。和允许开关频 率，= 的大致关系。由图可见， p - m o s f e t 的允许容量最小而 允许频率最高，i g b t 和b j t 次之，g t o 再次之，晶闸管s c r 的允许容量最大而频率最低。 图中点划线表示各器件的允许 开关容量和频率大体上呈反比 关系，向上的箭头表示有关器 件的允许容量仍在不断增长之 中。 ： 娶 1 d 1 d 幽1 5 1 ，】f】f】d1 f 。c 、 电力电子器件功率与频率关系 其中。b j t 和g t o 都是电流控制型的，而p m o s f e t 和1 g b t 则是场 控器件，即电压控制器件。b j t 和p m o s f e t 分别是电流控制和电压控制 的典型器件。p m o s f e t 的优点是驱动功率低、开关时间短、安全工作区 宽。几乎没有二次击穿效应，因而可靠性较高；其缺点是不饱和时漏极源 极通念电阻恒定，而且随着电压定额的提高而加大，并具有正的温度系数， 因而导通眍降大，只适于高频小功率的运用场合，在交流调速中的运用范 阁很窄。b j t 的很多特征恰好与p - m o s f e t 相反，其导通压降小而允许容 量较大( 同p - m o s f e t 相比) ，由于可以制成多级达林顿模块结构，因而驱 动电流也不大，在中小容量交流调速变频器中获得了普遍运用。但b j t 的 致命缺点是在丌关期间可能发生局部过热的二次击穿，使器件损坏。i g b t 、1_，fl 西南交通大学研究生学位论文第7 页 是在p - m o s f e t 和b j t 之自j 取长补短的p n p n 四层器件，它相当于一个用 m o s f e t 驱动的双极型晶体管，因而兼有m o s f e t 的高输入阻抗( 驱动功 率小) 和b j t 的低导通压降的优点，而且安全工作区宽、丌关时间短( 与 b j t 相比) 。目前，i g b t 的容量已经覆盖了b j t 的功率范围，加以驱动简 单、保护容易，而且成本已逐渐降低到接近b j t 的水平，因此，采用i g b t 瞥代b j t 的趋势已成定局。 对于大容量变频器，需要更火功率的全控器件，目f i t j - 主要是g t o 。g t o 的缺点主要有两个：一是关断增益小，门极反向关断电流较大：二是为限 制d v d t 及关断损耗需设置专门的缓冲电路，这部分电路不仅消耗能量而且 占用了空间、增加了重量、成本。为了解决这些问题，瑞士a b b 公司将改 进结构的g t o 与极低电感的门极驱动器结合起来，称之为集成门极换流晶 闸管( i g c t ) 。其既具有i g b t 器件的开关特性，同时又具有g t o 器件的 导通特性，而且据a b b 公司介绍，其制造成本较低，正是由于这些优点使 得这种器件具有极大的发展潜力。下面仅从运用角度对g t o 、i g b t 、1 g c t 这三种主导型器件的主要性能进行比较，见表1 1 所列。 表1 - 1g t o 、i g b t 、i g c t3 种器件运州特性比较 g t oi g b tl g c t 町柏高频牢下丁作町n l 荔频率下t 作 低的开关损耗，较商的通态损低的开关损耗和通态损耗 r 作频， 丰h 对较低耗l u 胜型开关器件 低通态损耗，较高的开关损耗j 乜爪型开关器件门极驱动功率低 f 乜流型开关 件门板驱动助牢低尤需吸收l u 路 l 门檄驱动功率很- 岛尤需及收电路具有良好的串、并联特一盹 1 需复杂的吸收、保护电路 具仃良好的串、并联特性适用于多数中等 乜雎等级f 乜路 l 适用于多数中等电压等级【乜路适用十中等电旭及以下功率等设备叫靠性痢、敢牢高 l 使用4 ；方便 级设备设计模块化，使用方便 变流器输出波形好 设桥设计模块化，使用方便 另外，类似i g b t ，将晶闸管与m o s f e t 相结合，产生了一种称为m o s 晶闸管( m c t 或m c t h ) 的新型元器件，m c t 具有高电压、大电流、低 通态压降、高电流密度、高输入阻抗、低驱动功率和高开关速度等一系列 优点。它是一种很理想的电力半导体丌关器件，很多人认为：m c t 在大功 率电力电子器件中是最有发展前途的；但也有人认为，提高i g b t 的电流、 电瓜比丌发m c t 更有希望。 