《電力牽引傳動與控制》

1、1第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l直流牽引電動機(jī)直流牽引電動機(jī)l交流牽引發(fā)電機(jī)交流牽引發(fā)電機(jī)l內(nèi)燃機(jī)車恒功調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車恒功調(diào)速系統(tǒng)l傳動裝置參數(shù)傳動裝置參數(shù)l電力機(jī)車傳動與控制系統(tǒng)電力機(jī)車傳動與控制系統(tǒng)l黏著控制與主電路保護(hù)黏著控制與主電路保護(hù)l電阻制動電阻制動2第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制 一、直流牽引電動機(jī)一、直流牽引電動機(jī)q電機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)電機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)q基本方程基本方程q工作特性與牽引性能分析工作特性與牽引性能分析q速度調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)q繞組結(jié)構(gòu)繞組結(jié)構(gòu)* *q電樞反應(yīng)與換向電樞反應(yīng)與換向* * 3

2、一、直流牽引電動機(jī)一、直流牽引電動機(jī)n直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)n單線圈電機(jī)模型：磁極，導(dǎo)體，換向片（器），電單線圈電機(jī)模型：磁極，導(dǎo)體，換向片（器），電刷，轉(zhuǎn)軸等刷，轉(zhuǎn)軸等圖圖2-1a 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)工作原理4直流電動機(jī)的工作原理直流電動機(jī)的工作原理圖圖2-1b 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)工作原理5 導(dǎo)體所受電磁力導(dǎo)體所受電磁力 大?。捍笮。篺x=BxLIs 方向：左手定則判定方向：左手定則判定 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體感應(yīng)電勢旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體感應(yīng)電勢大?。捍笮。篹s=BxLV 方向：右手定則判定方向：右手定則判定（式中：（式中：Bx為導(dǎo)體所處位置的磁通密度；為導(dǎo)體所處位置的磁通密度；L為

3、導(dǎo)為導(dǎo)體有效長度；體有效長度；V為導(dǎo)體線速度；為導(dǎo)體線速度；Is為導(dǎo)體電流）為導(dǎo)體電流）n換向片的作用：換向片的作用：對轉(zhuǎn)動導(dǎo)體中的電流進(jìn)行換向，使對轉(zhuǎn)動導(dǎo)體中的電流進(jìn)行換向，使導(dǎo)體所受電磁力矩方向恒定；換接轉(zhuǎn)動導(dǎo)體中的感導(dǎo)體所受電磁力矩方向恒定；換接轉(zhuǎn)動導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢，使電刷兩端電勢方向保持恒定。應(yīng)電勢，使電刷兩端電勢方向保持恒定。* *電機(jī)可逆原理：電機(jī)可逆原理：在一定的外部條件下，（直流或交在一定的外部條件下，（直流或交流）電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的方向可以改變。流）電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的方向可以改變。6直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)工作原理7直流電機(jī)可逆工作原理直流電機(jī)可逆工作原理8多線圈直流電機(jī)多線圈直流電

4、機(jī)線圈數(shù)目增加線圈數(shù)目增加換向片數(shù)目相應(yīng)增換向片數(shù)目相應(yīng)增加。加。電磁轉(zhuǎn)矩和電刷兩電磁轉(zhuǎn)矩和電刷兩端電勢脈動減小，端電勢脈動減小， 趨向平趨向平穩(wěn)。穩(wěn)。圖圖2-2 八線圈直流電機(jī)示意圖八線圈直流電機(jī)示意圖實(shí)際直流電機(jī)：可以有數(shù)對磁極，由勵磁繞組通以勵磁電流形成實(shí)際直流電機(jī)：可以有數(shù)對磁極，由勵磁繞組通以勵磁電流形成磁場。轉(zhuǎn)動導(dǎo)體有多個線圈，線圈兩有效邊相距約一個極距，嵌磁場。轉(zhuǎn)動導(dǎo)體有多個線圈，線圈兩有效邊相距約一個極距，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，并通過換向片和電刷的連接作用，構(gòu)成數(shù)條放在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，并通過換向片和電刷的連接作用，構(gòu)成數(shù)條并聯(lián)支路。并聯(lián)支路。9 直流電機(jī)的分類直流電機(jī)的分類勵磁方式

5、勵磁方式按勵磁方式分類：按勵磁方式分類：他勵，并勵，串勵，復(fù)勵。他勵，并勵，串勵，復(fù)勵。10直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖圖11 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子定子：主磁極和主極線圈，換向極和換向極線圈，機(jī)座，電刷裝：主磁極和主極線圈，換向極和換向極線圈，機(jī)座，電刷裝 置，端蓋及軸承等（靜止部分）置，端蓋及軸承等（靜止部分） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵芯，電樞繞組（線圈），換向器，轉(zhuǎn)軸等（旋轉(zhuǎn)部分）：轉(zhuǎn)子鐵芯，電樞繞組（線圈），換向器，轉(zhuǎn)軸等（旋轉(zhuǎn)部分） 12電機(jī)結(jié)構(gòu)圖13轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組換向器換向器1415直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)16直流電機(jī)基本

6、方程直流電機(jī)基本方程電樞感應(yīng)電勢：電樞感應(yīng)電勢：Es=Cesn（v） （2-1）電樞電磁力矩：電樞電磁力矩：M=CmsI Is（Nm） （2-2）式中：式中：n 電機(jī)轉(zhuǎn)速（電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/m） s 每極下磁通量（每極下磁通量（wb)I Is 電機(jī)電樞電流（電機(jī)電樞電流（A）Ce=pN/60a（電機(jī)電勢常數(shù)）（電機(jī)電勢常數(shù)）Cm=pN/2a（電機(jī)扭矩常數(shù)）（電機(jī)扭矩常數(shù)）p 極對數(shù)；極對數(shù)；a 電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)；電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)；N 電樞繞組有效導(dǎo)體總數(shù)。電樞繞組有效導(dǎo)體總數(shù)。 感應(yīng)電勢和電磁力矩感應(yīng)電勢和電磁力矩17電勢平衡方程電勢平衡方程以串勵電動機(jī)為例：以串勵電動機(jī)為例：Us=Es+

7、I IsRs+Ls （2-3）穩(wěn)態(tài)時有：穩(wěn)態(tài)時有：Us=Es+I IsRs （2-4）式中：式中：Us 電機(jī)端電壓；電機(jī)端電壓；Rs 電樞回路總電阻；電樞回路總電阻；Ls 電樞回路總電感。電樞回路總電感。tIsdd18轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩方程：轉(zhuǎn)矩方程：M=Mz+Mo+J J （2-5）穩(wěn)態(tài)時有：穩(wěn)態(tài)時有：M=Mz+Mo （2-6）式中：式中：M 電磁轉(zhuǎn)矩；電磁轉(zhuǎn)矩；Mz 負(fù)載阻力矩；負(fù)載阻力矩；Mo 電機(jī)空載阻力矩；電機(jī)空載阻力矩； 電機(jī)角速度；電機(jī)角速度； J J 電機(jī)與負(fù)載等效轉(zhuǎn)動電機(jī)與負(fù)載等效轉(zhuǎn)動 慣量。慣量。dtd 19電機(jī)轉(zhuǎn)矩電機(jī)扭矩常數(shù)Cm能量（功率）平衡方程能量（功

