（机械电子工程专业论文）定置式机车滚动试验台微机控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 定置式机车滚动试验台是模拟铁道线供机车试运转的大型现代试验装置， 它可以模拟再现机车在铁路线上运行的各种工况环境。而且，在滚动试验台上 试运时，可以对试运机车进行实时的技术检测和状态监测，及时地对试验机车 进行调整及标定，完成在实际铁路线上行驶所难以达到的试验研究。本论文设 计一种定置式机车滚动试验台的微机控制系统。目前，定置式机车滚动试验台 多为机械同步方式。本论文结合现场实际要求，提出采用电同步方案，采用晶 闸管一直流电机调速系统( 简称v 一 i 系统) 实现控制思想。将对试验台的控制分为 两步：基准测功电机控制和同步调速测功电机控制。基准测功电机控制系统保 证试验台的加载符合机车牵引阻力特性；同步调速测功电机控制系统保证试验 台各轨道轮同步运转以符合实际运行状况。同时，为了保障测功电机建立所需 要的磁场及安全运行的要求，还增加了励磁控制系统。将微机控制技术引入到 机车滚动试验台的设计中来，既取代了复杂的控制器装置，又简化了控制电路。 除了设计控制系统的强电电路、弱电电路外，还研究了p i d 控制规律，并且对 控制方案进行了仿真。本方案本着方便实际运用的宗旨，在实际试验时，试验 台不用与机车发生任何直接的信号交流，以避免临时接线。本设计方案不仅适 用于建造新的试验台，而且适用于改造旧有的试验台。 关键词：机车定置滚动试验台：机车试运转；微机控制；仿真：p i d 控制；整 流逆变电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t l o c a t i n gt y p el o c o m o t i v er o l l i n gt e s tr i gi sak i n d o fm o d e ml a r g e s c a l e t e s t i n ge q u i p m e n tt h a tc a l ls i m u l a t et h er a i lw a yf o rl o c o m o t i v et or u no ni t t h e t e s tr i gc a l ls i m u l a t ea l lk i n d so fc o n d i t i o n so ft h ea c t u a lr a i lw a y f u r t h e rm o r e w h e nl o c o m o t i v er u n n i n go ni t i ti sa r t a i n a b l es u c ha sr e a lt i m em o n i t o r i n ga n d d e t e c t i n gt h et e s t i n gl o c o m o t i v e ，i nt i m ea d j u s t i n ga n dr e s e t i n gi t s oi tc a l l a c c o m p l i s hat e s ta n dr e s e a r c hw h i c ha r ei m p o s s i b l et oa c h i e v eo nt h ep r a c t i c a lr a i l w a y i nt m st h e s i s ak i n do fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms c h e m eo flo c a t i n gt y p e l o c o m o t i v er o l l i n gt e s tr i gw a sp r e s e n t e d t h o u g ha tp r e s e n tt i m em a j o r i t y l o c a t i n gt y p el o c o m o t i v er o l l i n gt e s tr i ga d o p t sm e c h a n i c a lm e t h o dt ok e e p w h e e lr u n n i n gi n - p h a s e t 1 1 i st h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h a tk e e p i n gw h e e l sr u n n i n g e q u i v a l e n t l yb ya d j u s te l c c t r o m o t o r si sp r a c t i c a b l e a sw e l la su s i n gv ms y s t e mt o c a r r yo u tt h ec o n t r o l 1 e o r yi sa l s or e a s o n a b l e t h et h e s i sc a r v e su pt h ec o n t r o l s y s t e ms c h e m ei nt w os t 印s 0 n es t e pi sr e f e r e n c e e l e c t r o m o t o rc o n t r o ls ys t e m i t e n s u r e st h a t ，w h e ne