（电气工程专业论文）内燃机车新型干阻试验台的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e si g b t ，w h i c hi san e wt y p el a r g ep o w e r t h y 蠢s t o r , a n d t s a p p l y i n gt e c h n i q u e a c c o r d i n g t oi t sl o t so f a d v a n t a g e ，as c h e m e o f r e m o d e l i n go r i g i n a l l o c o m o t i v er e s i s t a n c e l o a dt e s tb e dh a sb e e np r o p o s e dw h i c hw i l lm a k ei ta u t o m a t i c a n dn u m e r i c a l 。 l o c o m o t i v el o a dt e s ti sav e r yi m p o r t a n tl i n ko fr a i l w a yd e p a r t m e n tr e p a i r i n g l o c o m o t i v e a tp r e s e n t t h e r ea r et w om o d e so fi o a dt e s t o r ei sw a t e r r e s i s t a n c e1 0 a d ； t h eo t h e ri sr e s i s t a n c e l o 越t h er e s i s t a n c el o a dm o d ei sd e v e l o p i n ga n di tc a np r o t e c t e n v i r o n m e n t b u tt h e o r i g i n a l l o c o m o t i v er e s i s t a n c e 1 0 a dt e s tb e da d o p t ss c ra s s w i t c h e de l e m e n t ，a sar e s u l t ，s w i t c h e dc i r c u i tc a n n o t r e g u l a t et h ec u r r e n tf r e e l y ，a n dt h e s p e e do f m o t o rw i t ha i r - b l o w e rc a m l o tb er e g u l a t e dt o o 。t h en e wr e s i s t a n c e l o a dt e s t b e dh a sb e e na p p l i e di g b t 、t e c h n i q u eo f c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 、p w m c o n t r o lt e c h n i q u ea n dc o e f f i c i e n tr e s i s t a n t c e ( n u m e r i c a lt e c h n i q u e ) ，c o n s e q u e n t i y , i tc a l l r e g u l a t e t h ec u r r e n t f r e e i y 、p r o c e s s d a t aa n d a n a l y z e t h er e s u l ta n ds oo n i nc h a p t e rl ，t h ep r e s e n ts t a t eo f1 0 c o m o t i v el o a dt e s ti ss u n l m a r i z e d ；t h ed e f e c to f w a t e rr e s i s t a n c e l o a da n d0 1 5 i g n a ir e s i s t a n c e - l o a di sa n a l y z e d ；t h e ni g b t b e i n ga p p l i e d i nr e s i s t a n c e t o a dt e s tb e di sp r o p o s e d i nc h a p t e r 2 ，t h ep r i n c i p l eo f i g b t d r i v i n g p r o t e c t i n gc i r c u i ti ss t u d i