第五章交流传动机车控制系统-ppt课件

1、第五章第五章交流传动机车控制系统交流传动机车控制系统第一节第一节交流传动机车主电路交流传动机车主电路主要内容主要内容交流传动机车开展综述交流传动机车主电路的组成交流传动机车的技术分类交流传动机车牵引特性典型交流传动机车主电路任务原理交流传动机车新技术及其开展方向一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术的开展一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术

2、的开展平安性、适用性、可靠性、灵敏性、温馨性越高越好；费用越低越好。一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术的开展平安性、适用性、可靠性、灵敏性、温馨性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、分量、技术程度、工艺程度的限制等一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术的开展平安性、适用性、可靠性、灵敏性、温馨性越高越好；费用越低越好。

3、地域规范、供电制式、空间、体积、分量、技术程度、工艺程度的限制等单位体积分量的功率大、可靠性好、易维护等一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术的开展平安性、适用性、可靠性、灵敏性、温馨性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、分量、技术程度、工艺程度的限制等单位体积分量的功率大、可靠性好、易维护等电力电子技术、微电子技术、新资料、新工艺等一、交流传动机车开展综述一、交流传动机车开展综述运输的需求运输的需求各种限制各种限制交流传动机车开展交流传动机车开展

4、交流电机的特点交流电机的特点科学技术的开展科学技术的开展平安性、适用性、可靠性、灵敏性、温馨性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、分量、技术程度、工艺程度的限制等单位体积分量的功率大、可靠性好、易维护等电力电子技术、微电子技术、新资料、新工艺等满足运输的需求充分利用新技术利用新资料采用新工艺二、交流传动机车的主要组成二、交流传动机车的主要组成动力制动模块空气系统模块 辅助变频器 主变频器及电机驱动模块通讯模块 电子设备 牵引变频器牵引变频器 逆变器逆变器 ( (电流源型、电压源型、电流源型、电压源型、PMW)PMW)电机电机同步电机、异步电机同步电机、异步电机设备与功率器件

5、设备与功率器件交流传动系统主电路交流传动系统主电路变速箱0,98异步电机0,95逆变器0,99整流器0,98牵引变压器0,941000kW1020kW1074kW1085kW1107kW25000V交直与交流传动机车主电路比较交直与交流传动机车主电路比较变速箱异步电机逆变器整流器牵引变压器1085kW25000V变速箱直流电机整流器牵引变压器25000V滤波电抗器励磁绕组交直传动机车主电路交直传动机车主电路交流传动机车主电路交流传动机车主电路三、交流传动机车的技术分类中心层技术中心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技

6、术三、交流传动机车的技术分类中心层技术中心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、维护技术、电磁兼容与布线技术三、交流传动机车的技术分类中心层技术中心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、维护技术、电磁兼容与布线技术司机台支配技术、车体轻量化技术转向架技术、空气制动技术高压测检测技术本讲课要处理的问题1 变频调速异步电机变频调速异步电机如何控制能满足机车如

7、何控制能满足机车牵引的要求？牵引的要求？2 2 牵引逆变器如何控牵引逆变器如何控制能满足牵引电机对制能满足牵引电机对机车牵引的要求？机车牵引的要求？机车牵引特性有哪些要求？机车牵引特性有哪些要求？ 四、机车牵引特性机车牵引特性要求：机车牵引特性要求：1、能产生足够大的牵引力2、能方便广泛调理速度3、有较高的过载才干4、充分发扬机车功率5、先进的经济技术目的交流电机异步的矩速特性交流电机异步的矩速特性 221cos)1 (60ICMspfnmM关键问题：?1 1、异步电机变频调速特性分析、异步电机变频调速特性分析1 变频调速时异步电机参数变化为： constrrfXfXfXm,2111211、2