x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e d ，t h et e s t b e d e x e r t sa c c o r d a n t r e s i s t a n c et ol o c o m o t i v ea si tr u n so nt h er a i l tt h es e c o n ds t e di ss y n c h r o n i z a t i o n e l e c t r o m o t o r sc o n t r o ls y s t e m i te n s u r e sa 1 1w h e e lr u ni n p h a s e a st h e yd oi nf a c t s i t u a t i o n t h i st h e s i sa d o p t sc o m p u t e rc o n t r 0 1t e c h n o l o g yi n s t e a do fm e c h a n i c a l c o n t r o lt e c 1 n o l o g y i nt h i sw a y , h a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i tw a sp r e d i g e s t e di tn o to n l y c o m p l e t e st h em a i nc i r c u i td e s i g n ，t h ea s s i s t a n tc i r c u i td e s i g n ，b u ta l s oa c c o m p l i s h s c o n t r o lm l ed e s i g n t h ep mc o n t r o lt h e o r yw a s a p p l i e dt ol o c a t i n gt y p e l o c o m o t i v er o l l i n gt e s tr i gd e s i g na n dt h ee m l u a t o ra r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o l s y s t e mw a se s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，o n ep o i n tm u s tb ei n d i c a t e dt h a tt h i ss c h e m ei s c o n v e n i e n c ef o ra c t u a la p p l i c a t i o n ，b e c a u s en od i r e c tc o n t a c te x i s t sb e t w e e nt h e c o n t r o ls y s t e ma n dt h et e s t i n gl o c o m o t i v e t i l i sm a k e si tn o to n l ya d a p t i n gt ob u i l d n e wt e s t b e d ，b u ta l s os u i t i n gt or e c o n s t r u c to l dt e s t b e d k e yw o r d s ：l o c a t i n gt y p el o c o m o t i v er o l l i n gt e s tr i g ；l o c o m o t i v et e s tr u n ； c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ；e m u l a t i o n ；p i dc o n t r o l ；c o m m u t a t e a n di n v e r s et r a n s f o i t nc i r c u i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机电控制系统概述 1 机电控制系统的发展概况 机电控制技术最早出现于2 0 世纪初，当时它仅借助于简单的接触器与继电 器等控制电器，实现对被控对象的启、停以及有级调速等控制，它的控制速度 慢，控制精度也较差；2 0 世纪3 0 年代控制系统从断续控制发展到连续控制， 连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差 对被控对象自动进行调整，它的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控 制，并简化了控制系统，减少了电路中的触电，提高了可靠性，使生产效率大 为提高；2 0 世纪4 0 5 0 年代出现了大功率可控承银整流器控制；时隔不久， 5 0 年代末期出现了大功率固体可控整流元件晶闸管，很快晶闸管控制就取 代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制，由于晶体管、晶闸管具有 效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量 轻等优点，它的出现为机电自动控制系统开辟了新纪元。 