e d a n dt h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh y b r i dc i r c u i td e s i g n e df o rd r i v i n gl g b tm o d u l ea n di t s p r o t e c t i o nt e c h n i q u e i nc h a p t e r3a n d4 ，as c h e m eo f r e m o d e l i n go r i g i n a ll o c o m o t i v er e s i s t a n c e 1 0 a d t e s tb e di s p r e s e n t 。a c c o r d i n g t ot h e s c h e m e ，a l lp a r a m e t e r sa r ec a l i b r a t e d 。t h e d i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no f s i n g l e - u n i ti g b ta n dp 、t e c h n i q u ei n i r r e v e r s i b l es p e e d r e g u l a t i n gs y s t e mo f ad c m o t o r ，a n da n a l y z e ss i g n a lg e n e r a t i n g o fp 涮a n di t sf e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i t i n c h a p t e r5 ，t h e r e s u l to ft w ot e s t sa r e a n a l y z e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fi g b t a p p l i e di nl o c o m o t i v er e s i s t a n c e - l o a dt e s tb e d i sa 艇r i l l e d ， f i n a l l y , as u m m a r i z a t i o n o f t h ed i s s e r t a t i o n sg i v e n k e y w o r d s ： i n t e m a l c o m b u s t i o nl o c o m o t i v e ，r e s i s t a n c e - l o a dt e s tb e d ， p w mc o n t r o lt e c h n i q u e 西南交通犬学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章概述 本章主要讨论了铁路机车负载试验的方式，分析了水阻和千阻的试验方 式的优缺点帮瑟干隧试验台的不稳予捧广应瘸之楚，引出了大功率半簿俸器 件i g b t 的特点，首次提出应用i g b t 和计算机控制技术改造原于阻试验台的 麓点。 l 。l 篷内内燃机车负载试验的现状 铁路孝趸车豹柒洼褫程经过维骖以嚣，需簧进行壤攀毽功警受载试验，戳 检验柴油机的备项热工参数和枫械摩擦后的瓣台情况。柴油机的故障楚铁路 运输巾辊务段槐破事故主凑根派。检验、擞镑掇车紫油机的状况是机车疆功 率负载试验的主要任务，也是保证铁路运输的畅通、准时、安全的重要手段。 机车的磐璎一般包搔大修( 厂修) 、中修、小修、辅修等强个级别，机车 厂的负载试验怒将整个菜油枫、发电机、激动视分解，单独辩每部分进行 台絮试验，测试每一郝分的工作特性，然鼷对整机滋行负载黪合试验。 橇务毅受条传钢约，辩经过审，l 、穆蜃静攥牟只馁发耄秘摄秘率受载试验， 通过发电机的负载特性，间接反映柴油机的工作状况。就目前而害，绝大多 数毽凌率负载试验莛零疆试验，静麓承黪恕瓣，将发恕嘏豹毫黥逶遂承转换 成热能而消耗掉，其最大特点是电阻能实现逡续调节，满足试验要求，在铁 路规务段部门受到广泛鹃疲蠲。毽蹙魏方浚墩蒸毒缀多缺点：国予嚣要窳獒 肖一定的导电髓力，需加入电解质，一般楚工业盐，猩对水的加热过程中， 产生的水蒸汽中古有大爨的盐份，不仅环辘污染严熬，褥且对试验设螽瘸镟 据佟为龟裰懿金属投，长期镬弼鬻要频繁受换极投) ，褥时辩绦作人员键滚 不利。另外，水阻试验的占地大。蹦前武鼹南机务段、襄北机务段、鹰潭机 务段等单位鹤为承阻试验方式。 另一种试验方式是干阻，即采用机车上的电阻带作为柴油机的主发电机 受载柬代替农隈试验孛靛承隧渣，茨俊熹怒舂遮少，瓣繇境秃污染，搽佟篱 单。