电力牵引系统实验指导书20131203修改

1、电力牵引控制系统实验指导书卢国涛 丁娜 电力电子与电力传动系2008年11月实验一 直流电力牵引系统实验一、 实验目的1. 了解熟悉直流电力牵引系统的构成及各部分作用；2. 重点掌握三段桥的工作原理；3. 了解直流牵引系统牵引和制动原理；4. 了解交直流传动系统对电网的谐波和无功污染。二、 实验内容1. 直流电力牵引系统牵引和制动原理实验；2. 测试三段桥各段桥的电压；3. 测试直流电力牵引系统工作时电网的谐波和无功功率。三、 实验线路及原理 整个实验系统组成框图如图1-1图1-1三相380V交流电进入配电柜后，由柜中变压器将其变为交直传动柜和交直交柜所需的单相交流电，控制台发出相应控制指令到

2、交直传动柜，由其将交流电整流成直流电，再去驱动电动机组，系统所需的交流辅助电源由交直交柜提供，直流辅助电源由配电柜提供。以上几部分连接原理图如图1-2：图1-2QS101-输入空气开关 TM101-交直传动变压器 QA101,QA102-牵引绕组空气开关 QA103-电机励磁绕组空气开关 TC301-同步变压器 U301,U302-直流变流器模块M501-直流电机 R305-磁场削弱电阻 PWM-蓄电池充电模块 MF301-辅助风机 R306-制动电阻 KZ301,KZ302-散热器过热保护器 TV301-直流输出电压传感器TV302-励磁直流电压传感器 TA301-直流输出电流传感器 TA3

3、02-直流励磁电流传感器 R301,R302,R303-空载电阻 KM301-电机电枢接触器 KM302,KM303-位置转换开关 KM305-励磁输出接触器 KM306-电阻制动接触器 KM307-转向转换开关 PV301,PV302,PV303-显示仪表l 直流电力牵引系统各主要部件工作原理和作用：交直传动变压器TM101：将380伏三相工频交流电电源降压成三段单相电，其次边绕组分别为a1-b1-x1，a2-x2，a3-x3，其中a1-b1-x1电压为154V，a2-x2电压为77V，这两段电压为单相三段经济桥提供交流电，a3-x3电压为77V，这一段为电机励磁提供交流电。 直流变流器模块

4、U301，U302：其内部电路是由晶闸管和二极管组成的三段半控整流桥，它将两段单相交流电按照一定顺序整流成220V直流电。 控制机箱DCU1：它接收来至控制台的远控信号或本柜的本控信号，发出相应的指令，控制不同的接触吸合，使电机处于指定工况(牵引/制动)，发出晶闸管触发脉冲，使直流变流器模块输出一定电压，控制电机按照设定的转速旋转。 控制接触器：通过不同接触器的吸合，使电机处于指定的工况(牵引/制动)。 电动机组M501：直流电力牵引系统最综控制对象。电机型号Z4-112/4-2,额定电压：DC220V，额定电流：77.2A，额定功率：15KW，额定转速：3000r/min，最高转速：4000

5、r/min。 磁场削磁电阻：当三段整流桥输出最高电压后，若还要提高电机转速，只有通过削弱电机励磁实现。通过并联一个100欧的电阻在电机励磁绕组两端，分流电机励磁电流，达到消磁目的。相对有级磁场削磁模块还有无级磁场削磁模块。 柜前显示仪表及指示灯：显示当前系统工作的交流、直流电压，电流，以及工作及故障指示。 直流辅助系统：包括PWM(A220V/DC24V)控制电源和DC24V蓄电池两部分，PWM控制电源为系统的控制系统供电，并为蓄电池充电。 辅助风机系统M301，M302：为直流变流器模块通风，它的电源来至系统的逆变器。l 直流电力牵引系统牵引工况工作原理本实验系统有两种控制方式：一是通过设置