随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又 使控制系统发展到一个新阶段计算机数字控制，它也是一种断续控制，但 是和最初的断续控制不同，它的控制间隔( 采样周期) 比控制对象的变化周期短 得多，因此在客观上完全等效于连续控制，它把晶闸管技术与微电子技术、计 算机技术紧密地结合在一起，使晶体管和晶闸管控制具有强大的生命力。 2 机电控制系统的一般构成 机电控制系统一般由8 个部分组成，如图卜1 所示。图中“ ”代表比较 元件，“一”表示负反馈，“+ ”表示正反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出 端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称 主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通 路以及由它构成的内回路。 图1 - 1 机电控制系统组成框图 测量元件职能是检测被控制的物理量，如执行机构的运动参数、加工状况 等。如果这个物理量是非电量，一般转换为电量。 比较元件职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件的输入量进行 比较，求出它们之间的偏差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 放大元件职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象。电压偏差信号可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管组成 的电压放大级和功率放大级加以放大。 执行元件职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化，完成特定的加 工任务，如零件的加工或物料的输送等。 驱动元件与执行机构相连接，给执行机构提供动力，并控制执行机构启动、 停止和换向。 补偿元件也叫校正元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈 的方式连接在系统中，其作用是完成加工过程的控制，协调机械系统各部分的 运动，具有分析、运算、实时处理功能，以改善系统的性能。最简单的校正元 件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用s t d 总线工业控制机、 工业微机( p c ) 、单片机等组成。 控制对象是控制系统要操纵的对象。它的输出量即为系统的被调量。 1 2 机车定置滚动试验台介绍 1 研制机车定置滚动试验台的意义 截止2 0 0 2 年，我国已拥有内燃机车1 0 7 5 2 辆，电力机车4 2 9 8 辆，而且还 有年产电力机车7 0 0 台、内燃机车1 2 0 0 台的生产能力。 按照铁道部颁布的技术规程规定：每台新造机车都要经过单程不少于t o o k m 的正线试运，中修机车要进行单程不少于5 0 k m 的正线试运，才能交付试用。所 以，机车试运是一项重要且繁重的工作。而我国的铁路运输任务繁忙，承载了 全国客运市场的3 0 多、货运市场的5 0 多的运输份额，所以铁路正线很难有时 间安排机车单独试运。而且，我国主要的机车生产厂家大部分位于东北、东部、 和中南等经济发达地区，机车的大多数也使用于这些地区，这就更加重了铁路 的紧张状况。对于机车修理和制造部门来说，试运机车排点上线困难，单机试 运机车要避让正线通过列车，常常待备侯点，费工费时，造成机车使用率下降 和延长机车的出厂日期。因此，建造机车定置滚动试验台用于代替机车试运转， 无论从缓解铁路运输紧张矛盾，还是缩短试运工期、提高机车运用周转率来说， 都具有十分重要的意义。 应用机车滚动试验台进行机车试运转不仅能满足规定的试运指标，而且便 于进行上线试运所难以实现的技术检测和状态监测，及时进行最佳调整及标定； 便于查找故障，并及时进行处理；便于应用先进的地面检测技术及设备，如微 机检测与故障诊断系统；便于配置先进的信号传感器及检测系统，如车轴、轴 箱及抱轴瓦的红外测温技术，走行部等关键部位的振动及噪声测试技术，机车 牵引力、牵引功率、速度的测试技术；甚至可以取代水阻试验，完成机车柴油 机各种热工参数及机车电气参数的检测及调整。可以说，完善的机车定置滚动 试验台集机车动态试验( 代替机车试运) 与静态试验( 代替机车水阻试验) 于一身， 不失为一种对机车进行整车试验的最佳试验设备。因此，无论对机务段还是机 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 车制造及修理厂都将有良好的应用前景及推广意义。 2 定置式机车滚动试验台的基本原理 机车滚动试验台作为一个模拟铁路线的大型试验装置，虽然其具体形式各 种各样，但其基本原理如图1 2 。 塾堕笙t 彳1 2 _ 1 亍；_ 了 万向联轴器 变速箱 转矩转速传感器 电动发电机 图卜2 定置式机车滚动试验台原理图 机车滚动试验台用轨道轮模拟钢轨。位于试验台上的机车，各个机车动轮 分别落于对应的轨道轮上，轮与轮之间法线垂向接触。机车定置运转时，各个 动轮分别驱动相应的轨道轮转动，以这种轮与轮接触的纯滚动来模拟机车与钢 轨的相对运动。 轨道轮向机车动轮旌加的负载( 制动力矩) 应符合机车在实际线路上牵引列 车时所受到的负载。另外非常重要的一点是，要保证各个轨道轮的圆周线速度 相等，即各轨道轮同步。