8、率）平衡方程電磁功率電磁功率=機(jī)械功率機(jī)械功率由（由（2-4）式可得：）式可得：UsI Is=EsI Is+I Is Rs （2-7a）輸入電功率輸入電功率=電磁功率電磁功率+電機(jī)內(nèi)銅電機(jī)內(nèi)銅(電阻電阻)損耗損耗EsI Is=（ Cesn）*I Is =（pN/60a）*（60/2）* s I Is =（pN/ 2a）* s I Is =（Cm s I Is ） =M （ 2-7 b）M =Mz +Mo （ 2-8 ） 機(jī)械功率機(jī)械功率=負(fù)載功率負(fù)載功率+電機(jī)空載損耗電機(jī)空載損耗20UsIsEsIs=M銅損銅損鐵損鐵損空載機(jī)械摩擦損耗空載機(jī)械摩擦損耗MZMo輸出機(jī)械功輸出機(jī)械功率率輸入電功輸入

9、電功率率圖圖2-8 直流電動機(jī)功率流圖直流電動機(jī)功率流圖IsRs直流電動機(jī)功率流圖直流電動機(jī)功率流圖（第（第2講）講）21直流電動機(jī)的工作特性直流電動機(jī)的工作特性轉(zhuǎn)速特性：轉(zhuǎn)速特性：n =f（IsIs）轉(zhuǎn)矩特性：轉(zhuǎn)矩特性：M=f（IsIs）機(jī)械特性：機(jī)械特性：n =f（M）條件：不對電源電壓和勵磁電流進(jìn)行人為條件：不對電源電壓和勵磁電流進(jìn)行人為 調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。22轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性n =f（IsIs）由（由（2-1）和（）和（2-4）式可得：）式可得：n=(Us-I IsRs)/(Ces) =Us /(Ces)- I IsRs /(Ces)（2-9）他勵電機(jī)：他勵電機(jī)：sconst. n=no-k

10、I Is -（硬特性）（硬特性）串勵電機(jī)：串勵電機(jī)：sk I Is（磁路未飽和時）（磁路未飽和時） n=a/I Is-b -（軟特性）（軟特性） 其中其中 no =Us /(Ces)；k，k，a，b為常數(shù)。為常數(shù)。23轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性M=f（IsIs）他勵電機(jī)：他勵電機(jī)：M=CmsI Is=k I Is （2-10）串勵電機(jī)（磁路未飽和時串勵電機(jī)（磁路未飽和時s與與I Is成正比成正比 ）故有：）故有：M=CmsI Is=k I Is （2-11）24機(jī)械特性機(jī)械特性 n =f（M）n=(Us-I IsRs)/(Ces) = Us /(Ces)- M Rs /(CeCms) （2-12）25直

11、流電動機(jī)特性直流電動機(jī)特性26直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)態(tài)時：穩(wěn)態(tài)時：M=Mz+MoMz27l 牽引電動機(jī)負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件？l 哪一種直流電動機(jī)更適合 于作機(jī)車牽引？ 思考思考：28n牽引特性機(jī)械穩(wěn)定性分析牽引特性機(jī)械穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性條件：穩(wěn)定性條件：式中：式中：Wo和和 F 分別為負(fù)載阻力和電機(jī)牽引力分別為負(fù)載阻力和電機(jī)牽引力 直流牽引電動機(jī)（除差復(fù)勵外）直流牽引電動機(jī)（除差復(fù)勵外）的特性曲線都具有負(fù)斜率，均的特性曲線都具有負(fù)斜率，均滿足列車牽引時的機(jī)械穩(wěn)定性滿足列車牽引時的機(jī)械穩(wěn)定性條件。條件。直流電動機(jī)牽引特性分析與比較直流電動機(jī)牽引特性分析與比較dVdWdVdF

12、0特性特性F1：穩(wěn)定：穩(wěn)定特性特性F2：不穩(wěn)定：不穩(wěn)定29牽引特性電氣穩(wěn)定性分析牽引特性電氣穩(wěn)定性分析由（由（2-3）電機(jī)電勢平衡方程式有：）電機(jī)電勢平衡方程式有：Ls (dI Is/dt) = Us (Es + I IsRs)式中：式中：Es=Cesn 電機(jī)電樞反電勢；電機(jī)電樞反電勢；I Is 電機(jī)電樞電流；電機(jī)電樞電流；Us 電機(jī)輸入端電壓；電機(jī)輸入端電壓；Rs 電樞回路總電阻；電樞回路總電阻；Ls 電樞回路總電感。電樞回路總電感。 設(shè)設(shè)Us 為恒定，當(dāng)負(fù)載擾動引起為恒定，當(dāng)負(fù)載擾動引起 I Is時，電機(jī)系統(tǒng)中時，電機(jī)系統(tǒng)中Ls (dI Is/dt) 的符號應(yīng)與的符號應(yīng)與 I Is相反，從

13、而使電機(jī)恢復(fù)到原來的平相反，從而使電機(jī)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。- 電氣穩(wěn)定性條件電氣穩(wěn)定性條件特性特性1：穩(wěn)定：穩(wěn)定特性特性2：不穩(wěn)定：不穩(wěn)定30串勵和他勵電動機(jī)牽引特性電氣穩(wěn)定性串勵和他勵電動機(jī)牽引特性電氣穩(wěn)定性 一般情況下，串勵和他勵電動機(jī)具有電氣穩(wěn)定性。但他勵電機(jī)穩(wěn)定余量較小，一般情況下，串勵和他勵電動機(jī)具有電氣穩(wěn)定性。但他勵電機(jī)穩(wěn)定余量較小，對于無補(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，有可能進(jìn)對于無補(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，有可能進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)（入不穩(wěn)定狀態(tài)（B點(diǎn)）。點(diǎn)）。31多臺牽引電動機(jī)并聯(lián)工作時，負(fù)載分配性能分析比較多臺牽引電

14、動機(jī)并聯(lián)工作時，負(fù)載分配性能分析比較 當(dāng)多臺牽引電動機(jī)并聯(lián)工作、電機(jī)特性有差異時，串勵電機(jī)當(dāng)多臺牽引電動機(jī)并聯(lián)工作、電機(jī)特性有差異時，串勵電機(jī)比他勵電機(jī)負(fù)載分配不均勻程度要小得多。比他勵電機(jī)負(fù)載分配不均勻程度要小得多。32 同一臺機(jī)車動輪直徑有差異時，采用串勵同一臺機(jī)車動輪直徑有差異時，采用串勵牽引電動機(jī)比他勵電機(jī)負(fù)載分配均勻牽引電動機(jī)比他勵電機(jī)負(fù)載分配均勻。33輸入電壓波動對電機(jī)電流和牽引力的影響分析輸入電壓波動對電機(jī)電流和牽引力的影響分析 當(dāng)外加電壓突變時，由于他勵電動機(jī)勵磁不變，電樞反電勢不能及時當(dāng)外加電壓突變時，由于他勵電動機(jī)勵磁不變，電樞反電勢不能及時增加，將使過渡過程開始階段電樞電

15、流沖擊過大，串勵電機(jī)電流沖擊要增加，將使過渡過程開始階段電樞電流沖擊過大，串勵電機(jī)電流沖擊要小得多。小得多。34牽引電動機(jī)功率利用分析比較牽引電動機(jī)功率利用分析比較 串勵牽引電動機(jī)具有軟特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而自動降低，串勵牽引電動機(jī)具有軟特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而自動降低，故串勵電動機(jī)的功率變化比他勵牽引電動機(jī)要小，接近恒功率曲故串勵電動機(jī)的功率變化比他勵牽引電動機(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。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。35粘著性能分析比較粘著性能分析比較 -空轉(zhuǎn)發(fā)生與空轉(zhuǎn)速度空轉(zhuǎn)發(fā)生與空轉(zhuǎn)速度36 由上圖所示的牽引電動機(jī)特性與空牽

