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-Ia∑Ra)/Ce

nIa(T)0转矩特性T=f(Ia)T=CTIa(或M=CMIa)0TIa机械特性n=f(T)∵T∝Ia∴机械特性具有与转速特性相似的形状nT0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)

Fz:齿轮齿上所受的力DK3.轮对FK1.小齿轮节圆2.大齿轮节圆

机车的速度特性VK=f(Ia)

机车的牵引力特性FK=f(Ia)∵VK∝n

∴VK=f(Ia)与

形状相同∵FK∝T

∴VK=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.Fv4352SS8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<基本阻力曲线斜率即：dF/dv<dW0/dv一般dW0/dv<0∴差复励电动机dF/dv>0不具有稳定性其他电动机dF/dv<0均具有机械稳定性

F/W0v01.基本阻力曲线W0=f(v)A3F3=f3(v)2F2=f2(v)v1△v机械稳定性分析图示电气稳定性

指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因，引起电机电流发生微量变化后，机车本身能恢复到原有的稳定运行状态。动态电压平衡方程式：

Ud=E+Id∑R+L•(dId/dt)E=Cen∴Ud=Cen+Id∑R+L•(dId/dt)电气稳定性分析图示UdId0AId1△Id12牵引电机电气稳定的必要条件：

dUd/dId<d（Cen+Id∑R）/dt

在电动机电压Ud保持不变的情况下：

d（Cen+Id∑R）/dt>0即电动机Cen+Id∑R=f（Id

）的曲线斜率为正值就具有电气稳定性直流电机电气稳定性UdId0AUdId0AB牵引电机之间的负载分配

牵引电机特性有差异动轮直径相同动轮直径不同牵引电机特性相同牵引电机特性有差异

（动轮直径相同）TId0nnT2211Id1Id2nT2T1牵引电机特性有差异

（动轮直径相同）TId0n21T21Id1Id2nT2T1

牵引电机动轮直径不同

（特性相同）TId0nnTId1Id2n1T2T1n2

牵引电机动轮直径不同

（特性相同）TId0nTId2Id1n1T1T2n2电压波动对牵引电机的影响TId0nnT21Id2Id1nT2T1并励:TId0n21TId1Id2nT2T1

转速不变工作曲线由n1变为n2功率利用T(F)0n(v)n1T2T1n2acT(F)0n(v)n1T2T1n2bd列车牵引理论基础轮轨相互作用原理——电传动机车MivRiFi’FiOO’fifi’GiGi——动轮正压力Mi——驱动转矩Ri——动轮半径fi——静摩擦力fi’

——静摩擦力反作用力当车轮与钢轨间无滑动：

fi＝Fi

动轮绕O’点作纯滚动运动机车处于粘着状态粘着重量的利用

（防空转性能）F0vF121

nF2a并励电动机

防空转性能1:最大粘着曲线2:滑动摩擦力曲线3:并励电机机械特性T(F)0n(v)v3v0AB11'22'3粘着条件破坏

1-1’2-2’

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

1-1’2-2’

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

T(F)0n(v)v4v0AB11'22'45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nId0If5If4If3If2If1If1>If2>If3>If4>If5积复励牵引电机MMM

日本微机控制机车串励绕组与各自的电枢串联各电机他励绕组串联后进行

集中控制6K直流电传动机车的调速方法

调节电机电压调节主磁通n=Ud

–IdRCe

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MMMMUNUd=UN/4MMMMUNUd=UN/2MMMMUNUd=UN优点：缺点：

牵引电动机与电阻串联优点：缺点：MUN逐渐切除与电枢串联的电阻进行调速MUN调节斩波器导通比进行调速CH

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SS2SS1

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柴油机GMMM

改变同步牵引发电机定子绕组接法双星形：T1T2T3

T1T12T13低速：高速：MM

T1T2T3

T11T12T13AS1AS2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MUd+-R212R1IdILK1、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1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-定子铁心；5-定子绕组；6-散热筋；7-转轴；8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12-机座123645789101112U2U1W2V1W1V2n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，Lm

Ll1，则C1

1

异步电动机机械特性令电磁功率Pm=3Ir'2Rr'/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TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN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Temaxsm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f1N异步电机变压变频调速的控制特性

恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O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smnn0sTe010TeTemaxTemax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ω1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。On恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性恒Eg/

1控制机械特性与恒压频比特性相似恒Eg/

1控制当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变，其稳态性能优于恒Us/ω1控制的性能。OnTemax恒Eg/

1控制时变频调速的机械特性恒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Фrm=恒定进行控制，就可以获得恒Er/ω1控制。三种控制方式比较0s10Te不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/

1控制恒Eg/

1控制恒Us/

1控制ab

c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。恒功率调速O<<<

基频以上恒压变频调速的机械特性交流电机（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控制电路tff*ufu斜坡函数U/f曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生PWM变压变频器的基本控制作用

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。ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0

按恒Φm值控制的Te=f(

s

)特性

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。

不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性OUs/

1=Const.Eg/

1=Const.定子电流增大的趋势转差频率控制策略

总结起来，转差频率控制的规律是：（1）在

s≤

sm

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PWMM3~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。3/2VR等效直流电机模型ABC

iAiBiCitimi

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异步电动机矢量控制系统原理结构图

控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t1

1i*

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1i*Ai*Bi*CiAiBiCi

1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号

矢量控制系统原理结构图控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t1

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1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号

直接矢量控制电流控制变频器÷异步电机矢量变换模型带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统VR-12/3LrATRASRA

R电流变换和磁链观测M3~TA+++cos

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