交流傳動機車的控制系統(tǒng).doc

學習資料收集于網絡，僅供參考第三節(jié) 交流傳動機車的控制系統(tǒng)對于鐵路牽引，要求傳動系統(tǒng)按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率）運行，同時又要不斷地進行加速或減速。為了保證機車牽引系統(tǒng)有較高的靜態(tài)控制精度和動態(tài)穩(wěn)定性，機車上通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)在任何一個傳動系統(tǒng)中，速度和轉矩值通常被認為是兩個重要的被調量。控制轉矩，有兩種方法：一種是由相關聯的其它物理量作為給定信號，并檢測這些量的實際值作為反饋信號（如電壓、定子電流和轉差頻率），來有效地控制電機的轉矩；另一種是利用檢測的或計算的轉矩作為反饋信號，與給定的轉矩作比較，產生轉矩調節(jié)器的輸入信號，來直接控制傳動系統(tǒng)的轉矩。前者已廣泛的應用在各種交流傳動機車和動車組上；后者也稱為直接力矩控制，它是迄今為止最佳的控制方法，已經在機車上采用。交直交變頻調速系統(tǒng)經過近十多年來的發(fā)展，出現了許多形式，例如，電壓、頻率協(xié)調控制的變頻調速系統(tǒng)，轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)，諧振型變頻調速系統(tǒng)，矢量控制的變頻調速系統(tǒng)和直接轉矩控制的變頻調速系統(tǒng)等。一、轉差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)目前，在鐵路牽引的交流傳動系統(tǒng)中，大都采用脈寬調制（PwM）逆變器，這種逆變器的特點在于：當控制系統(tǒng)給定電壓*和頻率*時，PWM信號生成單元控制逆變器的輸出總能保證電動機氣隙磁通*接近恒值，這就滿足了關于恒磁通控制的要求。根據*，轉矩T 只取決*的值，如果系統(tǒng)能合適的控制*以及*隨*的變化規(guī)律，就能使電動機按照要求的運行方式控制力矩。如圖*所示的系統(tǒng)控制結構，是已經在一些機車和動車組上采用的實例。從基本特征來看，它是一種由電壓型逆變器供電并具有電流反饋的轉差閉環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。從司機室送出的給定轉矩*信號，一路通過*函數發(fā)生器產生給定的轉差頻率*，它與反饋的轉速信號*相加得*（牽引）或想減得*（再生制動），確定了逆變器輸出電壓頻率?？紤]到恒轉矩對磁通*的要求，系統(tǒng)中設置了一個電壓函數發(fā)生器，其函數關系為，*是考慮零速度附近對定子繞組壓降的補償。給定轉矩信號*的另一路經過電流函數發(fā)生器轉換成電流給定信號*，與實際測得的電流比較后，經電流調節(jié)器得偏信號*，和*合成后得電壓控制信號*。取*，其中*反映電流反饋控制的影響。當實際電流給定電流，使*增加；反之，*減小。在*的組成中，*所占的比重大，可以保證電壓和頻率按線性關系調節(jié)。轉差頻率控制除應用于電壓源逆變器傳動系統(tǒng)外，還較多地用于電流源逆變器傳動系統(tǒng)。電流源轉差頻率控制的運行方式與電壓源相同，即：從零速度到額定速度為恒轉矩運行區(qū)；在額定速度以上，電機端電壓保持恒定，進入恒功運行區(qū)，當電動機以恒轉矩運行時，其先決條件是磁通恒定，或者說需要激磁電流Im恒定。但Im不是一個獨立變量，它與定子電流11與轉差頻率*之間存在一定函數關系。 