16、引電動機(jī)特性與空轉(zhuǎn)的關(guān)系可知，串勵電動機(jī)由于特性轉(zhuǎn)的關(guān)系可知，串勵電動機(jī)由于特性較軟，空轉(zhuǎn)發(fā)生后的穩(wěn)定滑動速度較軟，空轉(zhuǎn)發(fā)生后的穩(wěn)定滑動速度V V4 4高于他勵電動機(jī)的穩(wěn)定滑動速度高于他勵電動機(jī)的穩(wěn)定滑動速度V V3 3。從粘著重量的利用觀點(diǎn)出發(fā)，他勵牽從粘著重量的利用觀點(diǎn)出發(fā)，他勵牽引電動機(jī)優(yōu)于串勵牽引電動機(jī)引電動機(jī)優(yōu)于串勵牽引電動機(jī)（第（第3講）講）37直流電動機(jī)速度調(diào)節(jié)直流電動機(jī)速度調(diào)節(jié)由（由（2-9）式：）式：n=(Us-I IsRs)/(Ces)q改變改變Rs， Us，s均可調(diào)速，但后兩者才是經(jīng)濟(jì)均可調(diào)速，但后兩者才是經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。的調(diào)速方法。q可分別通過改變可分別通過改變Us或或

17、s調(diào)速，兩者獨(dú)立。調(diào)速，兩者獨(dú)立。n改變改變 Us調(diào)速調(diào)速n2/n1Us2/Us1 （2-13） （ 假定假定I IsRs0時）時）3839改變改變s調(diào)速（磁場削弱調(diào)速調(diào)速（磁場削弱調(diào)速）根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，可得調(diào)速前后轉(zhuǎn)速比為：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，可得調(diào)速前后轉(zhuǎn)速比為：近似有：近似有： n2/n1 s1 / s2 （2-15）)142( s1s2ss2sss1ss2ess2ss1ess1s21RIURIUCRIUCRIUnn4041思考：思考： 恒功率控制條件下，牽引電恒功率控制條件下，牽引電動機(jī)磁場削弱前后的工作狀態(tài)動機(jī)磁場削弱前后的工作狀態(tài)如何變化？如何變化？42恒功率（恒功率（PF=con

18、st.）條件下的磁場削弱調(diào)速）條件下的磁場削弱調(diào)速由于磁場削弱瞬間，由于磁場削弱瞬間，n不變，故不變，故M亦不變，電流和磁通滿足：亦不變，電流和磁通滿足： M=Cms1I Is1=Cms2I Is2 I Is1/I Is2=s2/s1結(jié)果：結(jié)果：a. 磁場削弱后瞬間電機(jī)電樞電流增大磁場削弱后瞬間電機(jī)電樞電流增大,電壓減小（恒功控制電壓減?。ê愎刂葡到y(tǒng)作用）；系統(tǒng)作用）；b. 根據(jù)扭矩平衡方程可知，若外界阻力根據(jù)扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不變且電磁力矩不變且電磁力矩M與與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時進(jìn)行磁場削弱，則

19、電機(jī)轉(zhuǎn)速可增大，機(jī)車速度增加。時進(jìn)行磁場削弱，則電機(jī)轉(zhuǎn)速可增大，機(jī)車速度增加。43恒功磁場削弱調(diào)速過程及優(yōu)缺點(diǎn)分析恒功磁場削弱調(diào)速過程及優(yōu)缺點(diǎn)分析經(jīng)濟(jì)調(diào)速，可重復(fù)使用經(jīng)濟(jì)調(diào)速，可重復(fù)使用主發(fā)電機(jī)的恒功曲線，主發(fā)電機(jī)的恒功曲線，擴(kuò)大機(jī)車恒功調(diào)速比。擴(kuò)大機(jī)車恒功調(diào)速比。使?fàn)恳妱訖C(jī)換向條件使?fàn)恳妱訖C(jī)換向條件惡化，運(yùn)行可靠性降低。惡化，運(yùn)行可靠性降低。44直流電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)直流電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)* *單迭繞組為例：單迭繞組為例：繞組元件：繞組元件： 一匝或多匝的線圈一匝或多匝的線圈。極極 距距 ： 在電樞表面上相鄰異性磁極中心線之間的在電樞表面上相鄰異性磁極中心線之間的距離?？捎每偛蹟?shù)距離?？捎每偛蹟?shù)Z和

20、極對數(shù)和極對數(shù) p 表示為：表示為： = Z/2p (2-16)45單迭繞組結(jié)構(gòu)單迭繞組結(jié)構(gòu)繞組元件數(shù)繞組元件數(shù)S與換向器的換向片數(shù)與換向器的換向片數(shù)H 因每個元件的兩端分別因每個元件的兩端分別接到兩個換向片上，而每一個換向片和兩個元件相連接到兩個換向片上，而每一個換向片和兩個元件相連接，故有：接，故有： S=H (2-17)第一節(jié)距第一節(jié)距Y1 元件兩有效邊在電樞表面的距離，用所跨的槽元件兩有效邊在電樞表面的距離，用所跨的槽數(shù)表示。數(shù)表示。 Y1=Z/2p=整數(shù)（整數(shù)（0 GGi i，偏，偏差信號差信號E Ei i0 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號T Ti i減小減小執(zhí)行元件使執(zhí)行元件

21、使發(fā)電機(jī)勵磁減小至發(fā)電機(jī)勵磁減小至I IFL2FL2，發(fā)電機(jī)外特性下降至發(fā)電機(jī)外特性下降至2 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)輸出功率減小輸出功率減小調(diào)節(jié)過程直至新的穩(wěn)定工作點(diǎn)調(diào)節(jié)過程直至新的穩(wěn)定工作點(diǎn)c,此時此時Ji=GiJi=Gi，系統(tǒng)重新進(jìn)入平，系統(tǒng)重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。n采用具有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，可使系統(tǒng)靜態(tài)誤差為采用具有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，可使系統(tǒng)靜態(tài)誤差為0 0，成，成為無為無“靜差靜差”系統(tǒng)。系統(tǒng)。8586恒功勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)恒功勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下所測得的特性。系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下所測得的特性。用機(jī)車水阻試驗測得的牽引發(fā)電機(jī)外特用機(jī)車水阻試驗測得的牽引發(fā)電機(jī)外特性與理

22、想外特性的符合程度，即兩者的性與理想外特性的符合程度，即兩者的偏差來衡量偏差來衡量動態(tài)特性：動態(tài)特性：系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程非穩(wěn)定狀態(tài)下測得的特性。系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程非穩(wěn)定狀態(tài)下測得的特性。衡量指標(biāo)包括：穩(wěn)定性，超調(diào)量，過渡衡量指標(biāo)包括：穩(wěn)定性，超調(diào)量，過渡過程時間等。對實(shí)際機(jī)車恒功勵磁系統(tǒng)，過程時間等。對實(shí)際機(jī)車恒功勵磁系統(tǒng)， 過渡過程時間是衡量系統(tǒng)性能好壞的過渡過程時間是衡量系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)。重要指標(biāo)。87圖中：圖中：C（t）和）和R（t）分別分別為系統(tǒng)激勵和響應(yīng)（輸入和為系統(tǒng)激勵和響應(yīng)（輸入和輸出）；輸出）；為超調(diào)量；為超調(diào)量；Tp為過渡過程時間；為過渡過程時間；Cm和和C分別為系統(tǒng)響應(yīng)最大值

