電力牽引傳動(dòng)

1、電力牽引傳動(dòng)與控制第1章 電力牽引傳動(dòng)與控制系統(tǒng)概述1、 系統(tǒng)組成與功用1.內(nèi)燃機(jī)車(chē)電力傳動(dòng)與控制系統(tǒng)組成電力機(jī)車(chē)電力傳動(dòng)與控制系統(tǒng)組成2. 機(jī)車(chē)?yán)硐霠恳匦郧€ 圖1.2 牛馬特性理想特性要求：機(jī)車(chē)在運(yùn)行時(shí)能經(jīng)常利用其動(dòng)力裝置的額定功率.即：F·V=3.6·N=const.3. 電傳動(dòng)裝置的功用？ 圖1.3 柴油機(jī)功率特性和扭矩特性充分利用和發(fā)揮機(jī)車(chē)動(dòng)力裝置的功率；擴(kuò)大機(jī)車(chē)牽引力F與速度V的調(diào)節(jié)范圍；提高機(jī)車(chē)過(guò)載能力，解決列車(chē)起動(dòng)問(wèn)題；改善機(jī)車(chē)牽引控制性能。Why要電傳動(dòng)：柴油機(jī)通過(guò)機(jī)械直接傳動(dòng)不能適應(yīng)機(jī)車(chē)起動(dòng)、過(guò)載、恒功等要求二、系統(tǒng)分類1.直-直電力傳動(dòng)系統(tǒng) 內(nèi)燃或電

2、力機(jī)車(chē)采用直流牽引發(fā)電機(jī)或直流電網(wǎng)直接向數(shù)臺(tái)直流牽引電動(dòng)機(jī)供電的傳動(dòng)方式。特點(diǎn)： 調(diào)速性能優(yōu)良，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。 直流牽引電機(jī)造價(jià)較高，但可靠性、維護(hù)性相對(duì)較差。 受直流電機(jī)換向條件和機(jī)車(chē)限界、軸重等限制，主發(fā)電機(jī)單機(jī)功率受到限制。一般在2200KW以下。 車(chē)型：早期DF,DF2,DF3,ND1,ND2等2. 交-直電力傳動(dòng)系統(tǒng) 內(nèi)燃或電力機(jī)車(chē)采用交流牽引發(fā)電機(jī)或單相交流網(wǎng)及變壓器，通過(guò)整流器向數(shù)臺(tái)直流牽引電動(dòng)機(jī)供電的傳動(dòng)方式。特點(diǎn)：采用三相交流同步發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，重量輕，造價(jià)較低。適用于大功率機(jī)車(chē)。車(chē)型： DF4， DF5，DF7，DF11，ND4，ND5，SS3-SS9等。3. 交-

3、直-交電力傳動(dòng)系統(tǒng) 內(nèi)燃或電力機(jī)車(chē)采用交流牽引發(fā)電機(jī)或單相交流電網(wǎng)及變壓器，經(jīng)整流器將交流電變換成直流，再通過(guò)逆變器將直流電變換成頻率和幅值按列車(chē)運(yùn)行控制要求變化的交流電，向數(shù)臺(tái)交流牽引電動(dòng)機(jī)供電的傳動(dòng)方式。特點(diǎn)：采用交流牽引電機(jī)，徹底克服了直-直系統(tǒng)的不足，重量輕，造價(jià)低，可靠性及維修性好良好的粘著性能適用于大功率控制系統(tǒng)復(fù)雜車(chē)型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH系列等3、 發(fā)展歷史與現(xiàn)狀1.大功率（內(nèi)然）機(jī)車(chē)電力傳動(dòng)與液力傳動(dòng)兩種主要傳動(dòng)方式的演變與發(fā)展 主要趨勢(shì)：電力傳動(dòng)2. 電力傳動(dòng)形式的發(fā)展： 直-直交-直交-直-交 發(fā)展趨勢(shì)：大功率、電力牽引、

4、交流傳動(dòng)第2章 、電力牽引交-直傳動(dòng)與控制、1、 直流牽引電動(dòng)機(jī)1. 基本方程 感應(yīng)電勢(shì)和電磁力矩 電樞感應(yīng)電勢(shì)：Es=Cesn（v） （2-1）電樞電磁力矩：M=CmsIs（N·m） （2-2）式中：n 電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/m） s 每極下磁通量（wb)Is 電機(jī)電樞電流（A）Ce=pN/60a（電機(jī)電勢(shì)常數(shù)）Cm=pN/2a（電機(jī)扭矩常數(shù)）p 極對(duì)數(shù)；a 電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；N 電樞繞組有效導(dǎo)體總數(shù)電勢(shì)平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程式能量（功率）平衡方程2. 直流牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性-著重把握比較串勵(lì)與他勵(lì)直流牽引電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速特性：n =f（Is）轉(zhuǎn)矩特性：M=f（Is）機(jī)械特性：n =f（M