8、用 表示的力矩公式MslffU、112212211122211221122211)(/2rfxrfxxxxrffrrxffUpmMslmslmsl0sldfdM22212221122112121)()(xrxxxxrrffmm222122211222112111211)()(22xrxxxxxrrffUpmMmmm222211122211221221211)(1/2xrrxxxxrrrxffUpmMmmq恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线3 3 用用 表示的力矩公式表示的力矩公式slffE、1122222211)2(2LfrrffEpmMslsl222Lrfm2211412LfEpm

9、Mm)/()/(2slmmslmffffMM结论：当 constfconstMffMslmaxmax)(constMconstfsl,constfE113 3、机车牵引中异步电机的运转特性、机车牵引中异步电机的运转特性1 1 恒力矩起动恒力矩起动 采用恒压频比控制采用恒压频比控制 低频时适当提高电压低频时适当提高电压，抵消定子绕组内阻的影，抵消定子绕组内阻的影响。响。 采用恒磁通控制采用恒磁通控制电机各参数与频率的关系：电机各参数与频率的关系：constIconstMconstfconstMfEUfUsl1max11111)()(低频2211cos2IEfmpM222222)/(/cosxsr

10、sr2112IEfmpM222212)/(xsrEIfrfErsEIsl21212slffUrmpM211221211ffKUMfsl(2) (2) 恒功率运转恒功率运转 constsconstU1恒功率1：slffUKP121constfconstfUsl121恒功率2：第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机 constsconstU1恒功率1：第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机constsconstfU11恒功率2： MSHACONDCourantMASHACONDCourantPMPCTGV-ATGV-R/2NAVEPBKATGV-CoreEuroStarLoc BB26000EM

11、U Z2NEMU UT450EMU MI2NLoc BB36000EMU SoulPMPCLes convertisseurs dentreLes convertisseurs moteurs4 QHACMASONDTensionONDCourantSynchroneONDCourantAsynchroneONDTensionAsynchroneMSOndCourantPMouPCMASPMPMONDTensionAsynchroneAsynchroneSynchroneSynchroneAsynchronePM: pont mixtePC: pont completHAC: hacheur4

12、 Q: pont 4 quadrantsArlandaTaiwan Push-PullPMCF五、典型交流传动机车主电路任务五、典型交流传动机车主电路任务法国法国 TGV TGV 、西班牙、西班牙AVEAVE机车主电路机车主电路同步电机同步电机励磁励磁韩国韩国 TGV TGV机车主电路同步电机机车主电路同步电机励磁励磁电流型逆变器电流型逆变器 ( (异步电机异步电机) )GTO GTO 电压型逆变器电压型逆变器( (欧洲之星欧洲之星 TGV ) TGV )每一个动车一台逆变器，同时为4台异步电机供电典型的地铁牵引变频器典型的地铁牵引变频器MACMACMACMACMRE_2563_FR BH(O

13、-M)DJ(M)CA2(I)TFPH(O-C)DJ(C)ONDCA2(I)-ONDCA1(I)-ONDM1PT2(15kV DB)PT1(25kV &15kV CFF)TFI-QL(M)SF-FI-50C(IS)FI-50CAP-FI-50H3-FIRHC(IS)PMCF1C(IS)E(C)R(PC)E(C)C(PC)E(C)CVS-AUX sur essieux 1 et 3C(IS)PMCF2Essieu 4Essieu 3Essieu 23 x 1 mFx 3C(PC)FI-50H(O-15)Palpage avecclateurPF(C)R(PC)FI-50PF(M)E-TFP

14、CA(I)DIFFCA(U)ECCA(U)PMCF3 x 1,33 mFCAP-ONDCC-FI-50CA2(I)PMCFSF1-HACHSF2-HACHH-INV-CONTH-INV-15H-15H-CONTCA(I)RHR(DC)CAP-ONDCAP-2FR(DC)CAP-2FOND-RHPMCFC(PC)PMCFR(PC)PMCFOption Filtre 50HzOptions non reprsentes :- ChauffagePT4(1,5kV &3kV SNCB)Nota sur les pantographes pour le fonctionnement sous