23、和穩(wěn)態(tài)值。分別為系統(tǒng)響應(yīng)最大值和穩(wěn)態(tài)值。88恒功勵磁系統(tǒng)分類恒功勵磁系統(tǒng)分類按采用的調(diào)節(jié)器類型分為兩類：按采用的調(diào)節(jié)器類型分為兩類：n采用液力調(diào)節(jié)器的恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)；采用液力調(diào)節(jié)器的恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)；a)采用電子調(diào)節(jié)裝置的電子恒功系統(tǒng)。采用電子調(diào)節(jié)裝置的電子恒功系統(tǒng)。89采用液力調(diào)節(jié)器（聯(lián)合調(diào)速器）的恒功采用液力調(diào)節(jié)器（聯(lián)合調(diào)速器）的恒功勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)n聯(lián)合調(diào)速器原理聯(lián)合調(diào)速器原理n對柴油機(jī)實(shí)行以對柴油機(jī)實(shí)行以恒轉(zhuǎn)速和恒供油量恒轉(zhuǎn)速和恒供油量為目為目標(biāo)的控制。標(biāo)的控制。n用柴油機(jī)用柴油機(jī)全制式調(diào)速器與液力勵磁調(diào)節(jié)全制式調(diào)速器與液力勵磁調(diào)節(jié)控制單元結(jié)合控制單元結(jié)合組成聯(lián)合調(diào)速器。組成聯(lián)合調(diào)速器。90

24、恒供油量勵磁控制系統(tǒng)原理恒供油量勵磁控制系統(tǒng)原理91全制式調(diào)速器恒速控制原理全制式調(diào)速器恒速控制原理第第7講講92聯(lián)合調(diào)速器框圖聯(lián)合調(diào)速器框圖93東風(fēng)東風(fēng)4機(jī)車液力恒功勵磁控制器機(jī)車液力恒功勵磁控制器（聯(lián)合調(diào)速器）（聯(lián)合調(diào)速器）n系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理 （參照圖（參照圖3-12）調(diào)節(jié)器為液力伺服器，是積分元件：調(diào)節(jié)器為液力伺服器，是積分元件：y=xdtx-液力伺服器功調(diào)滑閥位移（偏差信號）；液力伺服器功調(diào)滑閥位移（偏差信號）； y-液力伺服器輸出角位移（調(diào)節(jié)信號）。液力伺服器輸出角位移（調(diào)節(jié)信號）。只有當(dāng)只有當(dāng)偏差偏差x=0時，時，調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)信號y才不再變化。故此系統(tǒng)才不再變化。故此系統(tǒng)是

25、是“無靜差無靜差”系統(tǒng)。系統(tǒng)。9495牽引發(fā)電機(jī)限壓，限流控制方法牽引發(fā)電機(jī)限壓，限流控制方法 通過限制各手柄通過限制各手柄位下牽引發(fā)電機(jī)的位下牽引發(fā)電機(jī)的最大勵磁電流進(jìn)行最大勵磁電流進(jìn)行限壓和限流控制。限壓和限流控制。 優(yōu)點(diǎn)：簡單優(yōu)點(diǎn)：簡單96系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)l以維持柴油機(jī)恒功為控制目標(biāo)；以維持柴油機(jī)恒功為控制目標(biāo)；l采用了具有積分環(huán)節(jié)的液力調(diào)節(jié)器，為無靜差系統(tǒng)；采用了具有積分環(huán)節(jié)的液力調(diào)節(jié)器，為無靜差系統(tǒng)；l在高手柄位下有良好的靜態(tài)特性；在高手柄位下有良好的靜態(tài)特性；l因各轉(zhuǎn)速下的供油給定值是通過線性關(guān)系的函數(shù)變換器因各轉(zhuǎn)速下的供油給定值是通過線性關(guān)系的函數(shù)變換器給出，不能確保各手柄位功率

26、值均達(dá)到理想要求，特別給出，不能確保各手柄位功率值均達(dá)到理想要求，特別是低手柄位下功率值偏低；是低手柄位下功率值偏低；l動態(tài)性能較差，過渡過程時間長，對柴油機(jī)運(yùn)行不利；動態(tài)性能較差，過渡過程時間長，對柴油機(jī)運(yùn)行不利；l起動性能較差。起動性能較差。97電子恒功勵磁系統(tǒng)電子恒功勵磁系統(tǒng)n系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖輔助功率檢測輔助功率檢測98ND5機(jī)車機(jī)車CHEC電子恒功控制系統(tǒng)電子恒功控制系統(tǒng)CHEC：Constant Horsepower Electronic Control美國GE公司于上世紀(jì)七十年代開發(fā)的全電子化恒功控制系統(tǒng)n系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)特點(diǎn)：l采用大規(guī)模采用大規(guī)模集成模擬電路集成模擬電路，

27、實(shí)現(xiàn)了包括牽引工況恒功勵磁，電阻制動恒，實(shí)現(xiàn)了包括牽引工況恒功勵磁，電阻制動恒流恒勵磁及防空轉(zhuǎn)（防滑）等機(jī)車的流恒勵磁及防空轉(zhuǎn)（防滑）等機(jī)車的綜合控制綜合控制，改善了機(jī)車牽引性能，改善了機(jī)車牽引性能l系統(tǒng)以系統(tǒng)以牽引發(fā)電機(jī)恒功牽引發(fā)電機(jī)恒功為控制目標(biāo)，采用為控制目標(biāo)，采用勵磁機(jī)勵磁直接控制方式勵磁機(jī)勵磁直接控制方式，同，同時采用了時采用了斬波器斬波器作為勵磁調(diào)節(jié)執(zhí)行元件，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能作為勵磁調(diào)節(jié)執(zhí)行元件，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能l將柴油機(jī)廢氣將柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速、超速信號引入勵磁控制系統(tǒng)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速、超速信號引入勵磁控制系統(tǒng)，使司機(jī)，使司機(jī)提升手把位時，柴油機(jī)功率的提升

28、速度與與渦輪轉(zhuǎn)速提升手把位時，柴油機(jī)功率的提升速度與與渦輪轉(zhuǎn)速(柴油機(jī)空氣進(jìn)氣量）柴油機(jī)空氣進(jìn)氣量）有良好的配合，改善了柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)，同時也為柴油機(jī)運(yùn)行提供了有良好的配合，改善了柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)，同時也為柴油機(jī)運(yùn)行提供了簡單可靠的海拔高度補(bǔ)償和渦輪超速保護(hù)簡單可靠的海拔高度補(bǔ)償和渦輪超速保護(hù)a)設(shè)置有設(shè)置有“功率斜坡功率斜坡”單元，一方面使有效的功率給定和電流給定信號按單元，一方面使有效的功率給定和電流給定信號按一定的時間斜率上升，改善了機(jī)車的起動性能；另一方面與機(jī)車防空轉(zhuǎn)一定的時間斜率上升，改善了機(jī)車的起動性能；另一方面與機(jī)車防空轉(zhuǎn)檢測（檢測（SENTRY）等系統(tǒng)共同作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)車空轉(zhuǎn)快