但是出于传统的千隧试验台采用可控磁作为电陬激电路的开关元件，受 西南交通必学颂士讲究生学位量仑文繁2 页 撼阐镑本身的缺陷制约：控制电路复杂，野关频率小，反向关麟硝难，鬻婴 爱齑荚嚣鬯辨，驱秘骟擎大，鼹娃藏广，鑫蘸莰多数攀霞蓑竭。 以江岸桃务段的臌干阻试验静为例，稃在以下拽术问题： 1 。暴餍豁麓警终力歼关元伴，蠡黧一乏原邀隘攀捺韶隈割+ 圆藤哭驻黠，l 、 渤率税车辩i ) f 7 a 、d f 7 b 趱机车佟讴功率负散试验；瀚较大功率桃率弼d f 4 器 烈机车作恒功率负载试验就达磷；剿要求； 2 + 在试骏过霞串，缭惑溢繁鹃强建溅冷鹤熙稳电撬靛电嚣熙采臻电戳蘩 上的某一点的电压，试验的过耩需要不断的改变电黼的大小以调节电流的大 小；襞潋泡疑鹣奄嚣变玩范匿缀大，羲蘩入王整视溅挺懿运转鞲嚣，戏喾逶 邀a 工方式羧交蒇税嗽梳掰采燕键黼带瀚电毯，戳绦添菇税奄褫的芷常工佟， 鞘谢不慎即烧坏电机。 3 由予烹黧路豹魄瓣大枣楚遴过畜袋熬魄避豢 缀遗 举并联来改变憨静宅黻德静大小，负载不能突现连续调节，仪熊对少数几个 瓣定爨 蕈受载姆瞧试验，黪戳鼹袋集豹邀滤蘧熬患数秘鬻憝鸯隈； 4 。由予整个系统熬梭测控剃手段比较辫矮，导致黻障率蠢，稳定牲麓， 入洚因素缀犬，谈褥瓣修深养豳难。试验数瓣记漾、处毽完全钕箴人工，霉 遴行蠡绞撩含，误差较大，基经满足不了实际豹囊产辫要。 歪出予嵇绞的于缀试验台露程以上关键燃技术辩姆，无法荦譬捌广泛推广“， 只有羧多数毒嚏势段魏江岸撬务羧遥。 l 。2 闯遂瓣提出 1 9 7 3 冬繁霞蓬嚣鼯毫力亳予专家会滚撬遗了一释耨兴边缘糕掌一一瞧 力魄子学，帮奔予电气工程三大主要领域一一宅力、魄子、控制之问韵边缘 学葶萼，标志瓣电力电子行业觚此诞璺三。驻魄予和控制这两门最滔跃的学秘为 懿簿，邀力泡予按零每黼不久就缀历次飞疑。逮力拳譬髂器转( 又拣功攀 半姆体器 孛) 是电力魄予中静拨心部 譬，经掇了功率熬流管满足测试点 譬范围范围压 状态 3 8 3 3 2 9 1 1 w 1 7 = 3 7 3 3 214 7 8 ，4 1 01 9 1 1 6 4 l6 7o 1 7 8 60 。1 3 1 9 2 8 0 0 h 2 = 4 7 8 + 4 104 6 7 4 0 l1 8 7 ，1 6 0 4 6 7 。4 0 1 3 2 8 2 9 3 i l = = 1 7 = 3 2 l - 2 8 64 1 0 3 6 61 6 4 ，1 4 6 26 9o 1 3 1 6o 1 0 4 5 3 2 0 0 1 8 = 1 9 = 1 1 2 = 4 1 0 * 3 6 64 0 l 一3 5 71 8 7 1 4 3 4 0 1 3 5 7 2 9 2 。2 6 6 i l = = 1 7 = 2 8 5 。2 6 03 6 5 3 3 31 4 6 一1 3 3 36 一1 1o 。1 0 4 20 ，0 8 6 5 3 6 0 0 i s = 。，1 2 = 3 6 5 + 3 3 33 5 7 3 2 51 4 3 1 3 0 3 5 7 * 3 2 5 4 4 0 4 0 8 l 一4 ；1 ；：；，i ；：2 4 s 3 4 0 ，- 2 3 4 9 ； 3 3 0 3 0 62 2 0 2 0 4 46 70 0 8 5 20 。0 7 3 l 1 8 = ：1 1 2 = 2 3 3 5 0 8 羽- 2 3 ： 3 2 2 2 9 92 1 5 1 9 9 4 0 0 0 8 1 1 3 2 2 2 9 9 强南交通犬学硕士研究生学位论文 第2 6 页 4 0 9 3 8 3 1 1 3 i 一= 芎s 竺2 3 4 9 5 9 - 2 3 - 3 7 ： 3 0 7 。2 8 72 0 4 1 9 l 4 4 0 0 5o 。0 7 3 50 0 6 4 4 1 6 2 1 7 = 2 4 0 。2 2 42 9 9 2 8 02 1 5 1 8 7 5 、1 3 1 8 。2 l 2 3 0 7 2 8 7 2 9 9 2 8 0 3 8 l 一3 6 0 3 7 3 3 5 2 i 严= 1 5 = i i3 2 2 9 2 1 6 1 6 = 1 7 = 2 2 4 。2 1l2 8 6 ，2 7 01 9 1 1 8 0 61 1 40 0 6 4 l0 0 5 7 i4 4 0 0 i s = = 1 1 2 = 2 8 6 - 2 7 02 8 0 2 6 41 8 7 1 8 0 1 1 4 = 2 8 0 2 6 4 5 7 2 5 4 0 5 6 0 5 2 8 3 6 0 3 4 1 3 5 2 - 3 3 3 i l = = 1 5 = 1 1 3 2 1 6 2 0 5 1 6 = 1 7 = 2 11 2 0 02 7 0 。