因为当机车在实际铁路线上运行时，各轮对的线速度 是同步的。而且，当机车的各轮对转速差别较大时，将会使各牵引电动机的电 枢电流严重分配不均，有可能烧坏电机，同时，不能真实地检测各牵引电动机 电流分配不均的情况。 3 对试验台的总体要求 定置式机车滚动试验台作为现代机车进行试运转试验的大型试验装置，它 可以模拟再现机车在铁路线上运行的各种工况环境，测试机车的各种性能参数， 完成在现有铁路线上行驶所难以达到的试验研究，所以应满足如下几点要求： 试验台施加给机车的轮周作用力应和机车在实际运用中钢轨施加给机车的 牵引阻力相等； 试验机车各轮对的转速应保持同步： 在机车牵引工况时，试验台作为负载，模拟列车运行阻力：在机车制动工 况时，试验台作为驱动，模拟列车运行所具有的动能及位能。 簟直p 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 机车滚动试验台常见控制系统介绍 试验台的控制方法从基本原理上分类有两类：一类是用电路控制实现同步， 简称电同步；另一类是采用机械手段实现同步，简称机械同步。电同步的特点 是：以其中一对轨道轮的速度为基准，分别检测各轮的速度并与基准速度进行 比较，当出现速度偏差时，通过分别调节各轨道轮所驱动的测功电机的电磁力 矩来消除偏差。机械同步的特点则是：各轨道轮通过机械同步装置联动，只要 各轨道轮的轮径相同就能保证各轮同步。下面分别加以介绍。 1 机械同步方案 机械同步控制就是使用机械的方式来强制保证各轨道轮的转速同步。根据 其采取的机械连接方式来分，目前实际应用中主要有两种方式：一种是采用同 步齿形带连接方式；另一种是采用齿轮连接方式。 1 ) 同步齿形带连接方式 同步齿形带连接方式原理如图l 一3 图1 3 同步齿形带连接方式 在每对轨道轮的同侧轴端经增速齿轮箱( 图中未画出) 后安装机械同步装置 同步齿形带传动机构( 如图中虚线所示) 。6 对轨道轮通过机械同步装置联 动，只要各轨道轮的轮径相同，在任一瞬时都能够精确地保证各轮同步。机械 同步的精度取决于同步装置的制造精度及传动精度。从模拟钢轨的角度来看， 轨道轮的轮径越大越好，但这势必会增大轨道轮及轴承座的体积和造价，轴距 空间也不允许，因此轨道轮径一般不超过被试机车轮径的1 5 倍。 每对轨道轮通过齿轮箱连接一台测功电机c d ( 直流发电机) ，其电枢绕组两 端并联制动电阻如，采用他励方式。6 台测功电机的他励绕组串联，共用一台 可控整流励磁电源。机车动轮驱动轨道轮，轨道轮带动测功电机发电，将电能 消耗在制动电阻上，从而产生阻力矩作用于机车动轮。调节测功电机的励磁电 流，即可改变阻力矩的大小，以模拟机车运行阻力的变化。用同一电源进行励 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 磁调节，保证了各轮同步加载，否则将在机械同步机构中产生过大的同步力矩。 由于机车上各支路电流的分配不均，将使各动轮的驱动力矩不均，测功电机作 用于各轨道轮的制动力矩将通过机械同步机构来与驱动力矩平衡。为了减小同 步机构所承受的同步力矩，试验台上的各测功电机的特性应比较一致，并调整 制动电阻的阻值，使各轨道轮的制动力矩尽可能相等。 这种机械同步方式的优点是结构简单，对各轨道轮的位置精度要求不是很 高，而且，由于同步齿形带有一定的缓冲作用，所以对轨道轮的冲击不是太大。 2 ) 齿轮连接方式 齿轮连接方式原理如图1 - 4 所示。 图1 4 齿轮连接方式原理图 上图是齿轮连接方式试验台机械部分的示意图。它可对2 轴或3 轴转向架 进行空转试验、牵引试验和电气制动试验。其结构特点是3 个滚轮单元采用伞 齿轮同步连接，每个滚轮对由1 台直流他励电机作为负载或拖动机：另外电机 的减速齿轮箱有2 种传动比，对应滚轮圆周的不同速度。在牵引和制动试验中， 要求3 台电机尽可能均衡出力。 这种连接方案由于采用齿轮连接，对轨道轮的位置精度要求高，冲击大。 但是瞬时转速同步精度高。 2 电同步方案 电同步方案就是利用调节各测功电机的电磁转矩来使各轨道轮保持同步。 根据其调节电磁转矩的方式又可分为两种：一种是调节测功电机的励磁电流， 另一种是调节测功电机的电枢电流。 1 ) 调节电枢电流方式 调节电枢电流的方案图如图1 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图卜5 调节电枢电流方式 图中下部为试验台电传动主电路示意图，其特征是将励磁绕组串联，由三 相整流器供电，每个电枢使用独立的整流电源，电机电动肩0 动的转换由改变励 磁方向实现。这既便于调速控制，又简化了电路，也便于控制系统的模块化。 图中，4 个单相整流器通过变压器与受试机车共同使用单相2 5 k v 的牵引电源， 这样在电气牵引再生制动试验时，可形成能量循环，降低能耗。此外，电枢回 路的制动电阻r 和整流器配合，可实现加馈电阻再生制动。 在交直交机车试验中可能要模拟车轮直径的磨耗差异对并联的异步牵引电 机负荷分配的影响，要求轨道轮转速按对应车轮直径的反比变化，电同步方案 只要在程序里稍加修改，可以实现这一点。这是机械同步所没法实现的。不过 对于运用型机车定置滚动试验台来说，通常并不考虑这一点。 2 ) 调节励磁电流方式 调节励磁电流的方案与调节电枢电流的方案大体相同，所不同的是每台电 机的励磁回路使用独立可调的整流电源，当出现速度偏差时，通过分别调节各 轨道轮所驱动的测功电机的励磁电流来消除偏差。 调节电枢电流和调节励磁电流两种方式各有优点。