电传动控制技术_2_DC机车调速

牵引电机变速传动技术,北京交通大学电气工程学院黄彧,电传动控制技术,直流牵引电机及其调速方式,电机的工作特性与机车牵引特性机车牵引特性的限制电气稳定性牵引电机牵引电机之间的负载分配电压波动对牵引电机的影响功率利用粘着重量的利用直流电传动机车的调速方法,电机的工作特性与机车牵引特性,工作特性:n、T、=f（Ia）U=UNIf=IfN机械特性:n=f（T）,直流牵引电机特性,直流牵引电机及其调速方式,直流电机工作原理,电机励磁方式,转速特性n=f(Ia),n=(U-IaRa)/Ce,转矩特性T=f(Ia),T=CTIa(或M=CMIa),机械特性n=f(T),TIa机械特性具有与转速特性相似的形状,机车的牵引特性,机车轮周牵引力FK和轮周线速度VK之间的关系FK=f（VK）机车的速度特性VK=f(a)机车的牵引力特性FK=f(a),机车的速度特性VK=f(Ia),机车的牵引力特性FK=f(Ia),VKnVK=f(Ia)与形状相同,FKTVK=f(Ia)与形状相同,机车的牵引特性FK=f(VK)由直接决定,DJ1牵引-速度曲线（F-v-Diagram）,机车牵引特性曲线,机车牵引特性的限制,2.3.4.5.,SS8型电力机车牵引特性,CRH2牵引特性曲线,各种励磁方式电机特性分析,一、串励和并励直流牵引电机性能比较,（一）机械稳定性和电气稳定性,机械稳定性,指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因，引起速度发生变化后，机车本身能恢复到原有的稳定运行状态。,机械稳定性的条件：牵引特性曲线斜率0不具有稳定性其他电动机dF/dv最大粘着限制逐渐发生空转vA滑动摩擦力=牵引力，停止空转,假设电机原来工作在B点v0,串励电动机防空转性能,1:最大粘着曲线2:滑动摩擦力曲线4/5:串励电机机械特性,粘着条件破坏1-12-2牵引力最大粘着限制逐渐发生空转vA滑动摩擦力=牵引力，停止空转,假设电机原来工作在B点v0,他励牵引电动机,优点：合适的调节特性优良的防空转特性充分发挥机车牵引力能实现无级磁场削弱便于牵引制动工况转换,If1If2If3If4If5,积复励牵引电机,直流电传动机车的调速方法,调节电机电压调节主磁通,调节端电压,改变牵引电机的连接方式牵引电动机与电阻串联改变牵引变压器的输出电压改变牵引发电机的转速和励磁电流改变同步牵引发电机定子绕组接法,改变牵引电机的连接方式,优点：缺点：,牵引电动机与电阻串联,优点：缺点：,改变牵引变压器的输出电压,改变变压器的匝数改变变压器输出电压Ud,根据变压器调压抽头的位置,高压侧调压,低压侧调压,SS2,SS1,改变牵引发电机的转速和励磁电流,柴油机转速同轴的发电机转速由于牵引发电机的励磁机是由柴油机驱动的励磁机的转速变化电机电压变化,改变同步牵引发电机定子绕组接法,双星形：T1T2T3T1T12T13,低速：,高速：,调节主极磁通,磁场分路法：主极绕组两端并联一级或数级分路电阻，从而减小励磁电流和磁通,K1、K2断开Id=IL满磁场K1闭和R1分流K2闭和R2分流K1、K2闭和R1、R2分流,磁场削弱系数,磁场削弱系数：在牵引电动机电枢电流相同的条件下，磁场削弱的磁势(IW)与全磁场时的励磁磁势(IW)d之比,假设主极绕组匝数为W电阻为RL分路电阻为R，计算此时的磁场削弱系数？,交流电机调速方法,三相异步电动机基本工作原理,电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。,异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学原理，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损，异步电机的稳态等效电路图,异步电动机机械特性,由图可以导出式中在一般情况下，LmLl1，则C11,异步电动机机械特性,令电磁功率Pm=3Ir2Rr/s同步机械角转速m1=1/np式中np极对数，则异步电机的电磁转矩为,当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,异步电动机不同电压下的机械特性,异步电动机机械特性,异步电机变频调速特性分析,在基频以下：磁通恒定转矩恒定，属于恒转矩调速在基频以上：转速升高转矩下降，属于恒功率调速,异步电机变频调速特性分析,异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,异步电动机恒压恒频机械特性,当s接近于1时，转矩与s成反比，对称于原点的双曲线,当s很小时，转矩近似于s成正比，直线,异步电动机恒压恒频机械特性,sm,恒压恒频时异步电机的机械特性,恒压频比控制（Us/1）,在恒压频比的条件下改变频率1时，机械特性基本上时平行下移的；频率很低时，最大转矩太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当的提高电压Us，可以增强带载能力。,恒Eg/1控制,机械特性与恒压频比特性相似,恒Eg/1控制,当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。,恒Er/1控制,机械特性完全是一条直线，稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性；按照转子全磁通幅值rm=恒定进行控制，就可以获得恒Er/1控制。,三种控制方式比较,基频以上恒压变频机械特性,定子电压保持不变；当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。,交流电机（异步）的矩速特性,关键问题,机车牵引中异步电机的运行特性,恒力矩起动采用恒压频比控制：低频时适当提高电压，抵消定子绕组内阻的影响。采用恒磁通控制电机各参数与频率的关系：,恒功率运行,恒功率1：,恒功率2：,第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机,恒功率1：,第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机,恒功率2：,交流传动异步电机控制技术,U/f恒定控制转差频率控制磁场定向控制转子旋转坐标系直接转矩控制定子绕组坐标系,数字控制通用变频器-异步电动机调速系统,控制电路,U/f恒定控制,U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比，称为U/f控制。存在问题：低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化；无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。,转差频率控制基本原理,在s较小的稳态运行段上，转矩Te基本上与s成正比，当Te达到其最大值Temax时，s达到smax值。,转差频率基本控制规律一,转差频率控制系统中，只要给s限幅，使其限幅值为,就可以基本保持Te与s的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。,转差频率基本控制规律二,规律一是在保持m恒定的前提下才成立的，如何实现？按恒Eg/1控制时可保持m恒定。要实现恒Eg/1控制，须在Us/1=恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降。,转差频率控制策略,总结起来，转差频率控制的规律是：（1）在ssm的范围内，转矩Te基本上与s成正比，条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按Us=f(1,Is)函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。,转差频率控制系统组成,FBS,电压型逆变器,PWM,M3,ASR,转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,转差频率控制特点,转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号，是转差频率控制系统突出的特点或优点。在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于的限幅转矩进行控制，保证了在允许条件下的快速性。与直流双闭环系统存在差距的原因：所谓的“保持磁通恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。在频率控制环节中，取，使频率得以与转速同步升降如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。,矢量控制基本思路,磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。,矢量控制系统原理结构图,控制器,VR-1,2/3,电流控制变频器,3/2,VR,等效直流电机模型,+,i*m1,i*t1,1,i*1,i*1,i*A,i*B,i*C,iA,iB,iC,i1,i1,im1,it1,反馈信号,异步电动机,给定信号,矢量控制系统原理结构图,直接矢量控制,带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统,电流滞环型PWM变频器,间接矢量控制,直接转矩控制,1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。,直接力矩控制基本原理,DTC系统存在的问题,由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。由于磁链计算采用了带积分