5、）條件：不對(duì)電源電壓和勵(lì)磁電流進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速特性n =f（Is）由（2-1）和（2-4）式可得：n=(Us-IsRs)/(Ces) =Us /(Ces)- IsRs /(Ces)（2-9）他勵(lì)電機(jī)：sconst. n=no-kIs -（硬特性）串勵(lì)電機(jī)：skIs（磁路未飽和時(shí)） n=a/Is-b -（軟特性） 其中 no =Us /(Ces)；k，k，a，b為常數(shù)。轉(zhuǎn)矩特性M=f（Is） 機(jī)械特性n=f(M)直流電動(dòng)機(jī)特性 牽引性能分析與比較1.電氣穩(wěn)定性：一般情況下，串勵(lì)和他勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有電氣穩(wěn)定性。但他勵(lì)電機(jī)穩(wěn)定余量較小，對(duì)于無(wú)補(bǔ)償繞組的電機(jī)，由于電樞反應(yīng)的去磁作用，在大電樞電流時(shí)，有可

6、能進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。2.負(fù)載分配性：當(dāng)多臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作、電機(jī)特性有差異時(shí)，串勵(lì)電機(jī)比他勵(lì)電機(jī)負(fù)載分配不均勻程度要小得多。同一臺(tái)機(jī)車(chē)動(dòng)輪直徑有差異時(shí)，采用串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)比他勵(lì)電機(jī)負(fù)載分配均勻。3.輸入電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)電流和牽引力的影響：當(dāng)外加電壓突變時(shí)，由于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁不變，電樞反電勢(shì)不能及時(shí)增加，將使過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始階段電樞電流沖擊過(guò)大，串勵(lì)電機(jī)電流沖擊要小得多。4.牽引電動(dòng)機(jī)功率利用：串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)具有軟特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而自動(dòng)降低，故串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率變化比他勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)要小，接近恒功率曲線，可以更合理地利用與牽引功率有關(guān)的電器設(shè)備容量。5.粘著性能分析比較：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于特性較軟，空轉(zhuǎn)

7、發(fā)生后的穩(wěn)定滑動(dòng)速度V4高于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定滑動(dòng)速度V3。從粘著重量的利用觀點(diǎn)出發(fā)，他勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)優(yōu)于串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)。3. 速度調(diào)節(jié)調(diào)壓調(diào)速：改變 Us調(diào)速n2/n1Us2/Us1 （2-13） （ 假定IsRs0時(shí)）磁場(chǎng)削弱調(diào)速：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，近似有：n2/n1s1/s2 （2-15）思考題：1.恒功率控制條件下，牽引電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)削弱前后的工作狀態(tài)如何變化？a. 磁場(chǎng)削弱后瞬間電機(jī)電樞電流增大,電壓減小（恒功控制系統(tǒng)作用）；b. 根據(jù)扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不變且電磁力矩M與Mz已處于平衡狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將保持不變。但若在Mz< M時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)削弱，則電機(jī)轉(zhuǎn)速可增大，機(jī)車(chē)速度增

8、加2. 恒功磁場(chǎng)削弱調(diào)速過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)分析a.經(jīng)濟(jì)調(diào)速，可重復(fù)使用主發(fā)電機(jī)的恒功曲線，擴(kuò)大機(jī)車(chē)恒功調(diào)速比。b.使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)換向條件惡化，運(yùn)行可靠性降低。2、 同步交流牽引發(fā)電機(jī)貌似并不是重點(diǎn)，看起來(lái)也并不會(huì)像考的樣子；感興趣的同學(xué)可以看一看PPT，只求及格的話，可以跳過(guò)。3、 交-直型內(nèi)燃機(jī)車(chē)恒功調(diào)速系統(tǒng)1. 系統(tǒng)任務(wù)與要求a.機(jī)車(chē)恒功系統(tǒng)的任務(wù)機(jī)車(chē)柴油機(jī)恒功輔助功率+牽引功率恒定輔助功率變化時(shí)，調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵(lì)磁恒功機(jī)車(chē)柴油機(jī)恒功（輔助功率不變）牽引功率恒定牽引發(fā)電機(jī)恒功輸出恒功勵(lì)磁調(diào)節(jié)b.要求： 機(jī)車(chē)全功率運(yùn)行-柴油機(jī)額定工況 機(jī)車(chē)部分功率運(yùn)行-柴油機(jī)按經(jīng)濟(jì)特性運(yùn)行 寬廣的調(diào)速范圍（恒功調(diào)速