西南交通大学研究生学位论文第8 页 在大规模集成电路技术同新月异的今天，出现了一类将电力电子器件和 驱动电路、保护电路、部分检测电路、甚至与微机的接口电路等集成在一 起的功率集成电路( p i c ) ，如图1 6 所示。出于其具有可靠性高、设备体 积小、材料省、功能多、成本低、使用方便等很多优点。因此，可以预见p i c 必将成为交流调速系统的主力军。 功率集成电路 幽1 - 6 功率集成电路的构成 1 2 2微处理器的进步 自电力电子器件发明以后，电力电子装置即成为弱电控制强电的纽带， 电子控制就取代机械控制而成为几乎唯的控制手段了。常用的电子控制 分为两类：由模拟电子电路构成的模拟控制和由数字电子电路构成的数字 控制。前者用于连续控制，后者用于逻辑控制。结构复杂而功能齐全的数 字控制系统逐渐发展成为控制专用的计算机，而各种控制规律软件化的实 施又使通用计算机走进了自动控制设备的范畴。在此基础上，大规模集成 电路微处理器的出现把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核 心的数字控制已成为现代自动控制系统中控制器的主要形式。与模拟控制 相比，以微处理器为核心的数字控制主要有以下优越性：控制器的硬件 电路标准化程度高，成本低，可靠性高；控制软件可以按需要更换、修 改或移植，灵活性大；消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好。 信息存储、监控、故障诊断及分级控制的能力不断提高。随着c p u 西南交通大学研究生学位论文第9 页 运算速度和存储容量的发展，各种新型的比较复杂的控制策略都能够实现。 当然，微机数字控制也有不足如控制的实时性、数字化时会产生量化误差 等，这些缺点随着微处理器速度的提高和增加位数的进步而逐步得到克服。 为提高运算速度，在8 0 年代初期出现了数字信号处理器( d s p ) ，其中 采取了一系列措施，包括改变集成电路结构、提高时钟频率、支持浮点运 算、采用指令列排队方式以提高运行效率、集成了硬件乘法器使乘法运算 也能在一个指令周期内完成等等。丌始时，d s p 只用作提高运算速度的协 处理器，本身的i o 接口很少，不适于单独作控制器的单片机使用，但随着 产：品性能的提高，其控制能力逐步扩大，已成为一类高速单片机了。如美 幽t e x a s 仪器公司的t m s 3 2 0 系列数字信号处理器。其最高工作速度达 1 0 0 0 m i p s ( 1 9 9 5 年) 。另外，还出现了一些专用集成电路如s p w m 序列波发 生器h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 等。现代高级专用集成电路( a s i c ) 则不仅包 含波形发生器，而且还包括了控制器、能完成特定运算如矢量运算的d s p 协处理器、p w m 定时器、以及其它外围和接口电路。这些电路都集成在一 个芯片内，使可靠性大为提高。而成本则大大降低，且有助于专利技术的 保密。 总之，微处理器的进步使得数字化成为控制的主要手段。交流传动的控 制也不例外。 1 2 3 交流传动内燃机车的发展 1 9 7 0 年，西德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，标志着机车传动进入交流时代，受当时的技术水平限制， 主电路开关元件采用的是快速晶闸管s c r 、控制电路采用模拟电路、控制 方法为转差频率控制。该型机车可视为第一代交流传动内燃机车，与其类 似的还有荷兰的d e 6 4 0 0 、土耳其的m e 0 7 、伊朗的m e l 0 ( 均为西德k r u p p m a k 公司生产) 。 主电路开关采用g t o 元件的机车称为第二代交流传动内燃机车，这一 代机车最有代表性的是d e l 0 2 4 型机车。与晶闸管s c r 逆变器相比，g t o 逆变器不再需要强迫换流网路，使得逆变器的体积、重量减小、可靠性提 高，另外，采用g t o ，因其具备门极关断能力，负载电流与中间电压无关， 西南交通大学研究生学位论文第10 页 因而，内燃机车主发电机的整流电压就不受逆变器限制，可按最经济方案 设计。故采用g t o 后，主发电机的设计容量可大大减小，从而使主发电机 的体积、重量及制造成本 大为减少。