29、速保護(hù)和粘著恢復(fù)）等系統(tǒng)共同作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)車空轉(zhuǎn)快速保護(hù)和粘著恢復(fù)后的功率控制，提高了機(jī)車的粘著利用并實(shí)現(xiàn)多參數(shù)綜合控制。后的功率控制，提高了機(jī)車的粘著利用并實(shí)現(xiàn)多參數(shù)綜合控制。99輔助功率檢測輔助功率檢測100組成電路原理簡圖組成電路原理簡圖101工作原理工作原理n給定單元給定單元6 產(chǎn)生產(chǎn)生8個手柄位下的功率個手柄位下的功率限流限流限壓給定信號：限壓給定信號：upg uig uug，極性，極性均取正，增益分別為：均取正，增益分別為：300kw/v 1000v/v 150A/v；n渦輪增壓器轉(zhuǎn)速檢測單元渦輪增壓器轉(zhuǎn)速檢測單元7 產(chǎn)生渦輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生渦輪轉(zhuǎn)速信號信號uw（極性為正）和渦輪超速信號（極

30、性為正）和渦輪超速信號uwc（極性：未超速時為（極性：未超速時為0，超速時為負(fù)）；，超速時為負(fù)）；n電流、電壓和功率檢測單元電流、電壓和功率檢測單元1、2和和3（乘法（乘法器）器） 產(chǎn)生牽引發(fā)電機(jī)實(shí)際電流、電壓和功產(chǎn)生牽引發(fā)電機(jī)實(shí)際電流、電壓和功率信號：率信號： uij uuj 和和upj ，極性分別取正、，極性分別取正、正和負(fù)，增益同單元正和負(fù)，增益同單元6；102n空轉(zhuǎn)檢測（空轉(zhuǎn)檢測（sentry）系統(tǒng)信號）系統(tǒng)信號 根據(jù)機(jī)車輪對間的轉(zhuǎn)速根據(jù)機(jī)車輪對間的轉(zhuǎn)速差和加速度及其變化情況產(chǎn)生生級輪對空轉(zhuǎn)信號：差和加速度及其變化情況產(chǎn)生生級輪對空轉(zhuǎn)信號：VL1、V2、VL3、VL4，其中后三者送入恒

31、功，其中后三者送入恒功勵磁控制系統(tǒng)（單元勵磁控制系統(tǒng)（單元8 8）；）；n“功率斜坡功率斜坡”單元單元8 upg uig uw upj 功調(diào)電功調(diào)電阻阻Rgt信號信號以及以及V2、VL3、VL4等等，進(jìn)入等等，進(jìn)入“功功率斜坡率斜坡”單元，產(chǎn)生經(jīng)修正后、起實(shí)際控制作用的功單元，產(chǎn)生經(jīng)修正后、起實(shí)際控制作用的功率和限流給定信號：率和限流給定信號： upg 和和 uig ,極性均為正；極性均為正；n比較及調(diào)節(jié)器運(yùn)算單元比較及調(diào)節(jié)器運(yùn)算單元9 9 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器F1F1（反相加法（反相加法器）、器）、F2F2（差分放大器）和（差分放大器）和F3 F3 （差分放大器）分別進(jìn)（差分放大器）分別進(jìn)行

32、如下行如下比例比例運(yùn)算（設(shè)各輸入電阻值相等）：運(yùn)算（設(shè)各輸入電阻值相等）：u1= -k1（ upg - upj - uwc ）u2= -k2（ u ig - uij ）u3= -k3（ uug - uuj ）調(diào)節(jié)器為比例放大器，因此系統(tǒng)是一個有靜差系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器為比例放大器，因此系統(tǒng)是一個有靜差系統(tǒng)，但當(dāng)增益但當(dāng)增益ki較大時，可使靜態(tài)誤差很小。較大時，可使靜態(tài)誤差很小。103n二極管二極管D1-D4 組成最大值選擇電路，將組成最大值選擇電路，將u1、u2和和u3種最大者輸出作為勵磁調(diào)節(jié)信號種最大者輸出作為勵磁調(diào)節(jié)信號ut；n晶體管斬波器晶體管斬波器4 ut（通常情況下（通常情況下ut0）和勵磁

33、電壓微分負(fù)反）和勵磁電壓微分負(fù)反饋信號作用于晶體管斬波器，對勵磁機(jī)的勵磁電壓進(jìn)行饋信號作用于晶體管斬波器，對勵磁機(jī)的勵磁電壓進(jìn)行“定定頻調(diào)寬頻調(diào)寬”調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)ut增大（偏差值增大（偏差值ug-uj減?。r，斬波器輸減?。r，斬波器輸出電壓脈沖寬度減小，勵磁機(jī)平均勵磁電壓值減小，使平均出電壓脈沖寬度減小，勵磁機(jī)平均勵磁電壓值減小，使平均勵磁電流減小；反之，則使平均勵磁電流增加；從而調(diào)節(jié)牽勵磁電流減??；反之，則使平均勵磁電流增加；從而調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵磁并使發(fā)電機(jī)按理想外特性要求輸出功率。引發(fā)電機(jī)勵磁并使發(fā)電機(jī)按理想外特性要求輸出功率。ut -1v時，斬波器輸出平均勵磁電流時，斬波器輸出平均勵

34、磁電流=0 -1v ut -2.8v時，調(diào)節(jié)平均勵磁電流時，調(diào)節(jié)平均勵磁電流02A（最大）（最大） ut upg司機(jī)提升手柄過渡過程時司機(jī)提升手柄過渡過程時 uw upg因此，在過渡過程中，柴油機(jī)功率將受因此，在過渡過程中，柴油機(jī)功率將受uw控制，控制，從而使柴油機(jī)功率與渦輪轉(zhuǎn)速有良好的配合。從而使柴油機(jī)功率與渦輪轉(zhuǎn)速有良好的配合。106107功率斜坡單元的作用功率斜坡單元的作用功率給定修正功率給定修正實(shí)現(xiàn)機(jī)車功率斜實(shí)現(xiàn)機(jī)車功率斜坡控制坡控制實(shí)現(xiàn)功調(diào)電阻的實(shí)現(xiàn)功調(diào)電阻的（減載）控制作（減載）控制作用，防止柴油機(jī)用，防止柴油機(jī)在過載情況下工在過載情況下工作作實(shí)現(xiàn)機(jī)車重聯(lián)運(yùn)實(shí)現(xiàn)機(jī)車重聯(lián)運(yùn)行時的功率

35、匹配行時的功率匹配108實(shí)施機(jī)車空轉(zhuǎn)保護(hù)控制作用實(shí)施機(jī)車空轉(zhuǎn)保護(hù)控制作用 V2：機(jī)車二級空轉(zhuǎn)信號（：機(jī)車二級空轉(zhuǎn)信號（010v模擬量），機(jī)車空模擬量），機(jī)車空轉(zhuǎn)輪對與不空轉(zhuǎn)輪對轉(zhuǎn)輪對與不空轉(zhuǎn)輪對的的轉(zhuǎn)速差。轉(zhuǎn)速差。 V2增加，則使增加，則使upg值相應(yīng)減小。值相應(yīng)減小。VL3：機(jī)車三級空轉(zhuǎn)信號（：機(jī)車三級空轉(zhuǎn)信號（+75v開關(guān)信號）。有效開關(guān)信號）。有效時，一方面使勵磁斬波器導(dǎo)通比變?yōu)榱悖瑺恳l(fā)電機(jī)時，一方面使勵磁斬波器導(dǎo)通比變?yōu)榱悖瑺恳l(fā)電機(jī)勵磁電流降為零。另一方面，勵磁電流降為零。另一方面， VL3每加入一次，經(jīng)每加入一次，經(jīng)0.5s延時后，延時后， upg 就相應(yīng)降低就相應(yīng)降低8.6%

