电传动控制原理第四章相控电力机车a

1、 6G型电力机车型电力机车l起动时电力机车速度为起动时电力机车速度为0，牵引电动机转速为，牵引电动机转速为0l牵引电动机的反电势牵引电动机的反电势 E = Ce n = 0l若进行满压起动，将产生很大的起动电流若进行满压起动，将产生很大的起动电流 10倍额定电流倍额定电流 在换向器上产生火花在换向器上产生火花 环火环火 过大的电磁转矩过大的电磁转矩 破坏机车的粘着条件，空转破坏机车的粘着条件，空转 过大的机械冲击力过大的机械冲击力 机械零件损伤，振动冲击机械零件损伤，振动冲击l限制起动电流，进行限制起动电流，进行变阻起动变阻起动或或降压起动降压起动降压起动过程：降压起动过程： v = 0 n

2、= 0 E = 0 U = Id R Id = U/R电压升至第六级电压升至第六级：从从a点起动点起动 F W n E Id l有级调速机车有级调速机车SS1有有33个调压级和个调压级和3级磁场削弱级磁场削弱l对应于牵引变压对应于牵引变压器的每级电压都器的每级电压都有一条速度特性有一条速度特性曲线曲线vId6abcdT1T2T3T4D1D2D3D4M1M2M3RM4RM3RM1M4M5M6RM2l桥式整流：变压器的容量发挥充分，结构简化桥式整流：变压器的容量发挥充分，结构简化l两段半控桥相控无级调压：起动、调速平滑两段半控桥相控无级调压：起动、调速平滑l半集中式供电：电机之间负载分配较均匀半集

3、中式供电：电机之间负载分配较均匀l取消了调压开关：主电路简单、开关电器动作减少取消了调压开关：主电路简单、开关电器动作减少一、特点一、特点 低压调压低压调压调节RM1，封锁RM2 D3、D4续流Ud：0 0.5Ud0 = 450VRM1满开放，调节RM2 Ud：0.5Ud0 Ud0 = 900V0-900V0-900V调压，用一段桥式电路是否可以实现，调压，用一段桥式电路是否可以实现，且主电路简单？为何用两段桥式电路？且主电路简单？为何用两段桥式电路？二、调压原理二、调压原理 高压调压高压调压l实现端电压平滑调节，减少电流冲击，较好利用粘着力实现端电压平滑调节，减少电流冲击，较好利用粘着力l获

4、得机车工作范围内的任意牵引力和速度获得机车工作范围内的任意牵引力和速度l更好地利用机车的惯性更好地利用机车的惯性l取消笨重的有触点式调压开关取消笨重的有触点式调压开关晶闸管整流实现无级调速的优点：晶闸管整流实现无级调速的缺点：功率因数低和谐波分量较高功率因数低和谐波分量较高机车功率因数概念： 一般正弦交流电路：一般正弦交流电路：U U、I I 均为正弦均为正弦 功率因数：电压与电流之间相位角的余弦功率因数：电压与电流之间相位角的余弦 coscos 电力机车：电力机车：I I 发生畸变为矩形波发生畸变为矩形波 机车整流电路的功率因数机车整流电路的功率因数 =机车牵引变压器高压侧有功功率机车牵引变

5、压器高压侧有功功率机车牵引变压器高压侧视在功率机车牵引变压器高压侧视在功率 = P / S = Pd / S机车功率因数概念： = P / S = U1I1f cos 1U1I1I1f=I1=cos 1 cos 1 ：电流畸变系数 cos 1 ：基波电压与基波电流之间的相位移系数 牵引变压器高压牵引变压器高压测电压有效值测电压有效值电流基波有效值电流基波有效值牵引变压器高压牵引变压器高压测电流总有效值测电流总有效值不可控整流电路：SS1MuiIdiu tIdid t不可控整流电路：SS1牵引变压器高压侧电流与电压同相位 cos 1 = 1 S = U1I1 = KU2 (Id/K)Ud = 2