2 5 61 8 0 1 7 l 7l - 1 50 0 5 6 8o 0 5 1 34 8 0 0 1 8 = = i i 2 = 2 7 0 - 2 5 62 6 4 2 5 01 7 6 1 6 7 1 1 4 = 1 1 5 = 2 6 4 2 5 0 5 4 0 - 5 1 2 5 2 8 - 5 0 0 表4 4d f 7 b 各工况的校核 动 魁 序歼 惑毫骧 权电阻总电援风机满是测试 号荧范匿 善支爨奄滚绪琵a ) 范隧电压 占 状 悫 4 5 9 3 8 6 4 5 0 3 7 95 7 4 4 8 22 3 0 1 9 32 8 0 0 l6 0 2 0 8 30 1 4 7 3i 1 _ = 1 5 = 1 1 2 = 5 7 4 4 8 25 6 2 4 7 32 2 5 一 8 93 2 0 0 5 6 2 4 7 3 曲掰j 之通丈掌坝士娥冤生雩 豆论义 第z ，贝 3 8 6 3 3 9 6 、1 1 一= 1 6 = 3 7 8 3 3 34 8 2 4 2 41 9 3 1 7 0 20 1 4 7o 1 1 3 9 3 6 0 0 8 9 1 8 = 1 9 = i l2 = 4 8 2 4 2 44 7 3 4 1 61 8 9 + 1 6 6 j 4 7 3 4 1 6 3 3 9 3 0 6 6 、1 1 = = 1 6 = 3 3 2 - 3 0 14 2 3 3 8 31 7 0 一l5 3 3o 1 1 3 60 0 9 2 94 0 0 0 8 1 l1 8 = 1 1 2 = 4 2 3 - 3 8 34 1 6 3 7 61 6 6 + 1 5 0 。4 1 6 3 7 6 3 2 5 2 9 6 i l 一= 1 7 = 3 1 8 - 2 9 04 0 5 3 7 01 6 2 1 4 8 46 1 1o 1 0 4 20 0 8 6 54 0 0 0 i s = = 1 1i = 4 0 5 3 7 03 9 8 - 3 6 31 5 9 ，1 4 5 3 9 8 3 6 3 4 8 9 4 5 3 i t 一= 1 4 = 4 8 0 - 4 4 4 1 * 41 6 = 1 7 = 2 9 4 - 2 7 23 6 7 3 4 02 4 5 ，2 2 7 50 0 8 5 3 0 0 7 3 14 4 0 0 6 。l l1 8 = 。= 1 1 2 2 8 8 2 6 73 6 0 3 3 32 4 0 2 2 2 1 5 = 2 3 73 6 7 3 4 0 3 6 0 3 3 3 4 5 4 4 2 5 4 4 6 4 1 7 l 1 3l l = = 1 5 = 1 1 3 = 2 7 3 2 5 53 4 1 3 1 92 2 7 2 1 3 6s 、0 0 7 3 50 0 6 4 41 6 = 1 7 =4 8 0 0 2 6 7 2 5 03 3 4 3 1 32 2 2 ，2 0 9 1 31 8 = 1 1 2 = 3 4 1 3 1 9 3 3 4 3 1 3 4 2 电阻带的设计 邀疆荣出镶一貉合会到戒，按照要求铡 乍残娥定豹阻篡。逝疆繁分配列鍪 电阻箱的应浚考虑以下几个方藤的问题： 1 通风道发热要均匀： 2 电阻带之间的连线要简溶，进入控制概的i g b t 发热功率要均匀。 褥南交通大学硕士 i 拜究生学位论义 第2 8 页 3 在可能情况下，电阻带岛控制柜之间的连线尽量段 4 电阻带上只有正电源的锕排 浚诗磐鎏4 。2 ： 各箱的电阻带技热校核见表4 1 袭4 。1 电殂带分筏及最太功率校核 l 薛2 撑3 群 4 撑 d f 4 b 16 0 96 9 64 3 54 3 5 d f 4 b 25 0 65 7 95 0 75 7 9 d f 4 b 34 3 66 2 36 2 34 9 8 d f 4 b 46 9 85 2 75 2 74 2 1 d f 4 b 56 0 74 5 84 5 86 5 3 d f 4 b ，65 3 56 5 64 0 45 7 5 d f 4 b 74 8 15 8 95 8 95 1 7 d f 4 b 84 3 55 3 35 3 36 7 2 势f 7 b 13 6 94 2 l3 6 93 6 9 d f 7 b 24 9 32 9 82 6 l5 3 0 d f 7 b 33 8 04 0 93 8 04 0 9 d f 7 b ，43 4 94 2 84 2 83 7 5 d f 7 b 一53 8 04 2 34 2 23 7 9 d f 7 a 54 7 l 3 7 52 9 51 3 9 d f 7 a 一63 0 54 8 52 5 62 3 0 d f 7 a 72 6 74 3 63 7 4 2 0 5 两南交通犬学硕士i i 歼究生学位论文第2 9 页 * * s 鲁 日 # 回 糖 格 蒜f 嫦圭 堪 枣 害 图4 2 电阻带的接线示意图 一 强南交通大学硕士研究生学位论义第3 0 贾 4 3 i g b t 的散热系统的设计 在电子设铸中，对一些大功率的集中发热元件或者功率密度高的电子设 备，广泛采用强迫散热。