36、；如；如VL3反復(fù)加反復(fù)加入，則入，則 upg 可持續(xù)降低。可持續(xù)降低。 當(dāng)當(dāng)VL3信號消失后，信號消失后， upg又按一定的斜率上升又按一定的斜率上升 （恢復(fù)功率）。（恢復(fù)功率）。VL4：機(jī)車四級空轉(zhuǎn)信號（機(jī)車四級空轉(zhuǎn)信號（+75v開關(guān)信號）。有效開關(guān)信號）。有效時，一方面使勵磁機(jī)他勵繞組接觸器斷開而使機(jī)車迅時，一方面使勵磁機(jī)他勵繞組接觸器斷開而使機(jī)車迅速卸載；另一方面，立即使速卸載；另一方面，立即使upg降低降低8.6% 。 實(shí)現(xiàn)有效電流給定信號實(shí)現(xiàn)有效電流給定信號uig的控制的控制正常情況下，正常情況下， uig = uig ；但當(dāng)機(jī)車有空轉(zhuǎn)信號；但當(dāng)機(jī)車有空轉(zhuǎn)信號（ V2、VL3、VL

37、4）加入時，加入時， uig將降低，控將降低，控制作用同上。制作用同上。109執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)-晶體管斬波器勵磁調(diào)節(jié)晶體管斬波器勵磁調(diào)節(jié) 斬波器電路110定頻調(diào)寬的調(diào)節(jié)作用定頻調(diào)寬的調(diào)節(jié)作用 UFL平均平均=(ton/T)U0UFLUFLUFL111牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流I IFL與調(diào)節(jié)信號的關(guān)系與調(diào)節(jié)信號的關(guān)系112機(jī)車牽引發(fā)電機(jī)車牽引發(fā)電機(jī)外特性機(jī)外特性113Microcomputer-based CHEC 微機(jī)控制恒功勵磁系統(tǒng)微機(jī)控制恒功勵磁系統(tǒng)n采用微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)采用微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)l易于實(shí)現(xiàn)多種信號的綜合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控易于實(shí)現(xiàn)多種信號的綜合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制

38、以制以及各種特殊規(guī)律控制要求（邏輯與數(shù)值運(yùn)算，最優(yōu)控制，及各種特殊規(guī)律控制要求（邏輯與數(shù)值運(yùn)算，最優(yōu)控制，高精度、高品質(zhì)、多功能控制等）高精度、高品質(zhì)、多功能控制等）l系統(tǒng)硬件向軟件轉(zhuǎn)化，控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)硬件向軟件轉(zhuǎn)化，控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，成本較低成本較低l經(jīng)合理設(shè)計，系統(tǒng)抗干擾性能提高，可靠性好經(jīng)合理設(shè)計，系統(tǒng)抗干擾性能提高，可靠性好l便于實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行參數(shù)的自動顯示、儲存及故障診斷與報便于實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行參數(shù)的自動顯示、儲存及故障診斷與報警警l便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的改進(jìn)、擴(kuò)展便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的改進(jìn)、擴(kuò)展l良好的通用性良好的通用性114微機(jī)控制系統(tǒng)幾個特殊的問題微機(jī)控制

39、系統(tǒng)幾個特殊的問題n微機(jī)系統(tǒng)與控制對象的信息交換形式微機(jī)系統(tǒng)與控制對象的信息交換形式開關(guān)信號開關(guān)信號模擬信號模擬信號數(shù)字量數(shù)字量n采樣周期采樣周期s是微機(jī)（采樣）控制系統(tǒng)十分重要的參數(shù)，通常根據(jù)被控對象的反是微機(jī)（采樣）控制系統(tǒng)十分重要的參數(shù)，通常根據(jù)被控對象的反應(yīng)快慢和動態(tài)性能要求來確定。一般應(yīng)使應(yīng)快慢和動態(tài)性能要求來確定。一般應(yīng)使s10c,其中其中 c為模擬為模擬控制系統(tǒng)中開環(huán)剪切頻率?？刂葡到y(tǒng)中開環(huán)剪切頻率。n抗干擾問題抗干擾問題微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計極為關(guān)鍵，通常采用的主要措施包括：微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計極為關(guān)鍵，通常采用的主要措施包括：硬件方面：硬件方面： 隔離，屏蔽，濾波，接地

40、處理技術(shù)等隔離，屏蔽，濾波，接地處理技術(shù)等軟件方面：軟件方面： 容錯設(shè)計，軟件濾波，容錯設(shè)計，軟件濾波，watch-dog技術(shù)等技術(shù)等115ND5機(jī)車微機(jī)車微機(jī)控制方案機(jī)控制方案硬件原理硬件原理框圖框圖116軟件117DF6機(jī)車微機(jī)控制恒功勵磁系統(tǒng)118東風(fēng)東風(fēng)11機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)簡介機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)簡介（參閱：戚墅堰機(jī)車車輛廠，東風(fēng)11內(nèi)燃機(jī)車 “電傳動系統(tǒng)” 分冊；中國鐵道出版社，1996）119120東風(fēng)東風(fēng)11機(jī)車微機(jī)控制機(jī)車微機(jī)控制l具有微機(jī)和聯(lián)合調(diào)速器控制兩套恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有微機(jī)和聯(lián)合調(diào)速器控制兩套恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)l微機(jī)控制恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)（消化吸收微機(jī)控制恒功調(diào)節(jié)系統(tǒng)（消化吸收ND5系統(tǒng)

41、系統(tǒng))通過斬波器直接對勵磁機(jī)勵磁進(jìn)行調(diào)節(jié)（切除測速發(fā)電機(jī)通過斬波器直接對勵磁機(jī)勵磁進(jìn)行調(diào)節(jié)（切除測速發(fā)電機(jī)CF1）高檔位（高檔位（7-16位）：發(fā)電機(jī)恒功率位）：發(fā)電機(jī)恒功率+輔助功率修正控制（通過功輔助功率修正控制（通過功調(diào)電阻位置信息對功率給定值進(jìn)行修正）；低檔位：只維持發(fā)調(diào)電阻位置信息對功率給定值進(jìn)行修正）；低檔位：只維持發(fā)電機(jī)功率恒定電機(jī)功率恒定功率、電流、電壓加減速率控制功率、電流、電壓加減速率控制l磁場削弱控制：磁場削弱控制：機(jī)車速度機(jī)車速度112km/h投入，投入，98km/h解除解除l電阻制動控制：電阻制動控制：高速恒制動電流，低速恒勵磁電流控制高速恒制動電流，低速恒勵磁電流控