圖*所示是采用轉差閉環(huán)控制的電流控制的電流源異步電機傳動系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由于電流反饋取自中間直流回路，又因為*與*成正比，所以*和*之間存在與*和*之間類似的函數關系。在系統(tǒng)結構圖中，轉速偏差信號經速度調節(jié)器和絕對值電路處理，產生電流給定信號。電流反饋信號，一路追蹤，并經電流調節(jié)器后去控制系統(tǒng)電流；另一路由人函數發(fā)生器得出轉差頻率絕對值，由*加轉速反饋信號，得頻率控制信號*。另外，當轉速偏差信號為正時，轉差頻率有正符號，系統(tǒng)處于牽引狀態(tài)；反之，轉差頻率為負符號，系統(tǒng)處于制動狀態(tài)二、矢量控制的交流傳動系統(tǒng)以交流電動機作為系統(tǒng)的傳動單元，關鍵是電磁力矩的產生與控制，前述的轉差頻率控制系統(tǒng)，就是根據電壓（或電流）和轉差來控制電磁力矩的。但轉差頻率控制的變頻系統(tǒng)，其控制方式是建立在異步電動機穩(wěn)態(tài)數學模型的基礎上的，其動態(tài)性能不夠理想。隨著現代控制理論及控制技術的發(fā)展，一種模仿直流電機控制的矢量控制系統(tǒng)取得了重大的進展，并已在許多變頻調速系統(tǒng)、鐵路干線機車（如西班牙的5252機車）和高速動車（如德國的IcE動車）上得到應用。在圖4一18所示的控制系統(tǒng)中，通過轉速傳感器將電動機的實際轉速信號田檢測出來與給定轉速信號礦進行比較，轉速偏差信號山經速度調節(jié)器sR產生力矩給定值T，而轉速信號山送到磁通函數發(fā)生器必F，該發(fā)生器在基速以下提供恒定的轉子磁化電流給定值（恒力矩運行區(qū)），在超過基速后實現磁場削弱（恒功率運行區(qū)）。由給定力矩T和給定轉子磁鏈擴通過磁鏈觀察器平M計算出給定電流弓，、瓜1和給定轉差角頻率礦，與實測得的轉速信號山相加得定子角頻率信號山：，經積分得到同步旋轉坐標系和靜坐標系（軸系）之間的角位移尹，利用向量分析器VA可得sin尹和cos尹。把*和*送入向量旋轉器VR后，可得*，再經“2/3”坐標變換，得*，與通過電流互感器檢測的三相定子電流*進行比較，偏差信號*作為PWM逆變器的三相控制信號。三、直接力矩控制系統(tǒng)直接力矩控制是在矢量控制和電流跟蹤控制的基礎上發(fā)展起來的，它解決了矢量控制系統(tǒng)中需要復雜的坐標變換和控制性能易受參數變化影響的問題。直接轉矩控制是目前最先進的高性能交流控制策略之一。該方法是直接在電機定子側計算磁鏈樹和力矩T，借助兩點式調節(jié)器（BarD一BanD控制）產生PWM信號，直接控制逆變器的開關狀態(tài)，把磁鏈和力矩控制在某一給定的容差內。該控制系統(tǒng)線路簡單，有最佳的開關頻率和最小的開關損耗，并能獲得良好的動態(tài)調速性能，所以電力機車常采用這種系統(tǒng)。1直接轉矩控制的原理異步電動機的直接轉矩控制理論是建立在異步電動機的動態(tài)方程上的。當忽略空轉阻力矩時，異步電動機的運動方程可表示為式，T為電磁轉矩，*為負載轉矩，J為電動機轉動慣量，*為轉子機械角速度（*，D為轉子直徑，n為轉子轉速）。根據上式，調節(jié)轉速可以通過調節(jié)電磁轉矩來實現。而*（*為定子磁鏈，它是磁通*與定子匝數*的乘積，即*；*為定子電流；K為常數），故在定子磁鏈不變的情況下，調節(jié)電磁轉矩可以通過調節(jié)定子電流來實現。根據電動機電壓方程式中，*為定子電壓，*定子電阻。在定子磁鏈不變的情況下，*，所以，調節(jié)定子電流可以通過調節(jié)定子電壓來實現。