6、2/ U2S = 22Ud Id = 22Pd = Pd / S = 22 PdPd=22 = 0.9 = P / S = U1I1f U1I1=I1fI1= 0.9半控整流电路：idIdtcos 1 = cos /2 电流有畸变电流有畸变 三个台阶三个台阶utiMuiId全控整流电路：idIdtcos 1 = cos 电流有畸变电流有畸变 两个台阶两个台阶MuiIdutil利用特殊控制方法利用特殊控制方法不对称触发不对称触发扇形控制扇形控制PWM控制控制l多段桥顺序控制多段桥顺序控制iutiut全控桥：全控桥：存在电压存在电压和电流反向阶段和电流反向阶段 电网吸收能量电网吸收能量半控桥半控桥

7、：不存在电：不存在电压和电流反向阶段压和电流反向阶段u t iT1 tiT2 tiT3 tiT4 tMuiIdT1T2T4T3T1、T2：晶闸管工作在时，T1触发导通在+，T2触发导通T3、T4：二极管工作在网压过零时导通iMuiIdT1T2D3D4u t i t t = 晶闸管导通晶闸管导通 t = 晶闸管截止晶闸管截止若若 = = 电流基波分电流基波分量与电源电压同相位量与电源电压同相位 cos = 1eSeCeC：载波载波eS：正弦调制波正弦调制波调节输出电压：调节输出电压：改变脉冲宽度改变脉冲宽度改变脉冲次数改变脉冲次数可以消除低次谐波可以消除低次谐波udiT1T3T2T4T5T6D5

8、D6D1D2a1x1a2x2o6G：两段半控桥顺序控制两段半控桥顺序控制SS4：三段半控桥顺序控制三段半控桥顺序控制三段绕组三段绕组：a1o ox1 U2/4 a2x2 U2/2Ud第一段：第一段： 控制半控桥控制半控桥D1D2T1T2 T3T4T5T6都封锁都封锁 Ud = 0 Ud0第二段：第二段： T T1 1T T2 2满开放满开放 控制控制T3T 4 Ud = Ud0第三段：第三段： T T5 5T T6 6满开放满开放 控制控制T1T 2 Ud = Ud0第四段：第四段： T T1 1T T2 2 T T5 5T T6 6满开放满开放 控制控制T3T 4 Ud = 1 Ud0负载转

9、移负载转移：T1T2 T3T4封锁封锁 T5T6满开放满开放1：全控桥：全控桥2：半控桥：半控桥3：两段半控：两段半控4：四段半控：四段半控123401UdUd0 0.9结论：段数越多结论：段数越多功率因数越高功率因数越高6G：恒流单闭环自动控制系统恒流单闭环自动控制系统PI被控对象被控对象 电机电流电机电流IREF6G：转向架控制转向架控制 牵引制动控制牵引制动控制+24Ve0给定积分器给定积分器比例调节器比例调节器电流限制环节电流限制环节IRefPIMAXM RM1 RM2移相及脉冲形成移相及脉冲形成相位差相位差1800UC1移相及脉冲形成移相及脉冲形成相位差相位差1800UC2eCeCl

10、 给出指令信号给出指令信号 e0l 基准电流组件基准电流组件 IRef给定积分器给定积分器 限制电流的上升率和下降率限制电流的上升率和下降率比例调节器比例调节器 避免机车发生空转避免机车发生空转电流限制环节电流限制环节 限制电机的最大电流限制电机的最大电流l 电流调节器电流调节器PI PI eC l 连续调节器连续调节器 UC1 UC2l 晶闸管触发系统晶闸管触发系统 RM1 RM2 晶闸管触发系统：晶闸管触发系统：一、交直叠加移相电路一、交直叠加移相电路Uc 移相移相 脉冲形成脉冲形成 功放功放阻容移相阻容移相单结晶体管移相单结晶体管移相功率不大的整流装置功率不大的整流装置触发系统不经脉冲变

11、压器触发系统不经脉冲变压器直流与交流叠加移相直流与交流叠加移相锯齿波与直流叠加移相锯齿波与直流叠加移相大功率电力机车大功率电力机车触发系统经脉冲变压器触发系统经脉冲变压器6G：交直流电压串联叠加移相：交直流电压串联叠加移相u网网u1LRCR2urur+-uc+24VT1R、L、C串联谐振：串联谐振：u L和和u C相互抵消相互抵消 u R = uuLRCuLuRuCuLuCu R = u电流可以用改变电阻电流可以用改变电阻R值的方法来调节值的方法来调节电流改电流改变了，电容的端电压也变化变了，电容的端电压也变化 6G：u网网 = umsin tu网网同步变压器同步变压器 tu网网uc(ur)u