6、在控制台上的控制开关来实施控制。此时的控制是在网络通讯的传输下进行的，可以分为单独的交直传动控制、单独的交直交传动控制和交直传动同交直交传动联合控制。由控制选择开关进行控制方式选择。二是通过设置在交直传动柜和交直交传动柜面板上的开关实施单独的交直传动控制和交直交传动控制。此时网络不投入工作。由设在交直传动柜和交直交传动柜面板上控制方式选择开关进行控制方式选择。直流电力牵引控制环节由控制钥匙开关、方向转换开关、工况选择开关、启动按钮，牵引力电位器、输入电压1、输入电压2、输出电压、励磁电压、控制电压、以及工作指示、向后指示、向前指示、制动指示、牵引指示、故障指示等状态显示灯组成。选择交直传动柜本

7、地/远程开关为远程。在控制台上合上钥匙开关，辅助启动开关，选择电机工况为牵引，方向向前，控制台控制单元CCU通过MODBUS把这些信号传输给交直控制单元DCU1，DCU1发出相关控制命令。交直传动控制单元DCU1反馈给CCU相关信息，通过状态显示灯来显示。电压表通过端子排与交直传动主电路连接，显示相关电压，以上控制按钮到位后，工作指示、向前指示、牵引指示点亮。以上信号由控制台发出后，通过网络传给交直控制单元DCU1，DCU1得到向前命令后，接触器KM303相应动作到位，反馈信号正确；网络传送牵引命令后，接触器KM301闭合动作到位，反馈信号正确；DCU1得到启动命令，接触器KJ306闭合，通风

8、机投入工作，当DCU1接到牵引命令后，接触器KM307闭合，投入牵引工作。右旋转牵引力电位器，可以实施牵引力施加，进入调压环节。进入整流调压环节后，首先，开放U302整流单元中的V9、V10，开始第一段（0-1/2）调压。电机电枢电压升高，电机加速。再开放U301整流单元中的V3、V4，开始第二段（1/2-3/4）调压。电机电枢电压升高，电机加速。然后，开放U301整流单元中的V5、V6，开始第三段（3/4-4/4）调压。电机电枢电压升高，电机加速。此时，整流电压到最高，再旋转牵引力电位器，接触器KM304闭合进入磁场削弱状态。在整个过程中，电动机处于串励工作状态。电压传感器TV301用于电压

9、控制反馈。电流传感器TA301用于电流控制、检测和实施过流保护。速度传感器TS301用于速度检测和闭环控制。在工作期间，接触器KM302，状态应保持不变。l 直流电力牵引系统制动工况工作原理在控制台上合上钥匙开关，辅助启动开关，选择电机工况为制动，方向向前，网络传送向前命令，接触器KM303相应动作到位，反馈信号正确；网络传送制动命令后，接触器KM301、KM305闭合动作到位，反馈信号正确；网络传送启动允许命令后，当DCU1接到制动命令后，接触器KM302闭合，方可投入制动工作，旋转制动力电位器，方可以实施制动力施加，进入制动环节进入制动环节后，开放U303整流单元中的V13、V14，开始调

10、压。电动机工作在他励状态，电机电枢回路串联电阻，实施电阻制动。通过调节制动力电位器可以实施制动力的调节。当电动机速度为零或制动力电位器回零，方可实施牵引/制动，向前/向后转换。四、 实验设备及仪器交直/交直交牵引传动综合实验台TDS2012双综示波器FLUKE43B电能质量测量仪万用表五、 实验方法1. 牵引实验l 空载实验首先将直流控制柜门上的本地/远程开关设为远程，即控制台上操作。三段经济桥波形测试：由于串励电机在空载情况下，若将三段桥完全开放，此时电机的转速非常高，为安全起见，观察三段桥输出波形在电阻负载的情况下实验。其具体接线如下：将图1-2中去往电机绕组线号为XZ311，XZ312的

11、大线拆除，接入灯箱负载。示波器探头分别接在线号为2163，2173的端子上。1) 启动依次合上钥匙开关，辅助启动开关，转动方向转换开关，选择电机工况为牵引，方向转换开关选择电机转向为前或后,按下启动按钮。右旋牵引力电位器，分别记录三段桥的电压波形及数值。2) 停止左旋牵引力电位器回到零位，取消启动命令，分断钥匙开关，电机停车。实验完成后将灯箱负载线从XZ311，XZ312拆除，将电机电枢绕组重新接在线号为XZ311，XZ312的端子上。l 负载实验1) 启动依次合上钥匙开关，辅助启动开关，转动方向转换开关，选择电机工况为牵引，方向转换开关选择电机转向为前或后,按下启动按钮。右旋牵引力电位器。在