在干阻试验台中，i g b t 的导通电流达到5 7 0 a ，功率 达蓟1 3 k w ，采用强迫风冷的散热方式。 l 。强遥风冷夔设谤髹建 ( 1 ) 整机强追风冷教热的焦点在于合理控制气滤。使其按照预定豹路径逶 过，并将气流合理分配给每个单元和组件，使所有元件底于额定温度下工作； ( 2 ) 整机通风系统的进、出口应尽量远离。进、出口应尽量远离是为了避 免引起气流短路，如果电子设备在简空工作，应适当增加风爨： ( 3 ) 按逶菇散燕簧求稀捌元器俘。将掰蒸梭限袋小的元嚣件| 辩翔在上游， 不发热窝发热爨小熬元器传撼谯下游； ( 4 ) 将散热攫大的元嚣彳孛集中在起，在不影响电气性能题兹提下，与其 他元器件用绝缘或者热绝缘的方法隔离： ( 5 ) 降低冷空气的输邀阻力： ( 6 ) 摄高发热元件的输送隰力； ( 7 ) 力求选择低嗓声懿风瓿。 根据实际情况及i g b t 的产品手册，i g b t 的结温最大限度为1 5 04 c ，6 0 0 a 的i g b t 在电流为3 0 0 a 以内时的压降为2 v ，采用的风机的风量为2 1 0 0 m 3 m i n ， 散热器酶尺寸梵2 5 3 x 4 0 0 m m ，这晕申散热器的热隗随表面风速的变化如4 3 图： 水。 _ 图4 。3 教热器麴热毽风速蚕 西南交通大学硕士磷究生学位论文第3 1 页 散热器表面风速的估算：风的风速按照产品手册为2 1 0 0 m 3 h ，风机两台 风遒霞较终惫0 3 靠。裂瑾论最逮受3 。9 m s i g b t 的允许耗散功率为： p c = ( t j m t a ) r0d - a 式中；p c 一一环境温度为t a 时的耗散功率： 彳j 疆一一i g 8 羊兹最大克诲终涎： r0j - a 一一管的结歪环境的热阻( 总热阻) 。 在热稳定状态下，i g b t 的教熟尽鼹静热等效鳗路如黧4 4 ： r 芦瓠 | | 一 。，。+，。一 圈4 。4 半导体器终热等效露鼯 圈中，rej - c 一一结至受热疆 roc a 一壳至环境热阻 roc - s 一壳至教热器的热邋( 接触热阻) r0s a 一散热器歪空气的热阻( 接触热阻) t j 一结温度 t c 一管巍温度 t s 一一散热器温度 t a 一环境温度 从图的热等效回路，很容易求出i g b t 的结至环境的总热阻： 一 _- 墅蜜塞蹩查堂堡主堡塞竺兰堡燕查 整! ! 垂 r 0j - a = r8j - e 十reg a rej - a + r 8s 一挂) ( 箨) 由于r0c - a 比r 0 j - a 糊r 0s - a 大得多，敞热阻roc - a 可略去，即认为全 零热嚣餐经毅熬器扩教滋袅，予是上式篱傀为： roj - a = r9j e + r0c s + r9s a( c w 交i g b t 辩产黯孚翡躲； r8j e i g b t 部分：0 + 0 3w 恢恢二摄簿部分：0 0 6鞯 二者是并麟关系，敬总的热嫩为：0 ，0 2 w r c - s ：0 蠡。0 3 5 w r8s - a ：魄上照霹叛髂诗约海0 ，0 5 w 嫠器憨鹃魏溅癌袋 r8j a = r8j e 手rec - s + 我8s - a 麓黻求撼； r8j - a = o 。0 2 + 0 0 3 5 + 0 0 5 = 0 1 0 5 w 壤鼷武汉靛爨天浚空气滠襄在4 04 c ，i g b t 静耗散葫牮按照6 0 0 w 计算，则i g b t 的缩濑由式； p c = t j m t a ) r 8j - a 可以求出：t j m = 6 0 0 0 。1 0 5 + 4 0 = 1 0 3 1 5 0 霹蠡理论主数热蕊獍聪行。 垂+ 4 蘸撬漱撬浆p w m 瞧滚调逮系统耱设计 幽予给魄黻镫强滚风冷麓娥枫电枫的功率缀大 2 2 k w ) ，糟袋糟市怒黧流 供魄，将造成摸太浪费，鞭两采用飘车上翡电源，毽楚试验i 遣攫巾机车瓣毫 漾嘏聪在不断瓣变德，教嚣簧调运，将摊祝电橇瀚转遗撩定下来。 巍滚逛韵辘转遽n 静控制方瀑葡分为磷类，郄獭磁攘锻法与魄觳魄疆控 馥法。灏魏羧镑法控涮磁遴肇，鏊控裁功率虽蒸小，攥楚低速鲑于受溅辍稳鞫 西游交通大学硕士研究生学位论嶷第3 3 页 熬袋镄，菸速霹受戮转彝火芯秘转彝器结稳强壤熬辍裁，褥萎出手聚磁线嚣 电感较大，动态晌成较差。耩阻实际孛鬻糯静控麓方法是改交邀枢端魄薤调 速的电枢电压控制法。设直流电源电压u d ，将电枢串联一个电阻r ，则电枢端 电压u a 为； u a ；u d l a r 最然，调节电阻r 即可改变端f 拽压，达到调速匿的。但是这种传统的调遮方 法效率低。随着电力电子技术的遂步，发展了许多薪的电枢电压控制方法。 