图1 7 示出了 g t o 逆变器与s c r 逆变器 列内燃机车主发电机电压 转速特性的影响。对内燃 机车而言，要求在起动时 有较大的牵引力和较低的 柴油机转速，因此，为保 证可靠换流，在较低的转 速时，也必须保持较高电 压。而g t o 逆变器相应的 s c o 一1 r 1 r 商前_ _ 矿一 图1 7g t o 逆变器与s c r 逆变器对内燃 机下主发电机电乐转速特性的影响 发电机电压则远低于s c r 逆变器，因此，主发电机的励磁电流也小，显然 别减小设计容量是有利的。可以况，正是由于g t o 元件的应用，使得交流 传动机车得以迅速发展。除采用g t o 元件替代s c r 外，第二代机车普遍 采用了微机进行控制，如d e l 0 2 4 采用了a b b 公司的m i c a s s 微机控制 系统，f 6 9 p h a c ( 美国a m t r a k 公司) 采用西门子公司的s i b a s 一1 6 微机控 制系统。 进入9 0 年代，交流传动内燃机车在美国有了突破性的进展，g m 公司 继1 9 9 2 年推出s d 6 0 m a c 型交流传动内燃机车后又相继推出s d 7 0 m a c 、 s d 8 0 m a c 、s d 9 0 m a c 型交流传动内燃机车。g e 公司也推出了a c 4 0 0 0 、 a c 6 0 0 0 型交流传动内燃机车。且两大公司均获得了大批量的订货。这些机 车的特点是：充分利用交流传动技术的优越性，功率大、粘着利用率高， 1 丁以以较少的台数替代较多台数的直流传动内燃机车进行重载牵引等。 预计内燃机车交流传动技术的发展目标是进一步提高功率、效率、可靠 性：降低成本。为此，半导体元件要高压化、大容量化和集成化、小型化， 采用1 g b t 、m c t 等性能更加优越的元件；进一步提高微机控制系统的工 作速度，进一步丰富软件，使微机控制系统智能化、网络化。 吣 眦 一 堕壹窒塑奎兰堡室竺兰篁笙塞篁! ! 夏 第二章异步电机交流调速的基本类型、原理与特点 2 1 异步电机交流调速的基本类型 就现有的异步电机而吉，其调速系统种类繁多，常见的有：降电压调 速；电磁转差离合器调速；绕线转子异步电机转子回路串电阻凋速： 绕线转子异步电机串级调速：变极对数调速；变压变频调速等。 按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率p m 可分 为两部分：一部分乞。= ( 1 一s ) 只是拖动负载的有效功率；另一部分是转差 功率只= s 巴，与转差率s 成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增 大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。 从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类： 转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能的形式而消耗 掉。卜述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调 速系统之中，这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换 取转速的降低( 恒转矩负载时) ，越向下调速，效率越低。可是这类系统结构 最简单，所以还有一定的应用场合。 转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过 变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越低，回收的功率 越多，上述第种调速方法一一串级调速属于这一类。这类调速系统的效 率显然比第一类要高，但增设的变流装置总要多消耗一部分功率，因此还 不及f 一类。 转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避 免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此 效率最高。