42、制l空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)控制（類似滑行保護(hù)控制（類似ND5)l運(yùn)行狀態(tài)顯示、監(jiān)測與故障診斷運(yùn)行狀態(tài)顯示、監(jiān)測與故障診斷121東風(fēng)4（4D，4C，4B）機(jī)車微機(jī)恒功控制系統(tǒng)-LTQ-、勵磁調(diào)節(jié)器簡介（參閱內(nèi)燃機(jī)車1998 NO2）122123124125第第9講講126第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制四、內(nèi)燃機(jī)車電力傳動裝置參數(shù)四、內(nèi)燃機(jī)車電力傳動裝置參數(shù)1、衡量機(jī)車牽引性能的主要指標(biāo)、衡量機(jī)車牽引性能的主要指標(biāo)q機(jī)車最大起動牽引力機(jī)車最大起動牽引力FQmax-對應(yīng)牽引電機(jī)最大允許電流時的機(jī)車牽引力對應(yīng)牽引電機(jī)最大允許電流時的機(jī)車牽引力q機(jī)車持續(xù)牽引力機(jī)車持續(xù)牽引力Fc

43、-牽引電動機(jī)在全磁場持續(xù)電流工作時發(fā)揮的牽引力牽引電動機(jī)在全磁場持續(xù)電流工作時發(fā)揮的牽引力q機(jī)車持續(xù)速度機(jī)車持續(xù)速度Vc-機(jī)車發(fā)揮機(jī)車發(fā)揮Fc時的速度時的速度q機(jī)車恒功速度范圍及恒功最大速度機(jī)車恒功速度范圍及恒功最大速度Vpmax-Vpmax是指機(jī)車發(fā)揮滿功率時所能達(dá)到的最高恒功率運(yùn)行速度是指機(jī)車發(fā)揮滿功率時所能達(dá)到的最高恒功率運(yùn)行速度 機(jī)車恒功速度范圍有兩種概念：整個恒功速度范圍和持續(xù)運(yùn)行條件下機(jī)車恒功速度范圍有兩種概念：整個恒功速度范圍和持續(xù)運(yùn)行條件下 的恒功速度范圍。的恒功速度范圍。 后者通常用機(jī)車恒功調(diào)速比后者通常用機(jī)車恒功調(diào)速比Kpv來表示：來表示： Kpv=Vpmax/Vc （2-

44、31）q機(jī)車構(gòu)造速度機(jī)車構(gòu)造速度Vg-一般等于機(jī)車最大速度。一般等于機(jī)車最大速度。 機(jī)車最大調(diào)速比：機(jī)車最大調(diào)速比：Kv=Vg/Vc （2-32）127恒功率控制下的主要調(diào)節(jié)參數(shù)及優(yōu)化問題恒功率控制下的主要調(diào)節(jié)參數(shù)及優(yōu)化問題n由（由（3-31）式，機(jī)車恒功調(diào)速比：）式，機(jī)車恒功調(diào)速比：Kpv=Vpmax/Vc =(UFPmax/UFde)(ADde/ADmin)(Dde/Dpmin) =KpuKhK =(Kh)(Kpu)/(Kbhmin) (3-33)nn 式中：式中：Kh為主電路換接比；為主電路換接比；n Kpu為牽引發(fā)電機(jī)調(diào)壓比；為牽引發(fā)電機(jī)調(diào)壓比；n Kbh為牽引電動機(jī)飽和系數(shù)；為牽引電

45、動機(jī)飽和系數(shù)；n min 為牽引電動機(jī)最深磁場削弱系數(shù)。為牽引電動機(jī)最深磁場削弱系數(shù)。n主要調(diào)節(jié)參數(shù)的限制及選擇主要調(diào)節(jié)參數(shù)的限制及選擇-系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化問題系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化問題128牽引電機(jī)的容積功率及牽引電動機(jī)的通用問題牽引電機(jī)的容積功率及牽引電動機(jī)的通用問題n牽引發(fā)電機(jī)的容積功牽引發(fā)電機(jī)的容積功率率PFRPFR =UFPmaxIFde=(UFPmax/UFde) UFdeIFde= KpuPFde (3-34)129n牽引電動機(jī)的容積功率牽引電動機(jī)的容積功率PDR及通用性問題及通用性問題 牽引電動機(jī)可以在額定轉(zhuǎn)矩牽引電動機(jī)可以在額定轉(zhuǎn)矩MDe和最高允許轉(zhuǎn)速和最高允許轉(zhuǎn)速nDmax以下以下 持

46、續(xù)運(yùn)行持續(xù)運(yùn)行 。 容積功率：容積功率： PDR = MDenDmax/9550 （kw） = (nDmax/nDe) (MDenDe/9550) =KvPDe （3-35）式中：式中： Kv = (nDmax/nDe) -電機(jī)最大調(diào)速比。電機(jī)最大調(diào)速比。 通用性問題：通用性問題：保持保持 MDe和和nDmax不變，電機(jī)可以通用在不變，電機(jī)可以通用在PDe 以上或以上或 以下的任何功率等級以下的任何功率等級上，此時電機(jī)并非工作在過載或欠載狀態(tài)，其主要技術(shù)性能指標(biāo)同樣都上，此時電機(jī)并非工作在過載或欠載狀態(tài)，其主要技術(shù)性能指標(biāo)同樣都得到了充分利用。但當(dāng)提高額定功率得到了充分利用。但當(dāng)提高額定功率P

47、De使用時，必然要相應(yīng)提高額定轉(zhuǎn)使用時，必然要相應(yīng)提高額定轉(zhuǎn)速速nDe，從而必將使機(jī)車調(diào)速比，從而必將使機(jī)車調(diào)速比Kv減??；反之，當(dāng)降低額定功率減?。环粗?，當(dāng)降低額定功率PDe使用使用時，則可以使機(jī)車調(diào)速比增大。時，則可以使機(jī)車調(diào)速比增大。130PDR131第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制五、交五、交-直型電力機(jī)車傳動與控制系統(tǒng)直型電力機(jī)車傳動與控制系統(tǒng)n電力機(jī)車供電電力機(jī)車供電n主電路結(jié)構(gòu)與工作原理主電路結(jié)構(gòu)與工作原理n輔助電路輔助電路1.控制系統(tǒng)與控制特性控制系統(tǒng)與控制特性1321. 電力機(jī)車的供電電力機(jī)車的供電電網(wǎng)電網(wǎng) 直流供電直流供電 DC750v、DC15

48、00v（接觸網(wǎng)）（接觸網(wǎng)） 交流供電交流供電 50/60Hz、單相、單相25kv （直接供電、（直接供電、BT、AT、CC方式）方式）交直傳動電力機(jī)車交直傳動電力機(jī)車： 受電弓受電弓主變壓器主變壓器相控整流器相控整流器 平波電抗器（電感）平波電抗器（電感）（脈流）牽引電動機(jī)（脈流）牽引電動機(jī) 1331342.電力機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)與工作原理電力機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)與工作原理n牽引電動機(jī)供電及其連接方式牽引電動機(jī)供電及其連接方式q集中供電、牽引電動機(jī)并聯(lián)集中供電、牽引電動機(jī)并聯(lián)（SS1，SS3）q部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（SS4，6G）q部分集中供電、同

49、一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)串聯(lián)部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)串聯(lián)（8K）q部分集中供電、不同轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)部分集中供電、不同轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（6K）135a) 集中供電、牽引電動機(jī)并聯(lián)（集中供電、牽引電動機(jī)并聯(lián)（SS1，SS3）直流牽引電動機(jī)直流牽引電動機(jī)136 部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（SS4，6G）137c) 部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)串聯(lián)（部分集中供電、同一轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)串聯(lián)（8K）138d) 部分集中供電、不同轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（部分集中供電、不同轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)并聯(lián)（6K）139整流電路形式與工作原理整流電路形式