15、3kV :- Sur le dmonstrateur, en configuration 3 pantographes, onutilisera uniquement le pantographe 3 (PT3) avec un archet adaptaux essais ralissH2-FIH1-FISF1-FISF2-FICA1(I)TFPTFI-50R(DC)CAP-FI-507,2 mH7,2 mH2,835 mH2,835 mH10 mH1 mFPT3(3kV FS)CA1(I)PMCF50 ?50 ?50 ?3,7 ?适用于适用于4 4种电压供电的机车牵引变频器种电压供电的机车

16、牵引变频器 (25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV)(25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV)DJ(C)DJ(M)EcrteurC(ALI)FIR(ALI)FISF1-FISF2-FIH-FI-XXSF-FI-XXCAP-FI-XXX 3=380 VM1AUXPMCFONDC(PC)PMCFR(PC)PMCFCAP-PMCFCAP-ONDRH1CA(I)PMCFCA(U)PMCFCA(U)ONDFTR - 17/08/2019Rev E - Page 2PalpageH(O-M)CA(U)1/2-ONDH(O-C)CA1(I)TFPCA2(I)TFPCA(U)1/3-ONDCA(

17、I)1-ONDCA(I)2-ONDQ1L(M)H-2F C(IS)E(C)SF2-2F-FISF1-2F-FIH4-PMCFC(PC)E(C)R(PC)E(C)CAP-2FC(PC)PMCF牵引变频器牵引变频器 3种电压供电的机车种电压供电的机车 (25Kv/15kV, =1,5kV)六、交流传动机车新技术六、交流传动机车新技术l大功率电力电子器件大功率电力电子器件l交流电机驱动控制规那么与控制实际交流电机驱动控制规那么与控制实际l列车网络技术列车网络技术l列车控制系统软件列车控制系统软件le e化列车化列车 eTrain eTrain leTrain eTrain 监控系统监控系统l音频系统

18、音频系统l车地通讯新技术车地通讯新技术l典型的司机室无线通讯技术典型的司机室无线通讯技术第二节异步电动机变频调速控制系统变频调速控制系统原理图常规交直交变频器象限脉冲整流器电力机车整流部分为四图交直交变频器原理PWM 引 言 直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进展控制，交流异步电机的磁通那么由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的准确表述不得要领。n好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需求很高的动

19、态性能，只需在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。n 为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。转速开环型控制系统n电压/频率比控制是控制定子电压和定子频率，使定子电压以一定的函数关系跟踪定子频率的变化，从而在调频调速过程中近似地坚持电机气隙磁通不变的一种控制方法。n中间直流电压可调的电压型逆变器异步电机变频调速系统控制电路由基准部分、整流器控制部分和逆变器控制部分组成。1、基准部分2、整流器控制部分3、逆变器控制部分l电压/频率比控制，无法控制异步电机的转差频率，对于多台电动机由同一

20、台逆变器供电的情况，各台异步电机的转差频率普通是不同的，即使同一台异步电机，转差频率的大小也是随负载的大小而变化的。是一种频率转速的开环控制，并不能对电机的转速进展准确的控制。转速开环型控制系统l假设变频调速系统长期处于稳定运转形状而不需求频繁起动和制动；或者负载特性比较固定，根本上不需求因电机特性差别而进展调整的一类负载风机、水泵等节能调速，可以采用电压闭环、转速开环的控制系统。转速开环型控制系统l电压/频率比控制时的各种稳态运转特性通常是以转差频率为恒坐标给出的。,(,)(,)(,)ssslrsslsslsslIf ffIf ffPf ffQf ff（）),(),(),(),(cossls

21、rMslssMslsslsfffffffffTfff电压/频率比控制稳态特性电压/频率比控制稳态特性电压/频率比控制稳态特性6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统l概述概述l 现代通用变频器大都是采用二极管整流和现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块或功率模块IPM 组组成的成的PWM逆变器，构成交逆变器，构成交-直直-交电压源型变压交电压源型变压变频器，曾经占领了全世界变频器，曾经占领了全世界0.5500KVA 中、中、小容量变频调速安装的绝大部分