9、比等） 良好的起動(dòng)性能（啟動(dòng)牽引力，平穩(wěn)性等） 其他牽引性能要求（粘著利用，節(jié)能，可靠性，維修性等）2. 電路組成結(jié)構(gòu) a. 間接控制方式 控制信號(hào)功率小，時(shí)延，慣性大 b.直接控制方式 系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，動(dòng)態(tài)性能較好，但需要較大的控制功率主電路結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)： 現(xiàn)代大功率的交-直機(jī)車(chē)多采用全并聯(lián)主電路形式，電路簡(jiǎn)潔，粘著利用較好； 采用磁場(chǎng)削弱調(diào)速較經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大了機(jī)車(chē)恒功調(diào)節(jié)范圍；特點(diǎn)：主電路中支路數(shù)較少；擴(kuò)大了牽引發(fā)電機(jī)的調(diào)壓范圍，可有效地增大機(jī)車(chē)恒功調(diào)速比；粘著利用較全并聯(lián)方式差；3. 牽引發(fā)電機(jī)恒功勵(lì)磁控制系統(tǒng)基本工作原理原理：任何閉環(huán)控制系統(tǒng)均基于“檢測(cè)偏差，糾正偏差”原理工作；采用具有積分環(huán)節(jié)的調(diào)

10、節(jié)器，可使系統(tǒng)靜態(tài)誤差為0，成為無(wú)“靜差”系統(tǒng)；4. 電子恒功勵(lì)磁系統(tǒng)（ND5-框圖）系統(tǒng)特點(diǎn)：采用大規(guī)模集成模擬電路，實(shí)現(xiàn)綜合控制，改善了機(jī)車(chē)牽引性能；采用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直接控制方式，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能；將柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速、超速信號(hào)引入勵(lì)磁控制系統(tǒng)，改善了柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)；設(shè)置有“功率斜坡”單元，改善了機(jī)車(chē)的起動(dòng)性能，提高了機(jī)車(chē)的粘著利用并實(shí)現(xiàn)多參數(shù)綜合控制；4、 內(nèi)燃機(jī)車(chē)電力傳動(dòng)裝置參數(shù)1. 衡量機(jī)車(chē)牽引性能的主要參數(shù)指標(biāo)機(jī)車(chē)最大起動(dòng)牽引力FQmax-機(jī)車(chē)發(fā)揮Fc時(shí)的速度；機(jī)車(chē)持續(xù)牽引力Fc-牽引電動(dòng)機(jī)在全磁場(chǎng)持續(xù)電流工作時(shí)發(fā)揮的牽引力；機(jī)車(chē)持續(xù)速度Vc-機(jī)車(chē)發(fā)揮Fc時(shí)的速度；

11、機(jī)車(chē)恒功速度范圍及恒功最大速度Vpmax-是指機(jī)車(chē)發(fā)揮滿功率時(shí)所能達(dá)到的最高恒功率運(yùn)行速度；機(jī)車(chē)構(gòu)造速度Vg-一般等于機(jī)車(chē)最大速度。2. 恒功率控制下的主要調(diào)節(jié)參數(shù)恒功調(diào)速比 和 電傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)3. 牽引電機(jī)容積功率概念5、 交-直型電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)與控制系統(tǒng)1. 主電路結(jié)構(gòu)與工作原理1）牽引電動(dòng)機(jī)供電及其連接方式a.集中供電、牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)（SS1，SS3）b.部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)（SS4，6G）c.部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動(dòng)機(jī)串聯(lián)（8K）d.部分集中供電、不同轉(zhuǎn)向架牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)（6K）2） 整流電路形式與工作原理a.調(diào)壓開(kāi)關(guān)+二極管整流電路（SS1）b.多段橋順序控制

12、（半控或全控橋）電路多段（半控）橋相控整流電路工作原理：二段半控橋、四段半控橋6、 電阻制動(dòng)1. 電氣制動(dòng)-再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)-基本原理PPT并沒(méi)有明確說(shuō)明原理 就是一堆公式 感覺(jué)并不會(huì)考 無(wú)關(guān)緊要啦2. 電阻制動(dòng)特性與制動(dòng)工況限制范圍1） 三種制動(dòng)控制特性：恒勵(lì)磁制動(dòng)特性、恒制動(dòng)電流制動(dòng)特性、恒速制動(dòng)特性2） 制動(dòng)工況限制范圍：最大勵(lì)磁電流，最大粘著，最大制動(dòng)電流，換向條件，最大速度7、 黏著控制1. 基本概念2. 黏著控制目的？在保證不發(fā)生空轉(zhuǎn)前提下，獲得最大的粘著利用率，使機(jī)車(chē)能發(fā)揮最大平均牽引力3. 黏著控制方法？傳統(tǒng)的校正型黏著控制方法；基于黏著特性及蠕滑速度控制的現(xiàn)代黏著控制方法（