上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数只能有 级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性 能的交流调速系统，取代直流调速，是最有发展前途的。 变压变频调速又可分为转速丌环恒压频比控制系统；转速闭环转差 西南交通大学研究生学位论文 第1 2 页 较为实频率控制系统；高动态性能的矢量控制系统；直接力矩控制。 用的闭环系统为。 2 2 常用异步电机变压变频调速系统的原理与特点 2 2 1 转速闭环转差频率控制系统 转速闭环转差频率控制系统也就是常说的转差频率控制系统，它是通过 鼠接或白j 接的方法控制气隙磁通( 或磁链) 恒定。再控制转子转差频率以 得到所需要的转矩特性的一种控制方法。直接控制气隙磁通的方法是用检 测线圈或霍尔片检测气隙磁通，以此为反馈量进行闭环控制。但由于放置 传感器存在的技术问题，以及由于受气隙齿谐波的影响，以致检测误差较 大，住实际的控制系统中较少采用。而间接控制气隙磁通的方法是通过控 制定子电流或定子电压以控制励磁电流，励磁电流恒定则气隙磁通恒定。 由电机学原理可推导出以下公式： u 、= ，。 。i 。黑 f 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) m n 正嵩 b 3 ) 式中： t 一定子电流；，m 励磁电流；月。定子电阻； r ，一转子等效电阻：l 矗一定子自感；l ，。转子等效自感； 。一定子漏感；l ，。一转子等效漏感；u 一定子电压； 。一定、转子互感；丁一输出转矩：n ，一极对数。 由式( 2 1 ) 可知，定子电流为励磁电流与转差频率的函数，而与定子 频率无关，因此当转差频率给定时，可以通过控制定子电流来控制励磁电 流。具体的说，若令励磁电流为额定值，即l = 厶。代入( 2 1 ) ，得a - f ( l ) 。 对于某一给定的f ，就有一个相应的l ，以此t 作为基准，检测定子电流的 实际值进行反馈控制，只要在定子电压可调的范围内，就能阳j 接的使励磁 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 电流保持为额定值，从而使气隙磁通恒定为额定磁通。 山式( 2 - 2 ) 可知，定子相电压为励磁电流、定予频率、以及转差频率 的函数，所以也可以通过控制定子电压来间接的控制励磁电流从而控制气 隙磁通。 在通过控制定子电流或定子电压以问接控制气隙磁通为额定值的情况 f ，由式( 2 - 3 ) 可知，若再适当地控制转差频率，就能得到所需要的转矩。 转差控制是频率的闭环控制，即使在很低的定子频率时也能保证气隙磁 通的恒定，从而使电机铁磁材料得到充分利用，而且通过控制转差频率可 以使异步电机获得它励直流电动机那样的硬特性或串励直流电动机那样的 软特性。图2 - 1 示出了电压型脉宽调制逆变器一异步电机转差频率控制系统 框图，该系统还包含了电流调节环，以实现恒电流控制。 幽2 1 电压删脉宽调制逆变器一异步电机转筹频率控制系统框幽 转差控制实际是通过控制电机端电压和电机转差率的协调工作，从而控 制电机按所需性能运行的种控制方法，它基本上具备了直流电机双闭环 控制系统的优点，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂，较为实 用，但由于转矩和磁通都和转差率有关，所以无法实现磁通和转矩的单独 控制，另外，在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和 稳态转矩公式出发的，因此所得到的结论对动态是否适用还没有考虑，因 此该控制系统的动态性能不够好。 ：2 2 矢量控制系统 矢量控制也称为磁场定向控制。是七十年代中期由德国学者f b l a s h k e = _ _ _ _ _ _ 堕堕至堡幽圭堂竺笙塞 篁! ! 夏 等人首先提出来的。其基本思路是：把交流电机的三相各量，通过坐标垂 换到旋转坐标系上的两相垂直量，从而可以按照直流电机的控制规律来控 制交流电机，使系统具有较好的动态特性。 由电机学原理可知：直流电动机中，由励磁电流，所产生的主磁通毋与 由电枢电流厶产生的电枢磁势c 在空间是相互垂直的，两者之间没有耦合 关系，互不影响。