綜上所述，在保持定子磁鏈不變的情況下，通過調節(jié)定子電壓即可調節(jié)電磁轉矩，從而達到調速的目的。2直接轉矩控制交直交變頻調速系統(tǒng)的原理圖4一19所示為直接轉矩控制交直交變頻調速系統(tǒng)的原理框圖。該系統(tǒng)主要由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。主電路的工作原理是：電網單相交流電經主斷路器送入變壓器主繞組，經降壓從二次側輸出單相頻率不變的交流電，經整流器整流成直流電，再由逆變器轉變?yōu)轭l率可調的三相交流電，輸送給三相異步牽引電動機?？刂葡到y(tǒng)的工作原理是：三相異步牽引電動機經3/2變換，轉變?yōu)槎嘟涣麟姍C，由電流互感器檢測出兩相電流*，和*，由電壓互敢器檢測出兩相電壓*和*，一起送入定子磁鏈模型，輸出磁鏈*和*，再合成為定子磁鏈料，與給定定子磁鏈試進行比較，輸出差值信號*，經磁鏈滯環(huán)調節(jié)后送入開關狀態(tài)選擇*和*；經轉矩模型輸出轉矩T，給定轉速成與經過轉速傳感器TG檢測出來的轉子實際轉速山進行比較，輸出的轉速差值信號。經轉速調節(jié)器轉變?yōu)檗D矩給定信號T,T與T進行比較，輸出轉矩差值信號T，經轉矩滯環(huán)調節(jié)后送入開關狀態(tài)選擇，最后由開關狀態(tài)選擇去控制逆變器中功率開關的導通狀態(tài)，通過調節(jié)電壓矢量的大小達到調節(jié)牽引電動機轉速的目的。圖4一19直接轉矩控制交直交變頻調速系統(tǒng)的原理框圖直接轉矩控制的核心思想是通過不同時刻給出不同的電壓矢量，以控制定子按一定幅值的正六邊形磁鏈軌跡運行并控制其旋轉速度（請讀者參閱有關資料），在機車控制級的控制下，即可按直接轉矩控制的思想控制牽引電動機的輸出力矩，使機車獲得預期的牽引特性。 目前，直接轉矩控制已經成功地應用于奧地利的1822型和瑞士的460型電力機車。國產*型交流傳動內燃機車也采用了直接轉矩控制方式。四、交流傳動電力機車的控制系統(tǒng)Ac4o00交流傳動電力機車有兩套獨立的電子控制裝置，具有機車級控制、四象限變流器控制、異步牽引電機環(huán)控制、速度閉環(huán)和逆變器控制、系統(tǒng)保護等功能，圖4一20機車控制原理圖1機車級控制機車級控制包括電平轉換、解鎖邏輯、特性控制及防空轉控制?？紤]到機車控制系統(tǒng)系統(tǒng)化、系列化的要求，機車級控制采用了MICAS微機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖4一21所示。其軟件功能包括機車特性控制、防空轉控制、電機損耗估算和邏輯解鎖。特性控制單元接收到司機操作臺送出的手柄信號后，按機車特性的要求以及機車運行狀態(tài)進行調節(jié)，生成力矩給定值姨。司機操作臺送出的開關命令信號經電平轉換分別送入解鎖邏輯、特性控制、速度閉環(huán)控制以及脈寬調制等功能單元，命令各功能單元按指令工作。解鎖裸機負責機車有觸點控制與電子控制裝置的邏輯接口，依據機車狀態(tài)及指令控制主斷路器、充電接觸器、交流器等的投入和切除。2四象限變流器控制系統(tǒng)機車牽引時，四象限變流器把50Hz電網電壓變換成直流電壓供給牽引逆變器；制動時，把中間直流電壓逆變成50Hz交流電壓反饋給電網?？刂葡到y(tǒng)的任務是使中間直流回路電壓恒定為2800v，并使輸入電流與網壓同相（牽引時）或反相（再生制動時）?？刂圃砜驁D見圖4一220圖4一22四象限變流器的控制原理框圖為了減少電網電流的諧波分量，機車上的4臺四象限變流器相位依次相互錯開90”。