12、网网u1 tu1(反相反相)串联谐振电路串联谐振电路uc(滞后滞后u190)ur(实际超前网压实际超前网压90)R、L、C兼有滤波作用兼有滤波作用RLC串联谐振电路串联谐振电路 特点：特点：l改变电阻改变电阻R可以调节电容的端电压可以调节电容的端电压l电容的端电压电容的端电压UC比电源电压滞后比电源电压滞后90l从电容端取输出电压从电容端取输出电压RLC电路起到滤波作用电路起到滤波作用采用同步电压和可调直流电压相叠加采用同步电压和可调直流电压相叠加改变输出电压改变输出电压“0”态相位态相位改变脉冲相位改变脉冲相位ur：同步余弦电压：同步余弦电压uc：直流控制电压：直流控制电压ub = ur +

13、 uc = Urmcos t + Uc6G：ur = 7.5cos tuc = +7.5 -7.5Vu网urttub7.5Vtubtub-7.5V18090 当当 u c= 7.5V u b= 7.5cos t + 7.5 = 0 cos t = 1 t = 180 当当 u c= 0 u b= 7.5cos t + 0 = 0 cos t = 0 t = 90 当当 u c= - 7.5V u b= 7.5cos t 7.5 = 0 cos t = 1 t = 0结论：结论：当当u c从从7.5V变到变到7.5V时，时，u b= 0的相位从的相位从180变到变到0交直叠加移相电路的特点：交直

14、叠加移相电路的特点：优点：优点：主电路输出电压主电路输出电压Ud与控制电压与控制电压Uc具有线性关系具有线性关系ur和和uc相交时：相交时：Urmcos = -Uc cos = - Uc / Urm半控：半控：Ud = Ud0 ( 1 + cos ) / 2 Ud与与Uc具有简单的线性关系具有简单的线性关系全控：全控：Ud = Ud0 cos Ud = Ud0UrmUc- Ud = Ud02UrmUc+Ud02-缺点：缺点：电源电压波动和波形畸变会影响控制角的变化电源电压波动和波形畸变会影响控制角的变化D3T2R20T4R22R26R24T6R28C9R30R32+24V12 脉冲形成电路脉冲

15、形成电路脉冲形成：脉冲形成：输入端为低电平：输入端为低电平：T4截止截止 T6导通导通 无输出脉冲无输出脉冲输入正脉冲：输入正脉冲：T4导通导通 T6截止截止 C充电：充电：+24V R28 C9 R30 输出一个正尖脉冲输出一个正尖脉冲 12：换相角限制：换相角限制 在换相期间不会有触发脉冲产生在换相期间不会有触发脉冲产生 脉冲整形电路脉冲整形电路 单稳触发电路单稳触发电路D9R34T8R38T10R40C15R44R46+24VR36D11R481.5ms脉冲整形：脉冲整形：当无输入信号时：当无输入信号时：T10导通导通 T8截止截止 无输出脉冲无输出脉冲 C充电完毕充电完毕 左左+右右

16、当输入尖脉冲信号时：当输入尖脉冲信号时：T8导通导通 D11截止截止 T10截止截止 输出高电平输出高电平 C放电再反向充电：放电再反向充电：+24V R46 T8 右右+左左 D11导通导通 T10导通导通 T8截止截止 输出低输出低电平电平结论：结论：输出矩形脉冲的宽度和幅值与输入脉冲的形状和幅输出矩形脉冲的宽度和幅值与输入脉冲的形状和幅 值无关值无关 6G触发脉宽触发脉宽1.5msTT1T2D1D2防止换流期间，晶闸管不导防止换流期间，晶闸管不导通，造成整流电压中断通，造成整流电压中断换流期间：换流期间： D1、D2、T1同时导通同时导通 T2的阳极电压为零的阳极电压为零6G：换相角限制

17、环节：换相角限制环节 正限制电压发生器正限制电压发生器换相角限制电路换相角限制电路R2T1R3R4R5T2R6C1R8R7+24VT3D1312R10R11R1C2R12D276AB换相限制工作原理：换相限制工作原理：当当A点的电压从正变为负，点的电压从正变为负，B从负变为正时：从负变为正时：T1截止截止 T2延时导通延时导通 T3延时截止延时截止 12输出正信号输出正信号当当A点的电压从负变为正，点的电压从负变为正，B从正变为负时：从正变为负时：换相期间，换相期间，T1仍截止仍截止 T2导通导通 T3截止截止 12仍维持输出正信号仍维持输出正信号当当A点的电压从负变为正，点的电压从负变为正，