若不考虑磁路饱和的影响，直流电动机的电磁转矩可由 式( 2 4 ) 决定： t = c 秘，j f i ， ( 2 4 ) 其中和厶是控制标量，也可看作是正交的或解耦的“矢量”。在f 常 运用条件下，励磁电流维持电机的磁场磁通，电枢电流f ，来改变转矩。由 f 两者是相互解耦的，所以在静态和动念两种情况下，部能使转矩的调节 具有很高的灵敏度，使系统的动态性能得以优化。但异步电机情况则复杂 的多，异步电机的电磁转矩表达式如( 2 5 ) 式： t = c 九，c o s ( o( 2 - 5 ) 它是出气隙磁通西。和转子电流有功分量i ，c o s ( o 相互作用产生的。即 使气隙磁通曲。保持恒定，电机转矩不但和转子电流有关，而且还取决于功 率因素角，即取决于电机转差率。因此，在 动态过程中要快速精确的控制电机的转矩就 显得比较困难。但仔细考察异步电动机的矢 量关系图，可见：转予磁链，与转予电流l 在相位上相互垂直，而且扩，= 。c o s ，由 此可得电机转矩公式为： 7 = c m ”， ( 2 6 ) 图2 - 2异步电机矢量图 ( 2 - 6 ) 在形式上与直流电机的转矩特性十分相似，即如果设法保持转 子磁链f ，恒定，则控制转子电流l 就能控制电机的转矩。如进一步把异步 电机的矢量关系变换到同步旋转m 、r 二相坐标系上，并将坐标系的m 轴 沿着转子磁链方向定向，则异步电机的定子电流f 。可以沿m 、，分解为屯 羊uf 。其中，“用来产生转子磁链，则代表电机的转矩。如果在电机的 1 b0 0 4 一l2 西南交通大学研究生学位论文第1 5 页 调速过程中维持定子电流的磁化分量如不变，而控制转矩分量f ，因为两 个分量互相解耦，所以能使系统具有较好的动态特性。 矢量控制系统的基本构想如图2 3 所示。图中给定信号和反馈信号经过 类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号f + 。和力矩给 定信号f + ”经过m t 坐标系到d q ( 静止) 坐标系的逆旋转变换，得到i + 。 和的给定值，再经过二相三相变换，得到三相电流给定值，+ 。、，。和f ? 。 把这三个电流控制信号和控制器直接得到的频率控制信号6 3 加到变频器 卜，就可以得到异步电动机调速所需的三相变频电流。变频器的右边是检 测变换电路和电机模型，相电流、如和t 通过三相二相变换，再经旋转 矢量变换豫得到屯和。变频控制器构成了变换和反变换的两极，以便使 控制参量和分别与变量屯和f ，对应。 幽2 - 3久量控制系统的基本结构 在设计矢量变换系统时，可以认为，控制器和变频器之间的逆变换和变 频器至电机模型之间的j 下变换可以互相抵消，如再忽略变换器中可能产生 的滞后，则i * m 、i + ，到“、i ，的动态响应是瞬时的。因此，矢量控制系统的 静、动态性能应该完全能够与直流调速相媲美。 异步电动机矢量控制被提出以来，人们相继提出了以直接矢量控制、刚 接矢量控制为基本方法的各种实现方案，这些方法各有优缺点： 1 ) 转子磁场定向矢量控制 将参考坐标系放在同步旋转的转子磁通上，并且d 轴与转子磁链重合。 这种方法的优点是转子方程大大简化，通过控制定子磁场电流和转矩电流， ，叮以分别控制转子磁场和电磁转矩实现了磁链和转矩的完全解耦。其最主 要的问题在于转子磁通的检测精度受转子回路时间常数的影响，由于转子 西南交通大学研究生学位论文 第16 页 时间常数受电机温升和转差频率的变化影响较大，为了实现高精度的控制， 一般需要采用自适应的控制方法，如模型参考自适应方法、滑模变结构方 法来自动适应参数的变化，但这样又增加了系统的复杂性。 2 ) 转差频率矢量控制 转差频率矢量控制是将矢量控制应用于稳态推出的转差频率控制的一种 较为简单的控制方法。其最基本出发点是转矩主要取决于转差频率。在运 行状念突变的动态过程中，由于电机中出现了暂态电流，阻碍了运行状态 的突变，减慢了电机的动态响应。如果在控制中，保持电机的定子磁场、 转子磁场、气隙磁场中的任意一个恒定，那么电机的暂态电流基本不会出 现，电机的转矩就和稳念时一样，主要由转差率决定。按照这一思路，在 转子磁通定向的基础上，考虑转子磁通的稳态方程，通过控制定子电流的 大小和相位就实现了转差矢量控制。