直流调速系统在电车中的应用本科毕业论文

2015届分类号单位代码10452本科毕业论文直流调速系统在电车中的运用姓名黄建强学号201105820444年级2011专业电气工程及其自动化系（院）汽车学院指导教师陈鹏程2015年月日摘要直流调速系统目前已被广泛地应用于自动控制要求比较高的各个生产行业,直流电机调速系统优点响应速度快,超调量小,而且系统稳定性好,并具有很强的抗干扰能力。国内外已经把直流调速系统比较广泛地应用于电力牵引机上，例如地铁、电力机车、城市无轨电车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动，无级调速以及再生制动，电能损耗可大为减少。城市所使用的电车，处在经常性的频繁起动、变速、制动和停车的运行工作状态下。为了提高工作效率，节省电能，可采用斩波器调速，实行再生制动，把部分能量回馈给电网，节约的电能将是非常多的。本文主要研究直流调速系统，直流斩波器的应用，直流调速系统在电车中实现的电路以及系统图，电力机车的发展，速、电流双闭环直流调速系统转，直流调速系统干扰以及防护关键字直流调速系统；斩波器；GTO；IGBT，转速调节器，电流调节器ABSTRACTDCSPEEDCONTROLSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDINAUTOMATICCONTROLREQUIREMENTSARERELATIVELYHIGHINEVERYINDUSTRY,ADCMOTORSPEEDREGULATINGSYSTEMIDEALRESPONSESPEED,SMALLOVERSHOOT,GOODSTABILITYOFTHESYSTEM,ANDHASSTRONGANTIINTERFERENCEABILITYATHOMEANDABROADHAVEPUTTHEDCSPEEDCONTROLSYSTEMISWIDELYUSEDINELECTRICTRACTIONMACHINE,SUCHASSUBWAY,ELECTRICLOCOMOTIVE,CITYTROLLEYBUSES,ELEVATORANDSOONTHEUTILIZATIONOFTHEDCCHOPPERCANEASILYSTARTSMOOTHLY,STEPLESSSPEEDREGULATINGANDREGENERATIVEBRAKING,ENERGYLOSSCANBEGREATLYREDUCEDMOTORVEHICLEUSUALLYADOPTSASERIESEXCITATIONTYPEDCMOTORDRIVE,THISISBECAUSETHESERIESEXCITATIONTYPEDCMOTORWITHLARGESTARTINGTORQUE,STRONGOVERLOADCAPACITY,THEMECHANICALCHARACTERISTICSOFSOFT,NATURALCHARACTERISTICSOFNOLOADSPEEDFASTER,HEAVYSLOW,ANDISSUITABLEFORTHEMULTIMACHINEPARALLELOPERATIONCITYBUSTROLLEYBUSWORKINGSTATE,INOPERATIONOFTENFREQUENTSTARTING,SPEED,BRAKINGANDPARKINGUNDERTHEINORDERTOIMPROVEWORKEFFICIENCYANDSAVETHEELECTRICENERGY,CANADOPTTHECHOPPERSPEEDCONTROL,THEIMPLEMENTATIONOFTHEREGENERATIVEBRAKING,THEFEEDBACKPARTOFTHEENERGYTOTHEGRID,SAVEELECTRICWILLBEVERYCONSIDERABLEKEYWORDSDCSPEEDREGULATINGSYSTEMCHOPPERGTOIGBT目录1绪论3第二章直流调速系统及电力机车的发展421直流调速系统优点与特点422直流调速系统主要调速方法423直流斩波器及其原理图524直流调速系统调速方案625电力机车发展概况7第三章系统原理图831由晶闸管构成直流斩波调图速系统系统框图832回路构成及其工作原理933IGBT直流斩波调速系统及其等效电路1041直流、电流双闭环调速系统1142系统启动分析1243转速、电流两个调节器作用13第五章系统电路的实现1451斩波控制连线图1452限幅电路1553速度调节器和电流调节器的实现1554干扰的产生和抑制措施16结论16参考文献17谢辞171绪论电力机车和矿厂，土木建筑用电力机车因其容量小活动范围小在线路上无需电气设施，所以常常使用电力机车，但是过去用切换电枢回路电阻控制电机的启动制动和调速，在电阻上消耗的电能太大，为了节能，就实行无触点控制现在大多使用电力电子开关器件，如GTO，直流斩波器等直流调速系统在电力机车中应用直流斩波器控制机车的启动制动调速相对比较平稳。目前城市电车大多采用晶闸管SCR斩波器调速。SCR斩波器调速，可以做到平稳起动，损耗小、效率高。但SCR器因为强迫换流电路，会出现换流失败，也就是出现“失控”现象，会给生产和人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（一般在15O300HZ左右，滤波器体积很大，SCR的开关时间受到元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不会低，否则在轻载时电流将出现续，使电机附加损耗增大使GTO导通的门极正向驱动电流较小，这是它应用范围受限制的主要方面。伴随着大功率绝缘栅晶体管IGBT开关元件的开发和应用，使大功率变换器上一个新的台阶。