18、B从正变为负时：从正变为负时：换相结束，换相结束，T1导通导通 T2延时截止延时截止 T3延时导通延时导通 12输出负信号输出负信号l具有脉冲信号具有脉冲信号l足够的电流电压足够的电流电压l触发脉冲宽度触发脉冲宽度l触发脉冲与主电路电源电压同步触发脉冲与主电路电源电压同步l触发脉冲的移相范围应满足要求触发脉冲的移相范围应满足要求晶闸管触发脉冲的基本要求晶闸管触发脉冲的基本要求：l窄脉冲窄脉冲 l宽脉冲宽脉冲 l连续脉冲连续脉冲 l双脉冲双脉冲 l脉冲列脉冲列 l组合脉冲组合脉冲晶闸管触发脉冲的形式：晶闸管触发脉冲的形式：8K6G6G：脉冲放大电路：脉冲放大电路T12T14+24V24Vu110

19、V1.5ms16V2.9V通道输入通道输入输出桥臂输出桥臂脉冲放大工作原理：脉冲放大工作原理：T12的基极有触发脉冲：的基极有触发脉冲：T12导通导通 T14导通导通 当当T14导通时：导通时： 电容电容C放电放电 形成形成16V尖峰电压尖峰电压 电容电压低于电容电压低于24V 稳压电源输出稳压电源输出2.9V电压电压l电流限制环节电流限制环节 Ud : 0 900V Id : 1650A 1400A l给定积分器给定积分器 限制电流上升率与下降率限制电流上升率与下降率 上升时间上升时间6S 下降时间下降时间1Sl比例调节器比例调节器 避免大电流指令区机车发生空转避免大电流指令区机车发生空转

20、e0 : 0 50% IREF 0 75% 1.5 e0 : 50% 1 IREF 75% 1 0.5 基准电流变化率调节环节基准电流变化率调节环节e0+A01+15V-15V+A02+A04R11 10K R13 10K R7 3K3 R9 1M R6 47K R1010K R2 4K7 R34K7 C147 D4D3R15 47KR1410K R16 1MR17 3K3C2 47D11D12P1P2I0-7.5V4K7工作原理分析工作原理分析：A01：比例调节器：比例调节器 A04：倒相器：倒相器 A02：积分器：积分器 当当e0加入正信号：加入正信号： A01负饱和输出负饱和输出-15V

21、 D3导通导通 D3 P2 R16 C I0线性上升线性上升 与与e0相抵消相抵消A01脱离饱和脱离饱和 上升速度取决于时间常数上升速度取决于时间常数R16、C2e0I06S1S 当当e0加入负信号：加入负信号： A01正饱和输出正饱和输出+15V D4导通导通 D4 R15 C I0线性下降到线性下降到0 下降速度取决于时间常数下降速度取决于时间常数R15、C2 非线性环节非线性环节-15VeC+A05R35 22KR31 44K2 R30 47K5 R32100K C3220 D8D10P3 2K2R34 4K7R37 10K-15V+15V+A03R20 66K7 10K R23 100

22、KCD6R38IREFR25 49K9 R24 49K9 DI0R21 4K7R27 1KP4 470R26 680D9D7T1非线性环节工作原理分析非线性环节工作原理分析：I0 ：0 5V IREF = 1.5 I0 0 -7.5VI0 ：5 10V IREF = 0.5 I0 -7.5 -10V将电位器将电位器P4的的C点电压调整在点电压调整在7.5V当当| IREF | 7.5V D点电位为负点电位为负 D6导通导通放大系数放大系数K1取决于取决于R23、R24和和R20 K1= R23/R24 / R20 = 0.5 基准电流信号的限制环节基准电流信号的限制环节 T1 A05ec ：电机电压信号：电机电压信号当当A03的输出的负电压的绝对值比的输出的负电压的绝对值比A05输出的正电压大时：输出的正电压大时：T1导通导通 限制限制A03的输入电流的输入电流使