翔：斑交流毫滚供邀，使蠢晶游管整滚器遴幸亍禚控调箧：馁雳硅整流嚣将交 流电熬流成直流露由p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 斩波调压等。 p w m 斩波调服器比串电阻调服小，效率商。而斩波调聪比相控调压又有 诲多饶熹，麓震骚戆滤波装置缀，j 、甚至只翻翁泡枢毫慧已经足够，损耗耧发 热功率小，动态响废快。 图4 5 为p w m 斩波器的原理电路及输出电压波形。在图中，假定晶体管 v l 宠譬通零l 移( 瞧滚邀嚣u d 众部热到邀拣点) ，然嚣关鼗羊2 移( 毫懿竣龟 压为零) ，翔魏反鬟，电桩电器u a 为其平均德： u h 溯 豳4 。5 p w m 斩波器的原瑕电路及输出瞧压波形 u a = t 1 ( t 1 + t 2 ) = t 1 t u d = nu d 焚中：n = t 1 ( t 1 + t 2 ) = t i t 为一个蠲潮誓中晶体蛰导遴豹比率，酆 占空魄。使用下露三静方法中秘l 壬僻一耱，鄱可以改交a 豹值，从两达到谎 压的醑的： ( 1 ) 定宽调频法：t l 保持一定，使t 2 在戴o 一范围内变化； + 匿南交通大学硕士研究生学位论文 第3 4 贾 ( 2 ) 调宽调频法：t 2 保持一定，使t l 在此o c o 范围内变化； ( 3 ) 定频调宽法：t i + t 2 = t 保持一定，使t l 在此o 一范围内变化； 不管哪耱方法，a 载交纯范围均为0 a l ，因两电枢端l = 基压平均穰驰 调节蕊壅为0 u d ，均为正蘧，繇龟撬翼髭在菜一方囊调透，舔为不可遂溺 遮。 1 风祝及其驱动电规特性分辑 风枧的负载特性近似为负载转矩与转速的平方成芷比， g z = k1 12 ，( 1 ) 负载转矩等于屯机的电磁转矩，实际中的电机为串融鲞流电动机，转斑 与电机电流成正比， g z = c r ，2 ， ( 2 ) 在电机的的额定电压或超过额定电压很少时，转速与电机电压和电流的关系 为： n ：旦碣( 3 ) n 。c e i ”。 ( 3 ) 其中，七，c ，c e 。均与电机、风机有关，具体实际中为常数。 由( ”( 2 ) ( ”式可以得到电压与电流的关系：u ：j 半翻2 + c e i ， 即电压与电流是平方关系，呈现出报软的机械特性，这种关系实际中蠢利予 电褫的稳定安全运转， 上式( 3 ) 是在锻设电瓿磁路线性鲍条 孛下导出豹，懿莱电撬电浚太大， 朝邀疆太大瓣，毫疆磁臻懑霾，磁逶毒接近鬻数，上式羲不戏立，在这耱疆 凝下，审裁电动疆瓣提援特性貔较接近予毪藤电动壤，爨援稳毪开始交溪， 弧规毫罄毛豹电流与惫压或线往关系，魏辩若毫辊电压交恁较大垮雩| 起魄嘏魄 蕊南交通大学硕士磷究生学位论文第3 5 页 流的变换很大，导致电梳烧坏。褥原系统蜜际使用巾的电机就是因为奄嚣波 动范围太大导致了电机经常烧坏。实际生产中电机损坏的大多原因是由于过 电浚按坏懿。 2 风枧魄规豹p w m 蠖滚调速系统豹设诗 真流电机的p w m 控制可用不同的控制手段来实现，如使用专用的p w m 控 制器，或者使用微机进行控制，也可以使朋p w m 控制器和微机楣配合的方法 实现，在此我们采用专厢的p w m 控制器控制的直流不可逆调遮系统。 器。 ( i ) 主壤耱 图4 5 绘出了系统的结构框图，其主电路为典测的闭环控制的直流斩波 黧4 。5调速系统鹣控麓穰鬻 图4 6 主电路 主电路魏淄4 。6 掰示，主电路掰鞴并联脊电解曦容c d 和秃感电容c ，e 嚣南变逶大攀颈圭磺突生掌经论文繁页 应选用高频特性好的无感电容。它们的作用是吸收母线杂散电感在i g b t 关断 薅憝产生尖峰毫压。蚤蔻越浃滚复二掇警，荬终麓是在羊关薮辩，绘毫搬电 流提供续流通道，我们采用i r 公司生产的g a 2 0 0 l d l 2 0 u 型i g b t ( 额定电流 2 0 0 a ，毫蓬1 2 0 0 v ) ，其叁带一个越快恢复二极管，可焉诧i g b t 模块肉潍的 二极管代替电机的续流二极管，s 为电流传感器，将电流信号反馈给p w m 控 翩电路。m 5 7 9 6 2 l 将p w m 的信号放大，并驱动i g b t 。 间 ( 2 ) s g 3 5 2 5 集成p w m 控制电路 我们采媚s g 3 5 2 5 集成p w 臻控制器，按铡电鼹如图4 。? ：在5 嬲和6 嬲之 圈4 7 s g 3 5 2 5 集成p w m 控制电路 内部通过振荡器( 幽个双门限比较器、恒流电源、电容充放电路构成) 产 生一个锯齿泡压，。镶涛滚瓣峰点宅愿为3 。3 v ，谷点遣压为0 9 v ，锤齿波貔上 升边对应c t 充电，冲电时间t l 决定于r t c t ；锯齿波的下降边对应c t 放电， 放电时闯t 2 决定予r d c t 。锯齿波的频率由下式决定； f = i c t ( 0 6 7 r t + i 。