调节励磁电流的方式， 能够使电机保持较硬的特性，调节比例大，但是它有一个缺点就是，励磁控制 法在低速时受磁极饱和及励磁绕组温升的限制，在高速时受换向火花和换向器 结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大、存在磁滞，动态响应较差，所以这 种方法使用较少。 现在大部分应用场所都通过调节电枢电压来实现电机调速，按照对半导体 功率元件的使用，此方法又可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动 方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。其优点是：控制原 理简单，输出波动小，线性度好，对邻近电路干扰小。但是功率器件在线性区 工作时将有大部分功率用于产生热量，效率和散热问题比较突出，因此这种方 式只能用于数瓦以下的小功率直流电动机的驱动。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电动机电枢电压，实现调速的目的。其原理是利用开关管导通的时间与 周期的比值a ( 占空比) 的变化，来控制电动机电枢电压在一个周期内的电压 平均值，从而达到调速的目的。 1 4 本试验系统方案介绍 本课题的研究对象是定置式机车滚动试验台微机控制系统，要求采用成熟 可靠的技术、简单合理的结构，同时要求试验系统具有先进的性能指标和技术 指标。经过深入思考和认真比较之后，决定采用如下方案： 1 测功电机电路连接方案：主电路采用直流电机调节电枢电流来调节电机 的转矩和转速。本试验台的轨道轮采用六台同型号直流电机作为负载和驱动。 六台电机都采用他励的励磁方式，并且把励磁回路串联起来统一供电和调节。 这样做是为了使它们工作在同一工作状况下，并且易于调节励磁电流的大小和 测功电机工况的切换。各电机的电枢回路采用单独供电，依靠调节各电枢电流 的大小来调节电机转速和转矩，达到满足机车牵引阻力特性和保证各轨道轮同 步。 2 供电和整流方案：电枢回路采用牵引供电网供电。2 5 k v 单相电源引自牵 引供电网，经隔离丌关、吸流变压器、主断路器及电流互感器后送至主变压器， 经降压后用六个带中轴的绕组分别向六组整流器供电。整流器为晶闸管单相桥 式整流电路。励磁回路采用3 8 0 v 三相交流电源供电，经降压变压器降压后采用 晶闹管三相桥式整流电路整流。 3 测控系统：测控系统采用工业控制微机系统，以总线技术完成数据采集与 通信、信号处理。用转矩转速传感器来检测各电机的转速和输出的转矩，用电 压传感器和电流传感器来检测各电机电枢的电压和电流以及励磁回路的电压和 电流。通过数据采集卡来采集各种数据信号。计算机采用p i d 控制算法发出控 制信号，信号经过模拟量输出卡转换成电压信号，然后经过电压放大、功率放 大输送到整流回路的触发控制回路，完成对电机的转矩和转速的控制。整个测 控系统采用高精度稳压电源、光电隔离技术、屏蔽、接地、电源抗干扰、软件 滤波等多项技术，以增强系统的保护和抗干扰能力。 4 软件系统：试验系统需要涉及到的软件程序包括人机界面程序、数据采 集程序、数字滤波程序、标度变换程序、p i d 控制算法程序、动态显示程序、 数据库管理程序、通信程序、k a t l a b 仿真程序。最终形成友好的人机操作界面 和图形用户界面，可以对试验系统进行动态的参数设置、信号显示、数据分析 和存储。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章试验台主电路方案设计 本机车滚动实验台的原理如下图所示。 2 5 k v | ；_ ， 幽2 1 机车滚动实验台原理图 每个轨道轮经齿轮变速箱增速后与转矩转速传感器连接，转矩转速传感器 直接和测功电机输出端连接。6 台测功电机为同型号他励直流电机，它们的工 作状况也一样。励磁回路采用串联方式，通过三相整流器、降压变压器后由3 8 0 v 交流电源供电。励磁电压根据需要可连续调节，这主要是防止机车在运行速度 较高时测功电机的感应电动势超过最大许可电压。每个电枢回路使用独立的整 流电源，电机电磁转矩的主动被动的转换由改变励磁电流方向实现。6 个单相整 流器通过变压器与受试机车共同使用单相2 5 k v 的牵引电源。当机车处于牵引 工况时，测功电机处于发电状态，向电网反馈能量和消耗在制动电阻上。此时， 电枢回路的制动电阻r 和整流器配合，可实现电阻再生制动。当机车处于制动 工况时，测功电机从电网导入电流，处于电动机状态，对机车提供驱动力，模 拟机车在长大坡道上行使时的位能和动能。此时，应短路制动电阻r ，避免不 必要的损耗。特别要提到的是，当机车处于启动阶段时，要模拟较大的启动牵 引力矩，测功电机必须从电网导入电流实行加馈制动，以产生足够的制动力矩。 2 1 试验台主电路方案 本机车滚动试验台的硬件电路方案可分为主电路和测控电路两部分。主电 路方案包括供电电路、测功电机电路、整流逆变电路和相控电路等内容。下面 分别介绍。 1 测功电机电枢回路供电方案 该方案如图2 2 所示。2 5 k v 单相电源引自牵引接触网，经杆上隔离开关、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 吸流变压器、主断路器d l 及电流互感器后分成两路：一路经隔离开关g n 2 给作 试验的电力机车供电；另一路直接送至试验台传动系统主变压器，经降压后用 六个带中轴的绕组分别向六组整流器供电。