22、市场。小容量变频调速安装的绝大部分市场。 所谓“通用，包含着两方面的含义：1可以和通用的笼型异步电机配套运用；2具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 下页图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。 1. 系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 2. 电路分析l主电路主电路由二极管整流器由二极管整流器UR、PWM逆变器逆变器UI和中间直流电路三部分组成，普通都是电压源和中间直流电路三部分组成，普通都是电压源型的，采用大电容型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率

23、交滤波，同时兼有无功功率交换的作用。换的作用。主电路续u限流电阻：为了防止大电容限流电阻：为了防止大电容C在通电瞬间产生在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻或电抗，通上电源流回路上串入限流电阻或电抗，通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路将短路，以免长期接入时影响变频器的正常任务，并，以免长期接入时影响变频器的正常任务，并产生附加损耗。产生附加损耗。主电路续u泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以

24、除特殊情况外的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器普通都用电阻吸收制动能量。减速制动，通用变频器普通都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电形状，首先经过逆变器的续流时，异步电机进入发电形状，首先经过逆变器的续流二极管向电容二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压通称泵充电，当中间直流回路的电压通称泵升电压升高到一定的限制值时，经过泵升限制电路升电压升高到一定的限制值时，经过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能耗费在制动电阻使开关器件导通，将电机释放的动能耗费在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独

25、装在变频器机箱外边。变频器机箱外边。 二极管整流电流波形具有较大的谐波分量，使电源遭到污染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。电路分析续l控制电路控制电路现代现代PWM变频器的控制电路大都变频器的控制电路大都是以微处置器为中心的数字电路，其功能主要是是以微处置器为中心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求构接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求构成驱动逆变器任务的成驱动逆变器任务的PWM信号，再根据它们的信号，再根据它们的要求构成驱动逆变

26、器任务的要求构成驱动逆变器任务的PWM信号。微机芯信号。微机芯片主要采用片主要采用8位或位或16位的单片机，或用位的单片机，或用32位的位的DSP，如今已有运用，如今已有运用RISC的产品出现。的产品出现。控制电路续uPWM信号产生信号产生可以由微机本身的软件产生，由可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用公用的端口输出，也可采用公用的PWM生成电路芯片。生成电路芯片。u检测与维护电路检测与维护电路各种缺点的维护由电压、电流、温各种缺点的维护由电压、电流、温度等检测信号经信号处置电路进展分压、光电隔离、滤波度等检测信号经信号处置电路进展分压、光电隔离、滤波、放大等综合处置，再进入、

27、放大等综合处置，再进入A/D转换器，输入给转换器，输入给CPU作作为控制算法的根据，或者作为开关电平产生维护信号和显为控制算法的根据，或者作为开关电平产生维护信号和显示信号。示信号。控制电路续u信号设定信号设定需求设定的控制信息主要有：需求设定的控制信息主要有：U/f 特性、特性、任务频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一任务频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，

28、都得靠改动的性质和大小不同时，都得靠改动 U / f 函数发生器的函数发生器的特性来补偿，使系统到达恒定，甚至恒定的功能见第特性来补偿，使系统到达恒定，甚至恒定的功能见第6.2.2节，在通用产品中称作节，在通用产品中称作“电压补偿或电压补偿或“转矩补偿转矩补偿。补偿方法 实现补偿的方法有两种：一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函数，由用户根据需求选择最正确特性；另一种方法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的能够，这是开环控制系统的缺乏之处。控制电路续u给定积分给定积分由于系统本身没有自动限制起制动电流的由

29、于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频定设定信号必需经过给定积分算法产生平作用，因此，频定设定信号必需经过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需求由操作人员分别选择。需求由操作人员分别选择。u 综上所述，综上所述，PWM变压变频器的根本控制造用如下页变压变频器的根本控制造用如下页图所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功图所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。控制电路续tff *ufu斜坡函数U