13、蠕滑速度法和黏著斜率法）4. ND5機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)檢測(cè)保護(hù)電路特點(diǎn)？1）脈沖轉(zhuǎn)速檢測(cè)（f/v）2）加速度檢測(cè)（轉(zhuǎn)速微分）3）輪徑自動(dòng)校正（惰行狀態(tài)及V>12km/h下進(jìn)行）4）空轉(zhuǎn)檢測(cè)分析與空轉(zhuǎn)信號(hào)的分級(jí)輸出（四級(jí)空轉(zhuǎn)信號(hào)）8K電力機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)檢測(cè)保護(hù)電路特點(diǎn)？1）輪徑修正2）檢測(cè)輪對(duì)速度差、加速度及加速度變化率3）牽引電動(dòng)機(jī)電流給定修正算法4）自動(dòng)尋找并記憶最大粘著系數(shù)時(shí)的電流值第3章 、電力牽引交流傳動(dòng)與控制1、 電力牽引交流傳動(dòng)技術(shù)概述1. 機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)（電動(dòng)車(chē)組）：指采用靜止式變流器供電和交流異步或同步牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)車(chē)（電動(dòng)車(chē)組）變流器類型：交-交變流器（直接

14、式）、交-直-交變流器（間接式）系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)型式：交-直-交（電壓型）變流器+交流異步牽引電機(jī)系統(tǒng)（普遍應(yīng)用）交-直-交（電壓型）變流器+交流同步牽引電機(jī)系統(tǒng)交-直-交（電流型）變流器+交流異步牽引電機(jī)系統(tǒng)交-交變流器+交流同步牽引電機(jī)系統(tǒng)2. 大功率電力電子器件晶閘管（Thyristor）70年代及以前使用的主要開(kāi)關(guān)元件：半控，低頻GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，電流控制可關(guān)斷元件，已廣泛用以大功率變流器GTR（Gaint Transistor）大功率晶體管電流控制雙極型自關(guān)斷元件， 通態(tài)壓降低功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）(Metal Oxid

15、e Semiconductor Field Effect Transistor)IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)絕緣柵雙極晶體管兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)：高速（20-50kHz)、高阻抗，低壓降等混合器件，電壓控制元件PM（Intelligent Power Module)智能功率模塊集功率開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)隔離電路以及過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)等于一體的智能型模塊3. 交流傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1）異步電動(dòng)機(jī)陡峭的自然外特性利于抑制機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)和打滑，可大幅度提高機(jī)車(chē)的粘著性能2） 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，電機(jī)熱利用率高，維護(hù)、維修方便，運(yùn)用維護(hù)費(fèi)用低3） 單機(jī)容量大（不受

16、換向限制），轉(zhuǎn)速范圍寬，重量輕體積小4） 交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)功率因數(shù)高，等效干擾電流小，節(jié)能，環(huán)保5） 三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī)造價(jià)低2、 電力牽引交流傳動(dòng)基礎(chǔ)1.異步牽引電動(dòng)機(jī)的基本特性1）電磁轉(zhuǎn)矩特性2) 臨界轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差率與電機(jī)其它參數(shù)的關(guān)系3） 機(jī)械特性M=f(n)4） 諧波電流（磁場(chǎng)）引起的諧波轉(zhuǎn)矩（附加轉(zhuǎn)矩）對(duì)機(jī)械特性的影響高次諧波電流（磁場(chǎng)）使電機(jī)啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大幅波動(dòng)，惡化了起動(dòng)性能，并可使電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或大幅波動(dòng)。2. 異步牽引電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法？改變定子繞組磁極對(duì)數(shù)p改變轉(zhuǎn)差率s改變電機(jī)輸入頻率f13. 異步牽引電動(dòng)機(jī)控制規(guī)律的選擇A. 異步牽引電動(dòng)機(jī)牽引控制規(guī)律的選擇？啟動(dòng)加速階

17、段-近似恒牽引力正常牽引工況-恒功率限速階段 -恒速運(yùn)行B.牽引控制規(guī)律的選擇？最小電動(dòng)機(jī)匹配控制規(guī)律、最小逆變器匹配控制規(guī)律三、交-直-交牽引逆變器原理1.交-直-交系統(tǒng)牽引變流器組成結(jié)構(gòu)整流器+逆變器2. 控制基本原理？a.矩形波法控制逆變器組成與逆變?cè)砟孀兤髡?fù)主開(kāi)關(guān)狀態(tài)在逆變輸出頻率的每一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換一次，使負(fù)載電位按正負(fù)兩個(gè)180°（或120°）寬的矩形波變化。B.分諧波法（脈寬調(diào)制PWM）控制-SPWM控制基本思路： 克服矩形波控制法在低頻輸出時(shí)諧波電流成分大的缺點(diǎn)； 使各相正負(fù)主開(kāi)關(guān)狀態(tài)在逆變器輸出頻率的每一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，從而將“大矩形波” 分割成多個(gè) 等效“小矩形波”， 在要求輸出正弦電壓時(shí)，上述