电枢使用单相电源既可解决三相电 源容量的不足，又可利用试验台电传动的再生制动功能，在电力机车牵引试验 时，形成能量循环降低能耗。 l 一! ! 一。羔 一哆1 丽丽军 v 、r v l -i 、y 、| n n r 、r 、 r ，f ，、r n 一，、 r u r n、 - lllll 【l 【- l ：l 一 川i z i 川2 肌33 坫b 5“5酶n 图2 - 2 变配电路图 2 测功电机电枢回路 各电机的电枢回路经可控整流调压回路并联到变压器的副边，可相互独立 地调节各电枢的电流。电机电枢回路如图2 3 。 变压器副边 图2 - 3 电枢回路图 变压器副边有两个电压档位，一个为低压档位，一个为高压档位。这是为 了满足机车的不同运行情况及不同机车功率的需要。当测功电机处于重载电动 工况时，闭合开关k 1 ，短路制动电阻，同时，整流输入电压接高压档。当测功 电机处于轻载电动工况时，闭合开关k 1 ，短路制动电阻，同时，整流输入电压 接低压档。当电机处于加馈制动或再生制动时，断开k 1 ，串入制动电阻，同时， 整流输入电压接低压档。平波电感是为了使电流持续，波形稳定。不同工况时 主电路的简化电路为： ( 1 ) 电动工况简化主电路如图2 - 4 所示，其等值的整流电路为单相半控桥， 电动轻载采用低压输入，而电动重载采用高压电源输入。采用半控桥和合适的 输入电压既可提高运行功率因数，又可减小维持电流连续所需的平波电感值。 降低输入电压( 配以磁场弱励) ，可节省设备投资。 ( 2 ) 加馈制动工况简化主电路如图2 5 所示。与图2 4 相比，励磁电流相反。 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其次，电枢回路串入了一只电阻。在进行牵引试验时，整流器不仅可以补充电 阻制动在低速时制动力的不足，而且可为具有确定机械特性的动力车轮提供适 当的阻力，使车轮工作在指定的转速上。 ( 3 ) 再生制动工况主电路。与图2 5 相比，励磁电流方向相同，在电枢回路 中的串联电阻值较小。此工况的整流电路为单相全控桥，其输入电压为低电压。 由于移相范围接近1 5 0 度和串入的电阻，电机转速较高时为再生制动，较低时 仍为加馈制动。再生制动向加馈制动方式的转变，依靠改变整流电路桥的晶闸 管的触发相位来实现，再生制动工况时的触发相位与加馈制动时触发相位相反。 苜曲圆曲峪峥叫叫癌亩亩由q 日必酗 图2 4 电动工况简化主电路图2 - 5 加馈制动( 或再生制动) 简化主电路 3 测功电机励磁回路 电机励磁回路如图2 - 6 。6 台电机的励磁回路串联在一起，通过三相整流器、 降压变压器后，由3 8 0 v 交流电源供电。励磁回路的电流方向可变，配合测功 电机的不同工况。励磁电源和励磁阻抗均不变。励磁电流可削弱，这主要是防 止当机车的运行速度较高时，测功电机的电枢电压超过最大值。 励磁线圈 降压变压器【 r 一 ，j s s o v 剥1 三三搁 i 一 图2 - 6 励磁回路图 4 电枢回路整流逆变电路 本试验台的主整流电路应具有整流和逆变的作用。在整流工况时，向测功 电机提供直流电能，使电机工作于电动机状态或加馈制动状态；在逆变工况时， 测功电机工作于再生制动状态，将电机产生的制动能力反馈电网。电枢整流电 路原理如图2 7 所示，六组都相同，其核心是由四只晶闸管i v i i v 4 及二极管 i v 5 、i v 6 组成的多功能整流桥，它由开关k l 、k 2 及q s 来切换，从而与各电机 工况相配合。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 】页 图2 7 电枢整流憎! 变电路原理图 原理图中的动作过程为：测功电机电动工况时，接通开关q s 、k l ，此时变 压器的二次侧输出离电压，i v l 的触发角取值范围为0 n ，t v 2 的触发角取值 范围为2n ；测功电机加馈制动工况时，接通开关q s 、k 2 ，此时变压器的 二次侧输出低电压，i v 3 的触发角取值范围为0 ，i v 4 的触发角取值范围为 n 2n ；测功电机再生制动工况时，接通开关k l 、k 2 ，断开q s ，此时变压器 的二次侧输出低电压，i v 2 、i v 3 的触发角取值范围为0 ，i v 、i v 4 的触发 角取值范围为2 。 图中的快速熔断器是晶闸管的过流保护装置，因为晶闸管的热容量很小， 一旦发生过电流时，温度就会急剧上升，有可能把p n 结烧坏，造成元件内部短 路或开路。和晶闸管并联的电阻电容是用来吸收过电压的，对晶闸管进行过压 保护。 以上整流电路可以达到整流变压的目的，但是它整流出来的直流电压波动 很大。为了得到波形更平缓的直流电，可采用如图2 8 所示的不等分三段半控 整流桥电路来整流变压。它由牵引变压器的两大段绕组供电，即3 t - - x 。和a 。一x ：。 其中在a ，一x ，绕组的中点b ，处有一个抽头，这样共有5 个抽头，每个抽头接向桥 臂的中点，这种电路即所谓不等分三段整流桥，它有三个半控整流桥串联工作， 它们的输出电压是叠加的。不等分三段半控整流桥电路有以下优点： 1 ) 电动时随着电机速度的增加各段桥按顺序投入，当电机低速小电压时也 可使一段桥的晶闸管满开放，即每段桥的晶闸管均工作在最大导通角状态，从 而减少电路谐波分量，提高功率因数。 2 ) 分段串联整流桥在同样的输出电压下可依次降低桥臂半导体器件承受的 反向电压值，从而减少桥臂串联器件数及其因串联所需的附件，或者可以选用 电压较低的半导体器件。 3 ) 在同一半控桥内采用两个整流臂和两个可控臂分别相串联的连接方式， 对于大功率的机车整流电路而言，在换流过程中整流臂可以起续流作用，不必 另外增加续流器件。 