IGBT开关工作频率可以超过音频大于1000HZ，耐压较高，电流较大，输入阻抗较高电压控制元件，导通压降较低，它集功率场效应管（POWERMOSFET和大功率晶体管GTR的特点于一身，而且关断速度高于GTR，是目前较好的的功率开关元件。本文试就直流斩波器调速做一初步探讨。第二章直流调速系统及电力机车的发展21直流调速系统优点与特点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成直流电动机调速系统，简称直流脉冲调速系统与VM相比此系统在很多方面有较大的优越性（1）主回路简单，需用的电子元件少（2）开关频率高，电流容易持续，谐波少，电机损耗及发热少（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达110000左右（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。（5）电力电子开关器件工作开关状态，导致损耗少，当开关频率适应时，开关损耗也不大，因而装置效率高。（6）直流电源才用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。由于以上优点直流调速系统应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态性能系统中，已逐渐取代VM系统。22直流调速系统主要调速方法直流电动机的调速方法有三种（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法很好。变化遇到的时间常数小，能够快速响应，需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。23直流斩波器及其原理图直流斩波器的作用是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电也称为直接直流直流变换器（DC/DCCONVERTER），又称直流调压器。其工作过程是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中VT1LI0EVDU0EM图11直流斩波电路原理电路直流斩波器电动机系统的原理图示于图11，其中VT表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电压E加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电动机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形，如图12所示，好象是电源电压E在时间内被接上，又在时间内被斩断，故称ONTOFT控制电路M为“斩波”。由图可看出续流二极管承受的电压是脉冲电压，而负载的电压由于电感0UME的作用使得平滑，电感足够大时负载电压可理想为一条直线，电流也连续。I0DFFOI0I0I0E图12直流斩波器输出波形式中ETTEONOFNM开通的时间（S）关断的时间（S）ONTOFT功率开关器件的开关周期（S）导通占空比T为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路。24直流调速系统调速方案直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从调速控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速T系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其他参量之间的稳态关系可表示为式中N转速，单位为R/MIN；U电枢电压，单位为V；I电枢电流，单位为A；R电枢回路总电阻，单位为；励磁磁通，单位为WBKE由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，调节电动机的转速可以用以下三种方法来实现（1）调节电枢供电电压U。（2）改变电枢回路电阻R。（3）减弱励磁磁通。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。所以对于10倍的调速范围，直流调速系统应采用调节电动机电枢电压的方法来实现调速。25电力机车发展概况1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人就试着制以电池供电的二轴小型铁路车辆。1842年苏格兰人R戴维森造出一台用40组电池供电的重达5吨的标准轨距电力机车。由于电动机比较原始，机车能勉强工作。1879年德国人WVON西门子驾驶着一辆他设计的小型电力机车，带着乘坐18人的三辆车，在柏林夏季展览会上进行表演。机车电源由外部150伏直流发电机供应,通过两轨道中间绝缘的第三轨向机车输送电能。这是电力机车首次成功的实验。电力机车用于营业是从地下铁道开始的。1890年英国伦敦首先用电力机车在56公里长的一段地下铁道上牵引车辆。干线电力机车在1895年应用于美国的巴尔的摩铁路隧道区段，采用675伏直流电，自重97吨,功率1070千瓦。19世纪末，德国对交流电力机车进行了试验,1903年德国三相交流电力机车创造了每小时2102公里的高速纪录。EKIRUN中国于1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车。干线铁路电力机车采用单相交流25000伏50赫电流制。1958年制成第一台以引燃管整流的“韶山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功,称“韶山1”型，持续功率为3780千瓦。