再生制動時，上述作用方式沒有什么變化，只是因為能量必須反饋到電網，所以電壓調節(jié)器的輸出最終是負值。3牽引電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)20世紀80年代末，國外已先后開發(fā)出矢量控制和直接力矩控制兩種高動態(tài)控制系統(tǒng)，并成功地應用于交流電傳動機車異步牽引電動機的調速控制。但高動態(tài)控制系統(tǒng)需要有高響應速度的變流裝置及高速信號處理器。限于相關元器件的國產化水平并借鑒某些成熟的控制技術，我國生產的第一臺AC4000型交流電力機車采用轉差一電流控制的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖4一23所示。圖4一23牽引電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)一乘法器；一功率調節(jié)器；O一加法器；一轉差函數發(fā)生器；一電流函數發(fā)生器；一空載電壓生成環(huán)節(jié)；一電流調節(jié)器；一電流信號處理環(huán)節(jié)從該控制結構的基本特征來看，這是一種采用速度外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了補償系統(tǒng)運行時電機的損耗，系統(tǒng)設置了一個功率閉環(huán)。 從系統(tǒng)的控制功能和信號妙理過程來看，該系統(tǒng)實際上包含兩個部分：系統(tǒng)控制功能的實現；電機速度信號的檢測與處理。其工作原理簡要說明如下：(l）系統(tǒng)控制功能的實現。如圖4一23所示，由特性控制單元（來自司機控制臺）的給定力矩信號峽與電機速度反饋信號尤相乘，得出電動機的給定輸出功率，加上逆變器和電機損耗設定值護后，得到送入電機的功率給定值*，所得結果與中間回路實際反饋功率幾比較，送到功率調節(jié)器PI，調節(jié)器的輸出和力矩給定值姨相乘，對力矩給定值進行修正，得到電機力矩的給定值M。系統(tǒng)中的單元為轉差函數發(fā)生器，根據力矩信號和轉速信號生成轉差頻率信號fz,fz和轉速反饋信號石疊加后，得到逆變器輸出電壓的頻率信號*；單元為電流函數發(fā)生器，根據力矩信號和轉速信號生成電流給定值信號萬，將實際值*和*一起送入電流調節(jié)器單元，其輸出磯可作為電機電壓動態(tài)調節(jié)信號。根據控制方式的要求，系統(tǒng)設置了電壓頻率比函數發(fā)生器，由頻率信號廠可得到電壓調節(jié)量信號Ul。，然后*和Ul。通過加權相加得到電機電壓控制信號ul。最后將廠和可送入逆變器的控制單元，實現了轉差一電流閉環(huán)控制的運行功能。(2）速度信號的檢測與處理。在轉差閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機速度信號是一個關鍵的量，要求采用高精度和高分辨率的檢測裝置。目前普遍采用的是速度脈沖傳感器。在AC4000型交流機車上，每臺異步牽引電動機的非傳動軸端安裝一臺速度脈沖傳感器，每臺傳感器由2個相位差90”的探頭來接收電壓脈沖信號，探頭的相位比較是用來判斷電機的旋轉方向的。圖4一24所示是對應于機車一個轉向架的速度信號檢測與處理裝置的原理框圖。信號經脈沖整形環(huán)節(jié)得到兩臺電機轉子頻率（轉速）值人，和八：。正常運行時，兩路速度信號經取最大（制動工況）和最?。恳r）環(huán)節(jié)得到速度反饋信號人，取最大和最小運算處理是為了抑制軸向架發(fā)生單軸滑行和空轉。這里需要強調的是，當交流機車采用轉差頻率控