不等分三段半控整流桥电路是这样工作的： 1 ) 首先对v ，、v n 、v 。、v o 半控桥进行移相调压。随着v 。、v 。晶闸管导通角 露 。i 广_ h f _ j 三 印曲 lli口 一 二一 一 。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的逐渐增加，整流管v ，、v 。导通时间逐渐减少，其中晶闸管每周期的导通时间 为一n ，整流管的通电时i n 每周期为n + n ，d 为相控角。当v 。、v , o 全导通后 a 2 0 ，输出电压为妄u a 。 2 ) 为了进步提高电压，闭合开关q s ，对桥臂品闸管v 。、v 。进行相位控制， 当v 。、v a 全导通后输出总电压为：( i 2 + i 4 u 。= i 3 u 。 3 ) 最后对晶闸管v j 、v 。进行相位控制 v 。、v 。的导通时间逐渐减少，当v 。、 旺1 + 1 4 + 4 1 、1 蜘u dl 互4 + 2 随着其导通角的逐渐加大，晶闸管 v 。全导通后输出电压最大为： ， l 一 v 7z ，卜 _ ! v 8v 1 口 u 。 邮，v zv 3 _ _ l j 丕v 2 态v 4 丕v e h 亡二 二兰二：垫， 2 3 ” 电压波形示意图 图2 - 8 不等分三段半控整流桥电路图 5 励磁回路整流电路 测功电机励磁电流可用如图2 - 9 所示的三相全控桥电路获得。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 图2 一l o 单相桥式整流电路 6 相控电路 移相触发电路如图2 1 1 所示。u 为控制电压。当u 。增大时，i 。就增大，使 t 。管的集电极电位v 。即t ：管的基极电位v 。：降低，i 。；增大，这相当于t ：管的集 射极电阻变小，c 的充电时间加快，触发脉冲提前，触发角变小，导通角变大。 同理，u 。减小时，t 。管的集射极电阻就变大，触发角增大，导通角减小。 一、一i j j 7 f y 誊 厂! r n _ 1 。f l 。 。，妞7 u j t 7 _ r v i 变送器一 i v 变送器一 多路转换开关一 采样保持器一 a d 转换一 并行接口电路一 p c 总线 过 程 参i 数一j 图3 - 3 模拟量输入通道 p c 总 线 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流( 或电压) 形式后，再送 至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级， 进行采样和a d 转换，实现过程参数的巡回检测。 2 模拟信号输入通道元器件选型 1 ) 数据采集卡 研华公司的p c i1 7 1 6 型数据采集控制卡是一款功能强大的高分辨率多功 能p c i 数据采集卡它带有一个2 5 0 k s s 1 6 位a d 转换器p c i 一1 7 1 6 可以提供1 6 路单端模拟量输入或8 路差分模拟量输入，也可以组合输入它带有2 个1 6 位 d a 输出通道，1 6 位数字量输入输出通道和1 个1 0 h m s l 6 位计数器通道其d a 输出通道输出电压为o 5 v 或o 1 0 v 。 2 ) 电压传感器 因为电机的电压最大值按1 1 8 3 v 计算以及为将来留有余量的原因，所以电 流传感变送器可选用武汉市华意电子有限公司生产的h y h s b 一1 3 1 6 1 0 0 0 v 型 电压传感器，其主要参数为：原边额定电压1 0 0 0 v ，原边测量范围o 1 5 0 0 v ， 额定输出2 5 m a 4 v 用户指定，精确度o 5 3 ) 电流传感器 因为电机的电流最大值按2 4 0 0 a 计算以及为将来留有余量的原因，所以电 流传感变送器可选用武汉市华意电子有限公司生产的h y h s k k t 一7 一1 5 0 0 a 型 电流传感变送器，其参数及特征如下：原边额定电流1 5 0 0 a ，原边测量范围 3 0 0 0 a ，额定输出1 , 4 2 0 m a 、2 , 0 5 f , 3 、用户指定，工作电压1 2 v ( 5 ) ； 1 5 v ( 5 ) ，精确度1 0 4 ) i v 变换电路 变送器输出的信号为0 1 0 m a 或4 2 0 m a 的统一信号，需要经过i v 变换 变成电压信号后才能处理。【v 变换电路有无源和有源两种。 无源w 变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保 护措施，如图3 - 4 。 图3 _ 4 无源w 变换 对于o i o m a 输入信号，可取r i = 1 0 0 q ，r 2 - 5 0 0 q ，且r 2 为精密电阻，这 样当输入的i 为o 1 0 r o a 电流时，输出的v 为o 5 v ，对于4 2 0 m a 输入信号， 卜 芒 一 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 可取rl = 1 0 0 q ，r 2 = 2 5 0 q ，且r 2 为精密电阻，这样当输入的i 为4 2 0 m a 电 流时，输出的v 为i 5 v 。 有源i v 变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图3 5 。 