来干线电力机车向大功率、高速、耐用方面发展，客运电力机车速度已从每小时160公里增加到200公里，并向250公里迈进。各国制造的电力机车电压制较复杂，不便于国际间铁路联运过轨。来国际上已定出几种电力机车用标准电压。直流电压为600伏、750伏、1500伏和3000伏。单相交流电压6250伏、工频50或60赫，电压15000伏、工频赫，电压25000伏、工频50或60赫等几种。第三章系统原理图直流调速系统的实现有很多方式，比如晶闸管直流斩波调速系统，IGBT，GTO等本章将以晶闸管直流斩波调速系统以及IGBT调速系统为例讲解直流调速系统原理。31由晶闸管构成直流斩波调图速系统系统框图由晶闸管构成的直流斩波调速系统主回路这里采用阴极脉冲回路，是因为阴极脉冲回路简单。这章主要介绍系统各控制单元的组成及其工作过程。为了简明的说明系统的结构,我们可用系统的简明原理框图表示直流斩波调速系统和晶闸管相控整流装置供电的直流调速系统之间的区别主要在主电路和PWM控制电路，至于闭环调速系统及其静、动态分析和设计基本上是一致的。由晶闸管构成的直流斩波调速系统简明原理框图如图31所示图31由晶闸管构成的直流斩波调速系统简明原理框图32回路构成及其工作原理阴极脉冲回路的特点是，能提高斩波器的工作频率,回路简单，但是这种回路有在它开始工作时为给换流电容器充电需要先触发、承受的DI/DT较大以及的电流容CC2VT1VT量加大等缺点。如图32所示，回路用了两只晶闸管，因此可以自由改变导通时间。UT1IT1I0VT1UT2ICIT2VT2UDDFU0L1VD1图32阴极脉冲回路33IGBT直流斩波调速系统及其等效电路为了适应功率变换器对提高电力电子器件性能的要求，即提高器件的开关速度和电压耐量，增大载流能力和降低导通损耗。从而研制生产出一种性能优良的单向导电机制的新型器件一绝缘栅晶体管IGBT。IGBT是根据MO和GTR机理有机结合的新器件，利用MOS门控，使其具有高输入阻抗和电压控制特性，又有GTR低输出阻抗和高电流密度等优点，开关频率又远高于GTR，因而发展迅速，日益广泛应用于各个领域。为了发挥IGBT的应用效能，需要对其工作原理和特性有一个基本了解，以便设计出妥善的驱动，缓和保护电路。IGBT的等效电路如图33A所示。CCNPNPNPNPRBGGPNMOSNE（AEB第4章转速、电流双闭环直流调速系统负载区横向电阻图33IGBT的等效电路及符号41直流、电流双闭环调速系统直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。其系统原理框图如图41所示。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程电网电压扰动负载扰动输出转速图41双闭环直流调速系统原理框图IDLNTIDOIDMIDLNTIDOIDMIDCR图42带电流截止负反馈的单闭环调速系统图43理想的快速起动过程为了提高生产率在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转距马上与负载相平衡，从而转入稳转速调节器电流调节器晶闸管装置转速给定直流电动机转速反馈电流反馈态运行，如图42所示。而实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图43所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确的实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用电流负反馈就可以保持该量基DMI本不变，就能够得到近似的恒流过程。这就要求系统在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。而转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程正符合这样的条件，正因为其起动过程具有上述优点，因此是目前应用最广泛的直流调速系统。42系统启动分析前面已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的起动态过程如图44所示。由于在起动NU过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段（0）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，1TNU、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当CU0DDUDLI后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器LIASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢NNIMU电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这DIDMIIMIDI一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（）是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段，见图44。在这个阶21T段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节IMU系统，基本上保持的恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机DI的反电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，是一个线性渐增的扰动量。