12、电机负载电流为*A，电压为*伏时，用FLUKE43B电能质量分析仪测量变压器原边线号分别为1001，1002的电压，电流以及功率因数，并记录。2) 停止左旋牵引力电位器回到零位，取消启动命令，分断钥匙开关，电机停车。3) 改变电机转向等电机完全停稳后旋转方向转换开关，将工况选择开关仍然选择在牵引位，右旋转牵引力电位器，启动电机，即可实现电动机的反正转转换。注意：必须等电机完全停稳后才能旋转方向转换开关2. 制动实验合上钥匙开关，旋转方向转换开关，选择方向为向前位，工况选择开关选为制动位。右旋牵引力电位器可以实施制动力的调节。注意：当电动机速度为零或制动力电位器回零，方可实施牵引/制动。六、 实

13、验报告1. 整理，描绘实验中记录的各种数据、波形，并标出幅值与宽度。七、 思考题1. 直流电力牵引系统主电路有哪些类型？各有什么特点？实验二 交流电力牵引系统实验一实验目的1.了解交流传动系统的结构，调速特性及其对电网的影响；2.了解脉冲整流器的原理和控制方法；3.了解交流牵引系统牵引和制动原理和不同的控制方法；4.了解交流传动控制系统的设计方法和实验方法；5.了解交流传动和直流传动的优点。二实验内容 1.脉冲整流器和逆变器牵引和制动原理验证；2.交流传动系统对电网的谐波和无功污染分析；三实验原理及线路1交直交牵引传动系统工作原理 交直交牵引传动系统原理图如图2-1所示。图2-1 交直交牵引传

14、动系统原理图从图中可见，交直交牵引传动系统主要由整流器、逆变器和中间直流环节三大部分组成。整流器为脉冲整流器（也称四象限整流器），作用是将输入的交流电转换为直流，同时通过控制脉冲整流器的输入侧电压，使输入脉冲整流器的电流与电网电压同相位，达到整个系统的功率因数为1的目的，从而使整个交直交牵引控制系统满足电网谐波和功率因数的要求。中间储能环节为电容储能，为逆变器提供支撑直流电压，此类型的交直交牵引传动系统也叫做电压型交直交牵引传动系统。逆变器为三相电压型逆变器，采用矢量控制方法，将直流电变换成电压和频率均可调的交流电，为感应电机供电，实现电机的各种工况的运转。详细工作原理见教材相关章节。2实验线

15、路 交直交牵引传动系统电气系统原理图如图2-2所示。包括：配电柜、控制台、交直交传动柜和电动机组。配电柜为整个实验系统提供主电路、辅助电路电源及控制电源。交直交传动柜和交流电动机共同完成交流传动的模拟控制，控制台完成对交直交传动柜的控制。在控制台内设有中央控制单元CCU，在交直交传动柜内设有交流传动控制单元DCU2，这两个单元构成整个交直交实验系统的控制网络。控制网络采用MODBUS现场总线。图2-2 交直交牵引传动系统电气系统原理图CCU-中央控制单元 DCU2-交流传动控制单元具体的实验线路主电路和交流辅助电路如图2-3所示。主电路采用电压型交直交变频电路，包括脉冲整流器U1，牵引逆变器U

16、2，中间储能环节支撑电容C1C4，三相感应电动机M以及连接电抗器UL1等。辅助电路包括交流辅助电路和直流辅助电路两部分。其中交流辅助电路主要为牵引传动系统中的辅助系统提供电源，包括一个辅助变流器UR，单相辅助风机MF1、MF2，三相辅助通风机M511等。直流辅助电路主要是24V直流电源、蓄电池等，用于CCU和DCU2的电源供图2-3 交直交牵引传动实验系统主电路和辅助电路图U1-脉冲整流器 U2-逆变器 UL1-连接电抗器 C1,C2,C3,C4-支撑电容 R-放电电阻 R401-充电电阻 KM401-四象限主接触器KM402-充电接触器 MF1,MF2-辅助风机 KM403-风机接触器 KZ