v 图3 - 5 有源w 变换 利用同相放大电路，把电阻r 1 上产生的输入电压变成标准2 的输出电压。 该同相放大电路的放大倍数为a = l + r 4 r 3 。若取r 3 = 1 0 0 k q ，r 4 = 1 5 0 k q ，r l = 2 0 0 k q ，则o 1 0 m a 输入对应于0 5 v 的电压输出。若取r 3 = l o o k q ，r 4 = 2 5 k q ， r 1 - 2 0 0 kq ，则4 2 0 m a 输入对应于l 5 v 的电压输出。 3 3 测功电机转矩、转速信号检测电路 由于选择的湘仪动力测试仪器有限公司生产的j c z 4 型智能转矩转速传感 器把转矩、转速信号处理成可直接与计算机r s 2 3 2 串口通讯的信号，所以用串 口连接线直接把转矩转速传感器的r s 2 3 2 接口和计算机的r s 2 3 2 接口连接起来 就可以了。 选择转矩转速传感器要考虑两个因素，一个是万向轴的转矩，一个是万向 轴的转速。机车的最大运行速度为4 0 0 k m h ，车轮直径按1 2 5 0 m m 计算，则车轮 的最大转速为n 车沁= 磊煞x 6 0 = 1 6 9 7 7 0t a d m i n 。轨道轮直径应大于 机车的轮径， 所以取为15 0 0 m m ，则万向轴的最大转速为 n 万自轴= 1 6 9 7 7 0 。丽1 2 5 0 = 1 4 1 4 7 5r a d m i n 。 电机的最大转速为1 9 2 5 r a d m i n ，所以传动比为 b ：兰世：1 4 1 4 7 5 ：0 7 3 5 ，取传动比b ：0 7 5 。 “电机 1 9 2 5 机车在启动时牵引力最大，此时万向轴受到的转矩也最大，以韶山6 b 型机 车为例，启动牵引力为4 7 1 k n 。所以轨道轮的最大转矩为 m 。：4 7 1 1 5 0 0 ：5 8 8 7 5n m 。 “ 62 所以转矩转速传感器可选用长沙高新技术产业开发区湘仪动力测试仪器有 限公司生产的j c z 4 型智能转矩转速传感器，它的额定转矩为4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 nm ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 额定转速为2 0 0 0 r a d m i n 。 该传感器的特点是：相位差磁电转换原理，长距离数据传输；r s 2 3 2 串行 通讯接口；自动进行转速特性补偿：自动进行温度修正；零转速测试。 其性能指标如下： 1 转矩测量精度( 分为0 1 级和o 2 级) 静校一一直接用砝码产生标准力矩校准时，其测量误差0 1 级不大于额 定值的0 1 ，0 2 级不大于额定值的0 2 。 转速变化的附加误差一一在规定转速范围内变化时，转矩读数变化不大 于额定转矩的0 1 ( 国家标准为0 2 ) 。 2 转矩测量过负载能力 在超载不大于1 2 0 额定转矩时，仍然能保证转矩测量精度；在短时冲击负 载不大于3 0 0 ( j c z t 型为5 0 0 ) 额定转矩时，负载消失后，转矩零点读数变 化不大于0 1 。 3 4 电压信号输出电路 1 电压信号输出通道组成原理 电压信号输出通道的组成原理为： p c 总线一 并行接口电路 d a 转换电路一 v i 转换电路 价，转换电 路一 功率放大器 控制对象 模拟量输出通道的结构型式，主要取决于输出保持器的构成方式。输出保 持器的作用主要是在新的控制信号来到之前，使本次控制信号维持不变。保持 器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两 种基本结构形式。 1 ) 一个通路设置一个数模转换器的形式 如图3 6 ，在这种结构形式下，微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲 器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠， 即使某一路d a 转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点是使用了较 多的d a 转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在逐步得到 克服，这种方案容易实现。 p c 总彗接l 口 。一而_ r j v ，晶i 磊鬲i 磊0 堂 图3 - 6 独用转换器模拟信号输出通道 2 ) 多个通路共用一个数模转换器的形式 如图3 7 。因为共用一个数模转换器，故它必须在微型机控制下分时工作。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 即依次把d a 转换器转换成的模拟电压( 或电流) ，通过多路模拟开关传送给输 出采样保持器。这种结构形式的优点是节省了数模转换器，但因为分时工作， 只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出 采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。 阿一藤h v 赢砰 = p c 4 , _ e t _ l 接 二= ? 习一一路 。 一； 口_ 】茎一i 藤h 孑磊赢庐j 关j 保持器jj 川”o 训7 训w 伏】 图3 7 共用转换器模拟信号输出通道 2 。电压信号输出通道元器件选型 1 ) v i 转换器介绍 在实现0 5 v 、o