为了克服EE这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器0DUCDI时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就IIMIU是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中DIDMIACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的第III阶段（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器2T0NASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在IMU加速，使转速超调。但转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，IUDIDIDLIDLI转矩，则，转速才达到峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻LET0TNN3T力下减速，与此对应，在时间内，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，43TDLI也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随DIIU动子系统。图44双闭环直流调素系统起动过程的转速和电流波形43转速、电流两个调节器作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下1转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速N很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；（2）对负载变化起抗扰作用；（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；（2）对电源电压的波动起及时抗扰的作用；（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程；（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这对系统的可靠运行来说是十分重要的第五章系统电路的实现51斩波控制连线图根据阴极脉冲式斩波回路的原理设计，如图51所示。为了保证晶闸管的触发能够可靠稳定的工作，脉冲信号先触发晶闸管VT1，由于VT1是选用小容量的晶闸管，能在脉冲信号较小容易实现触发。由于VT1的导通使得电容充电，之后放电瞬间电压较高使得VTH1导通，脉冲放大电路保证了VTH1的触发。其中与VTH1、VTH2并联的电阻和电容是为了保护晶闸管在关断过程中引起的内部过电压，而晶闸管与快速熔断器相连能起到过电流时的保护作图51斩波控制回路连接图52限幅电路为了保证系统具有理想启动过程，在调节器上加了限幅器。限幅电路如图52所示当输入电压为正,为负,较小时输出小于限幅值,因此大于零,小于零,相应的、IUCIMUN1VD截止随着输入电压增大,的负值增加,M点对地电压相应减小,当达到一定值时,2VDICUI的负值达到负的限幅,0不考虑二极管的压降,则二极管导通并形成反馈此负反馈CM1VD将限幅输出幅值进一步减小,此时对应的值即为负向限幅值,且M点对地电CCMCMU压,调节可整定,同理当时,导通,调节可整定。1RPCMCM2VDCN2RPCM53速度调节器和电流调节器的实现给定部分由电位器分压得到，给定电压为20V，电位器RP2调节给定转速，其上下各有俩个电位器是用来给定最高和最低转速的。调速系统采用双PI调节器，由运放和电阻电容组成。在IC1运放输入端加入反并联的二极管VD3、VD4是为了防止差模信号输入过大而烧坏放大器，IC2也是如此。给定信号由RP2电位器调节，并与测速发电机反馈过来的信号叠加后送到转速PI调节器输入端，之后在限幅值内的信号送至电流PI调节器输入端，它与电流反馈信号叠加后再进入调节器完成信号的处理并输出。如图52所示54干扰的产生和抑制措施随着半导体电子技术的迅速发展，特别是大功率半导体电子器件晶闸管整流器问世并被应用到电力拖动领域以后，在电力拖动系统结构上引起了重大变革，其调节控制系统中的所有环节绝大部分都是有电平较低的元件构成，如触发线路，调节放大器等。同时很多生产机械的电力装备也逐步采用了较先进的技术，如控制计算机，数字程序控制，逻辑控制系统等。这样，一方面增加了干扰源，另方面随着系统灵敏度的提高和讯号电平的降低，抗干扰能力图52限幅电路也相应降低。因此，现代的电力拖动控制系统在设计、制造、调试的过程中必须十分注意抗干扰问题，否则不能达到工程预期的目的，甚至造成人力、物力和财力和时间的浪费一般情况下调速系统的扰动源有1负载变化的扰动（使ID变化）；2电动机励磁的变化的扰动（造成CE变化）；3放大器输出电压漂移的扰动（使KP变化）；4温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；5检测误差的扰动（使变化）抗干扰就是在控制系统的设计、制造、安装、调试和维护的全过程中，注意正确地应用像滤波、补偿、死区偏置、旁路、屏蔽、隔离和接地等措施，达到抑制干扰源产生电气干扰的能力和提高控制系统抗干扰的能力，使系统能够在