这种控制方法比较简单不需要复杂的 磁通检测和坐标变换，可以获得和直流双闭环一样的控制效果，因此得到 了较为广泛的应用，但它的性能同样也受到转子参数变化的影响。 3 1 标量解耦控制 针对上述控制系统的缺陷，b kb o s e 提出了一种标量解耦控制方法， 它不需要检测转子磁链和进行坐标变换，而且转子参数对它性能的影响也 减少到最低的程度。其基本思想是：异步电机的磁链主要取决于u f ，而电 机的转矩在磁链一定的情况下主要取决于转差。由于电压和转矩、转差和 磁通之l 、日j 存在定的联系，它们之间的联系可以从电机方程中推导出来， 将它们的关系用传递函数表示出来，则可以得到异步电机的框图，如图2 - 4 中的实线部分所示。 幽2 - 4 异步电动标鼙解耦控制调速系统框图 西南交通大学研究生学位论文 第17 页 在这罩g 一g 。分别代表了各量之间的传递函数。在控制过程中通常希望 转子磁通保持恒定，通过快速控制转子电流来控制电机的瞬时转矩，以保 证系统具有良好的动态特性。为此应该消除转差频率和转子电流对磁链的 影响。为实现解耦，可以在电机外部加一解耦回路，g = 一g 、g ，如图中虚 线所示，使转矩输入信号通过这个标量解耦环节。经由磁链控制通道对转 子磁链的影响币好和电机内部的耦合作用相抵消，达到解耦的目的。 标量解耦方法简单，解耦回路的参数主要取决于电机的定子参数，而与 转f 回路的时间常数几乎无关，转子参数的影响可大大降低。但该控制方 案基于转予磁场保持恒定的假设，使得其动态性能有所降低。 4 ) 定子磁场定向矢量控制 将同步旋转参考坐标系的d 轴放在定子磁场方向上，就可以大大简化 定子方程，从而简化了定子磁场的观测。但在进行磁通控制时，要采用解 耦器使得d 轴和q 轴电流解耦。采用这种方法，磁通观测器可以很容易地 实现，尤其在高速区。任低速区由于定子电阻压降较大，使得磁链误差增 大，影响系统性能。 2 2 3 直接力矩控制系统 1 9 8 5 年德固学者m d e p e n p r o c k 教授首次提出了磁链采用六边形控制方 案的直接转矩控制理论，随后同本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的方案， 在他所提出的方案中，采用了圆形磁链的控制方案。它和矢量控制采用的 解耦方法不同，而是通过快速改变电机磁场对转子瞬时转差速度，直接控 制电机的转矩和转矩增率。在真接力矩控制系统中，用电机定子侧参数计 算出磁通和力矩，并用两点式调节器直接控制逆变器的丌关状态，对电机 磁通和转矩进行直接自调整控制，它不仅能获得快速的动态响应，而且具 有最佳的开关频率和最小的开关损耗。同矢量控制相比，直接转矩控制具 有以下几个特点：直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的 数学模型，控制电机的磁链和转矩。它不需要和直流电动机做比较、等效 和转化：既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电 机的数学模型。它省掉了矢量控制中复杂的矢量旋转变换以及计算，信号 处理工作得到极大的简化，同时其控制信号是观察者对于交流电机的物理 西南交通大学研究生学位论文第18 页 过程能够做出直接和明确的判断。直接转矩控制中磁通估算中所用的为 定子磁链，其涉及到的电机参数只有定子电阻，而矢量控制磁场定向所用 的是转子磁链，观测转子磁链需要知道转子电阻和电感，因此直接转矩控 制大大减少了矢量控制技术易受参数变化影响的问题。直接转矩控制采 用空间矢量的概念来分析交流电动机的数学模型及控制转矩，矢量控制通 过控制电流、磁链来间接控制转矩。因此它并非极力获得理想的f 弦波波 形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，它强调的是转矩的直接控制效果，因 此它采用离散的电压状态和近似圆形的磁链轨迹的概念。 1 ) 磁链运动的轨迹 直接力矩控制是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整体来考 虑的。异步电动机定子磁链是通过控制电机的输入电压来实现的，当对称 三相正弦波电压加于对称三相绕组时，在电动机的气隙中将产生具有恒定 幅值和恒定旋