30、 / f 曲线脉冲发生器驱动电路任务频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生图6-39 PWM变压变频器的根本控制造用 转速闭环、转差频率控制系统l为抑制U/f恒定的转速开环变频调速系统的缺陷，提高伐速系统的稳态精度和动态性能，可采用转速闭环的变频调速系统，由电力传动系统的运动方程ll可知，转速的控制可经过对电动机电磁转矩Tl 控制来实现，基于此思绪，提出了转差频率控制方式。LpJ dwTTndt转差频率控制的根本原理2XsR /2mX1R1X1u 21EE1I2IEquivalent circuit of induction motormIl由三相电机一相等值电路图可知，转子电流为l定子

31、感应电动势为l式中，122222()EIRXs111114.44NmemEf N kK w11114.44,22NeN kKwf) 1 ()2(转差频率控制的根本原理转差频率控制的根本原理l又由于l转差角频率l将23带入转子电流I2的表达式，可得l电磁功率 2122lsllsXsw Lw L1slwsw122222()emsllK wsIRw L22221222222233()emesllk wRPIsRsRw L)3()4()5(转差频率控制的根本原理l电磁转矩l式中l式6阐明在电动机的参数 为常数，且当磁通 为常数时，电磁转矩仅和转差角频率有关，对应的曲线如下：22212221122222

32、22223()pemsllslmmsllnk wPTsRw Rw Lw RkRw L23mpekn k22LlR、m)6(转差频率控制的根本原理l对式6求导，并令l可求出l 与 无关， 与 成正比l假设wsl较小， 那么可忽略 ，式(6)简化为 ll 如图中虚线所示0sldTdw22max222mmslmllkRwTLL22sllw LR2slw L22mmslkwTRslmw2mmaxT2m转差频率控制的根本原理l可见，当m 一定时，那么电磁转矩T和转差角频率wsl成正比，这与直流电动机的转矩特性TfIa非常类似，即对于异步电动机在wslwslm范围内，假设坚持m 一定，就可以像直流他励电动

33、机用Ia控制T那样控制wsl来控制电磁转矩，这是转差频率控制的根本原理。转差频率控制的根本原理l转差控制系统中控制气隙磁通恒定的方法有直接控制和间接控制两种。l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，以此为反响量进展闭环控制，而间接控制气隙磁通的方法那么是经过控制定子电流或定子电压以控制励磁电流，励磁电流恒定那么气隙磁通恒定。转差频率控制的根本原理l对于电压型逆变系统，无论输出电压是方波还是脉宽调制波，电流的谐波含量都比电压谐波含量大；而且在不同频率以及脉宽调制的不同载波比时，电流谐波分量又在很大范围内变化。因此，检测电压作为反响量进展控制更能提高控制的精度。lm恒定的实现方式

34、l经过U/fconst，低频时适当补偿定子电阻压降的影响即可以实现恒磁通的控制。转差频率控制的根本原理系统组成1U1IF BS电压型逆变器PWMM3 ASRsl11aUbUcU图 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统构造原理图 控制原理 实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统构造原理图如下图。频率控制转速调理器ASR的输出信号是转差频率给定 s* ，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1* ，即 *1*s6-66 l电压控制电压控制由由 1和定子电流反响信号和定子电流反响信号 I1 从从微机存储的微机存储的 U1 = f ( 1 , I1) 函数中查得定子函数中查得定子电压给定信号电压给定信号 U1* ，用，用 U1* 和和 1* 控制控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。变压变频电源。l三角波的幅值虽然固定，但三角波的频率却需求随着基准正弦波频率即逆变器输出频率或电机定子频率的变化而变化：定子频率降低，载波比应相应增大，否那么在低频区将导致电机谐波电流增大，引起转矩脉动添加。l普通做法是低频时异步伐制，然后转为分段同步伐制，最后直至额定定子频率时放弃脉宽调制改为方波输出为止。转速闭环、转差频率控制系统转速闭环、转差频率控制系统l在逆变器输出电压可调的范围内，