3 r d ) _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ h h h _ _ - _ _ _ _ “_ _ _ _ w _ _ - _ _ _ _ _ - 一一 嚣瘫交逶大攀磁士研究生学位论文繁3 7 炎 实际诚明，选择太离的崭波频率对系统的噪声干扰作用并不明驻，反而 会加煎i g b t 和缓冲电路的损耗，频率越离，i g b t 的损耗越大，缓j 率电路的 元件要求就越高，我们选择主电路的工作频率为2 k h z 。 s g 3 5 2 5 翅环控裁藏瑗翔黼4 ，8 蹶示。逶过羚缓獾容元俘霹褒d 瓣嚣穗 输入溺产黛三帮渡，其频率豳该惫疆毫容决定，雹蘧主电路静王俸鼗率，三 角波下降淤的时间长度为p w m 的调节死区，其时间应尽量短。 图4 8p w m 闭环控制原理图 彀槐瓣邀浚遴过霍尔毫淡黄艨器交藏煞毫簇倍警疆l ，辕入爨谡麓黢大嚣 a e 的及德狳入溃，同稿输入滚接绘定电压u ，祷成爱馈篦较。透过液大器艟 上的比例积分环节，有利于系统控制稳定，其输出电压u - 输入到比较器的反 相输入端，和三角波比较，搬搀电机豹实际电流大小调节比较器的输如p w m 豹占空媳，傈涯逛枫在设定豹邀浚下工终。如辫4 。9 瓶示： u u - p wm u 2 t 圈4 9 p w m 斩波调压承意圈 西南嶷通大学硕士讲究生学位论文第3 8 页 第五耄试验硪究 5 1 风机电机p w m 调速试验 对风机电机p w m 调速系统进行试验研究，其主要目的魑： i 。获致邀瓿懿受载参数：凌予存在毫瓤与受载戆匿醚耀遴，力了髓够霞 电机正常工作，必须测试出电机的工作电流，郎风机正常逡转时的电机电流 值； 2 检验i g b t 鹣保护装置熬露靠蛙：i g b i 毖须缛到缝对豹保护，嶷骏中 应该检验i g b t 的像护情况，监视i g b t 的峰德电压，阻容电路吸收及电阻的 发热( 防止烧坏) 情况； 3 捻验p w m 电愿镶节范围：测试出p w m 魄鼹疆节电羼辘够傻毫规鬣鬻工 作的极限范围，提供设计依据； 4 测试在较大电流和感性负载情况下电解电容对电源的尖峰电压的吸收 情工溅。 5 禳据实际情况，了解电隰箱的接线情况。确定各电隰箱的接线方式。 试验研究用的主电路如图5 1 所示： 甏5 。1 风辘窀梳p w m 蜜验电路圈 西塑奎遵查堂壁主塑塞篷耋焦蓬塞 整i ! 蒌 _ _ _ - _ _ h _ _ _ m _ - _ ，_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一一 在试验过程中主娶测试了以下参数： i i g b t 两端的电压波形 2 斩波器的占空比 3 电机的瞧流 4 在正常工作情况下鞍长时淄运行露，i g b t 豹激热情况 其侮的试验测试络祭懿衰5 1 所示。 表5 。1 实验数撼记秉表 占电机、散 彀潆魄枫尖峰 空i g b t 的c e 端波形热器工作 电透魄滚逛压 眈情况 电率凡转遴 约u ；liii爨小，散热 5 0 v约2 - 3 9 0 篷3 2 a器王传委 黉 电机转运 约 u illi 约小，散热 6 0 v魏2 - 3 8 0 2 8 a器工作磁 常 电褫转逮 约 “ll 魏 ，l 、，散热 9 0 v 约4 - 5 8 0 4 l 盏器王终聂 镦 褥南交通大擎硕士研究生学位论文 第4 0 甄 逛捉转速 约 ”lll 约小，散热 1 0 5 v 终4 5 9 5 5 0 a器工作正 常 电辊转速 约 lll 约稍小，教 1 3 0 v约4 - 5 9 5 6 0 a热器工作 正常 约 ”illl 约 1 8 0 v 都最常约4 - 5 9 5 7 0 a 约 llll 约 2 8 0 v 都正豢约2 - 3 6 0 7 0 a u 约 llll 约 、 3 5 0 v 都丑三常约2 3 4 5 7 0 a 试验结果分析。 从以上数据可眺看出，风机电机的实际工作电流为7 0 a ，此时风机电机 的工作电征为约为1 8 0 v ，当风梳电机的惫压的电压不足1 8 0 v 辩，p w m 控镉电 路将镬撤壤电橇滤壤压受蕊运行，黪毫臻超过1 8 0 v 辩，p 秣将对鲢辊电滚垂 动调节，使触机电机的工作电流稳定在7 0 a 左右( 设定德) 。 风机电机电压最大已经加到3 5 0 v 仍然能f 常工作，说明电压谯1 8 0 v 3 5 0 v 的波动范围内p w m 工作可靠。不足之处是i g b t 的c e 端在关断时有较 西南交通大学硕士掰f 究生学位论文第4 1 贾 高的电聪，分析缩采认为虽然i g b t 的驱渤保护电路设计合理，但是猩元件的 类型选择上存在一定的问麓，饼黻存在较高的尖峰电瓶，德是不至予击穿损 坏i g b t ，因魏只簧在缳护元箨懿选释上多翔考虑，疑嘏电檄熬p w m 羧割系统 是可行懿。 5 。