17、1,KZ2-散热器过热保护器 UR-辅助变流器 M511-辅助通风机PV1-交流输入电压指示表 PV2-中间电压指示表 PV3-交流输出电压指示表 TV1-交流输入电压传感器 TV2-四象限输出电压传感器 TV4,TV5-交流输出电压传感器TA1交流输入电流传感器 TA2,TA3-交流输出电流传感器 KJ1、KJ2、KJ3-接触器动作指令信号 QA401-辅助风机手动空气开关 给。具体实验线路见图2-4所示。系统中的各种开关、接触器和传感器的信号进入交直交传动柜，并通过MODBUS网络传给控制台完成各种控制。图2-4 直流辅助电路图CCU-中央控制单元 DCU2-交流传动控制单元 QA106-

18、蓄电池充电断路器 QA108-交直交传动柜控制电源断路器 QA109-控制台控制电源断路器四实验设备及仪器1交直/交直交牵引传动综合实验台2双踪示波器3万用表4FLUKE-F43B 电能质量分析仪五实验方法1牵引控制A、闭合启动开关，主控单元DCU2接到命令后，首先闭合四象限主接触器KM401，进入充电环节，此时充电接触器KM402断开。在延时一段的充电时间后，DCU2通过电压传感器TV1进行充电电压检测，充电电压达到设定值后，主控单元DCU2闭合充电接触器KM402切除充电电阻R401，完成充电过程。用万用表记录充电电压值。B、选择控制台上交流电机的“向前/向后选择开关”到向前位置，旋转“启

19、动”开关到右，启动四象限变流器，当中间直流电压为600V时，选择“牵引/制动选择开关”到牵引工况。此时电机开始低速转动。 C、右旋力矩电位器，通过DCU2分别调节四象限整流器与牵引逆变器的控制环节，改变电动机端电压与频率，改变电动机的转速和转矩，使电机转速到25003000RPM.D、用示波器记录电动机的线电压(2263,2273)和线电流波形及电机电压的输入频率。用电能质量分析仪测量交直交牵引传动系统的输入侧电压和电流波形。注意电压和电流的相位关系，并记录在报告上。用电能质量分析仪分析系统输入电流的谐波以及系统的功率因数并记录。（电能质量分析仪黑表笔接XZ401,红表笔接XZ402，电流钳接

20、XZ401）E、启动直流电机。方向选择开关与交流电机一致，“工况选择开关”为制动位置，右旋“启动”旋钮，调节力矩电位器，改变直流电机的励磁电压和电枢电压，使直流电机励磁为77A，电枢电流此时大约为50A。记录此时电机的线电压和线电流波形，以及电机端电压、频率及转速数值。同时记录系统输入侧的电压和电流波形，分析谐波和功率因数。F、停车。左旋直流电机的力矩电位器到头，分断直流电机的方向、工况和启动开关，左旋交流电机的力矩电位器到头，分断交流电机的方向，工况和启动开关，电机停止。2制动状态A、闭合启动开关，主控单元DCU2接到命令后，首先闭合接触器KM401，进入充电环节。在延时一段的充电时间后，D

21、CU2通过电压传感器TV401进行充电电压检测，充电结束后，主控单元DCU2闭合接触器KM402切除充电电阻，完成充电过程。B、旋转“向前/向后选择开关”到向前位置，“牵引/制动选择开关”到制动工况。 C、旋转力矩电位器，通过DCU2分别调节四象限整流器与牵引逆变器的控制环节，改变电动机端电压与频率，也就改变电动机的转速和转矩。记录电动机的线电压和线电流波形。测量交直交牵引传动系统的输入侧电压和电流波形。用电能质量分析仪分析系统输入电流的谐波以及系统的功率因数并记录。D、启动直流电机。选择方向与交流电机一致，工况开关到牵引，右旋“启动开关”，右旋力矩电位器，调节直流电机电枢电流到77A。记录输入电流的谐波以及系统的功率因数。六实验报告1整理，描绘实验中记录的各种数据、波形，并标出幅值与宽度。注意对于交直交系统输入侧的电压和电流波形需画出相位相对关系。2将交直交系统实验得到的波形及数据与交直系统实验的数据进行对比分析。3讨论分析其它实验现象。七思考题1交直交