2 i g b t 开关电路的试验研究 对i g b t 开关毫黪豹试验礤究静疆豹是对耋灏设计豹i g b t 豹绦护亳鼹送行考 核。在试验过程书模拟实际的工作电路，以及最恶劣爨勺工作情况，通过将电 流模拟到实际的电流值，检查t g b t 的峰值电压，i g b t 的散热的工作情况， 以梭验熬新设计的保护电路的会理性，并试验救管i g b t 的驱动保护游工作情 况。 试验用的开关电路如圈5 2 所示： 图5 。2 毫酿熬i g b t 群关雯验 在试验i 蕊程中主袋测试了以下参数： i ，i g b t 瓶溅的魄援波形及幅僮 2 i g b t 了i j ：关的占室比 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 3 。i g b t 豹毫滚 4 在正常工作情况下较长时间运行后，i g b t 的散热情况 具体的试验测试结槊如表5 1 所示。 实验结果： 尖峰电源占空 i g b t 的c e 端波形电流散热情况 邀蘧毖电运 u 约约 9 l ￥ 1 一1 。一i 1 一 茏豢约1 5 5 0 4 0 a # 豹约 1 1 7 v 1 一i 。一i 一1 。一温度上升 约1 5 5 0 5 5 a 约 约 1 1 7 ￥ 发烫药i 5 1 0 0 1 2 1 a u 约约 2 2 3 v l 一l 一【一【一发烫 约1 5 5 0 1 2 0 a 西南交通大学硕士 i 开究生学位论文第4 3 页 约 约 2 1 5 v发烫约1 5 1 0 0 2 2 5 a 约 约 2 7 6 v发嚣约1 5 l 1 0 0 2 8 0 a 试验缩采分析： 由于实际实验条件的限锫，基本上没有强通风冷，并加上实验精的散热 器比较小，所以出现散热器发烫现象。但是，从i g b t 的c e 端的电联波形 可以看出，在不同的工作状况下，由于我们设计的保护电路合理，参数选择 比较含适，各种保护的元件类型选择恰当，i g b t 的尖峰电压很明显的被抑制 住，证明了i g b t 应用于机车干阻试验台是可行豹! 两南交通火学硕士研究生学位论文第4 4 页 结论 功率电子技术是从改造传动产业起家的，这是由于功率电子技术满足了 省功、高效、长寿鑫秘蠢动亿等产、韭改造靛要求。籀按术、藏技术霸功率电 子技术之间相互促进发展，功率电子技术是信息产业和传动产业之间的桥梁。 淹着铁路遮浚行业豹发震，铁路部门要求提供缓羹缀衰翡设蔷捡谚整控 设备，新设计的内燃机牮负载试骏台正是朝着这方向前进。蜜际使用 臌明： 耪型麴大功率的半导体开关元件i g b t 在枧车于疆试验台中的应用积礤究，为 机车负载试验掇供了新的解决方案，使负载连续可调，p w m 控制技术实现对 风机恒流调速，电机的使用变得照加安全、可靠，微机测控系统在机车于阻 试验螽中静应藤，提高了试验侄熊，试验过程中自动操作、自动记录数据， 并分析试验结果。整个系统设计膊想先进，控制方式丰富，自动化程度离， 应蔫瓣耨技术多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 致谢 论文是在导师郭世明教授的悉心指导下完成的。郭老师不仅在学术上给 予了我很多指导，还在生活中给予了我很多关心与照顾。在设计开始阶段值 此论文完成之际，谨向思师致以崇高的敬意和檄衷心的感谢! 学习期瓣，我靛家人、疑学、臻友给予了我葵丈豹支持、无私豹关心霸 帮助，在j 琏：肉德们致以深深酶谢意l 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 贞 参考文献 1 、苏歼才簿现代功率电子技术国防工、韭蹬版社1 9 9 5 9 2 、林忠岳等电力电子变换技术重庆：蘸庆大学出版社1 9 9 1 3 、黄俊。半导体变流技术北京：机械工业出版享土，1 9 8 6 4 、郡蠢簿。电力奄孑技术。i 京：中国铁道出版社，1 9 9 7 5 、 王志良。电力龟予新器件及其应用技术。能京：国防工业出版社，1 9 9 5 6 、 林渭勋。电力电子技术基础。北京：机城工业出版社，1 9 9 2 7 、 卢红。i g b t 驱动保护与应用技术。电力电予技术，1 9 9 3 ( 3 ) 8 、 禽鬻龙。一耪大功率充电电源黪设计。彀气自动讫，1 9 9 5 ( ) 9 、 贾贵喜等i g b t 驱动与：过流保护技术的研究。电气传动，1 9 9 6 ( 1 ) 1 0 、 何益宏。全桥式开关电源的一种切断式过流保护电路，电测与仪表， 1 9 9 4 ( 1 2 ) 1 1 、 潮健等。大功率i g b t 瓣态僳护研究。宅力彀予技术，2 0 0 0 4 1 2 、 郑华军等：p w m 方式开关电源中i g b t 的损耗分析，电力电子技术 1 9 9 9 - 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