50、與工作原理n調(diào)壓開關(guān)調(diào)壓開關(guān)+二極管整流電路（二極管整流電路（SS1）n多段橋順序控制（半控或全控橋）電路多段橋順序控制（半控或全控橋）電路1401418K機(jī)車：機(jī)車：二段橋、無級二段橋、無級磁場削弱電路磁場削弱電路142 SS5機(jī)車：二段橋、無級磁場削弱電路機(jī)車：二段橋、無級磁場削弱電路143 SS4機(jī)車：三段不等分經(jīng)濟(jì)四段橋電路機(jī)車：三段不等分經(jīng)濟(jì)四段橋電路144 6K機(jī)車：三段橋、機(jī)車：三段橋、 復(fù)勵牽引電動機(jī)電路復(fù)勵牽引電動機(jī)電路145多段（半控）橋相控整流多段（半控）橋相控整流電路工作原理電路工作原理146單相單相 全控全控 和半和半控整控整流電流電路路147輸出平均直流電壓輸出平均

51、直流電壓全控整流平均輸出電壓：全控整流平均輸出電壓：Ud=Ud0cos(2-6-1)半控整流平均輸出電壓：半控整流平均輸出電壓：Ud=Ud0(1+cos)/2(2-6-2)式中：式中：為可控硅控制角為可控硅控制角Ud0為當(dāng)為當(dāng)為為0時的最大平均輸出電壓時的最大平均輸出電壓Ud0=(2/)UmUm 為輸入交流電壓最大值為輸入交流電壓最大值功率因數(shù)功率因數(shù)PF定義定義 PF=P(有功功率有功功率)/S(視在功率視在功率)=U1 1I1 1cos1 1/U1 1I全控全控 PF=(22/) cos(2-6-3)半控半控 PF=(2/)(1+ cos)/ (1- /) (2-6-4)半控整流半控整流P

52、F高于全控整流高于全控整流148 二段半控橋整流電路二段半控橋整流電路149第一段調(diào)壓區(qū)運(yùn)行第一段調(diào)壓區(qū)運(yùn)行 01， 2 =（第二段橋不開放）（第二段橋不開放）整流平均輸出電壓：整流平均輸出電壓：Ud=Ud0(1+cos1)/4(2-6-5) PF=(2 /)(1+ cos1)/ (1- 1/)(2-6-6)第二段調(diào)壓區(qū)運(yùn)行第二段調(diào)壓區(qū)運(yùn)行 02Fmax，輪軌間出現(xiàn)相對滑動，粘著狀，輪軌間出現(xiàn)相對滑動，粘著狀態(tài)被破壞態(tài)被破壞空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)n粘著控制目的粘著控制目的 在保證不發(fā)生空轉(zhuǎn)前提下，獲得最大的在保證不發(fā)生空轉(zhuǎn)前提下，獲得最大的粘著利用率，使機(jī)車能發(fā)揮最大平均牽引力粘著利用率，使機(jī)車能發(fā)揮最大平

53、均牽引力175 粘著控制方法粘著控制方法n校正型粘著控制方法校正型粘著控制方法傳統(tǒng)粘著控制方法傳統(tǒng)粘著控制方法 在檢測到空轉(zhuǎn)和滑行發(fā)生后，傳統(tǒng)粘著控制方法一般過程如下：在檢測到空轉(zhuǎn)和滑行發(fā)生后，傳統(tǒng)粘著控制方法一般過程如下： a.根據(jù)輪對間速度差，輪對加速度及加速度的變化率，檢測空轉(zhuǎn)或滑行的根據(jù)輪對間速度差，輪對加速度及加速度的變化率，檢測空轉(zhuǎn)或滑行的發(fā)生；發(fā)生； b. 根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行的程度，削減電機(jī)轉(zhuǎn)矩值并維持一定時間，以消除空根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行的程度，削減電機(jī)轉(zhuǎn)矩值并維持一定時間，以消除空轉(zhuǎn)或滑行；轉(zhuǎn)或滑行； c. 空轉(zhuǎn)或滑行恢復(fù)后，按一定時間常數(shù)指數(shù)規(guī)律逐漸增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直空轉(zhuǎn)或滑行恢復(fù)后，

54、按一定時間常數(shù)指數(shù)規(guī)律逐漸增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直至空轉(zhuǎn)或滑行前電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的至空轉(zhuǎn)或滑行前電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的80%，并在一定時間內(nèi)保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變；，并在一定時間內(nèi)保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變； e.如果在電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變的時間內(nèi)未發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，則在保持時間結(jié)束后，如果在電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變的時間內(nèi)未發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，則在保持時間結(jié)束后，按一定時間常數(shù)的指數(shù)規(guī)律繼續(xù)增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直至達(dá)到由司機(jī)手柄給按一定時間常數(shù)的指數(shù)規(guī)律繼續(xù)增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直至達(dá)到由司機(jī)手柄給出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值。如果再次發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，則按照（出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值。如果再次發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，則按照（b）處理。）處理。 由于傳統(tǒng)的校正型粘著控制方法一方面需要大幅度地削減

55、電機(jī)轉(zhuǎn)矩以由于傳統(tǒng)的校正型粘著控制方法一方面需要大幅度地削減電機(jī)轉(zhuǎn)矩以消除已經(jīng)發(fā)生的空轉(zhuǎn)或滑行，另一方面需要緩慢地增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩以防止消除已經(jīng)發(fā)生的空轉(zhuǎn)或滑行，另一方面需要緩慢地增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩以防止空轉(zhuǎn)或滑行的再次發(fā)生，這樣，粘著工作點(diǎn)常常遠(yuǎn)離粘著峰值點(diǎn)，粘著空轉(zhuǎn)或滑行的再次發(fā)生，這樣，粘著工作點(diǎn)常常遠(yuǎn)離粘著峰值點(diǎn)，粘著利用率因而一般較低。利用率因而一般較低。 176n基于粘著特性及蠕滑速度控制型基于粘著特性及蠕滑速度控制型現(xiàn)代粘著控現(xiàn)代粘著控制方法制方法 在現(xiàn)代機(jī)車控制中，粘著控制系統(tǒng)是機(jī)車傳動控制系統(tǒng)的一部在現(xiàn)代機(jī)車控制中，粘著控制系統(tǒng)是機(jī)車傳動控制系統(tǒng)的一部分，它的主要作用是在線路狀況變化不

56、定的情況下，通過對電機(jī)速分，它的主要作用是在線路狀況變化不定的情況下，通過對電機(jī)速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等信息的采集、分析和處理，結(jié)合由司機(jī)給出的電機(jī)度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等信息的采集、分析和處理，結(jié)合由司機(jī)給出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出正確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，使機(jī)車能夠轉(zhuǎn)矩指令，向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出正確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，使機(jī)車能夠以線路當(dāng)前最大的粘著系數(shù)運(yùn)行，從而獲得最大的粘著利用率。以線路當(dāng)前最大的粘著系數(shù)運(yùn)行，從而獲得最大的粘著利用率。 現(xiàn)代粘著控制方法的一個顯著特點(diǎn)是現(xiàn)代粘著控制方法的一個顯著特點(diǎn)是: 能夠自動搜尋粘著峰值能夠自動搜尋粘著峰值點(diǎn)，并使粘著工作點(diǎn)保持在粘著峰值點(diǎn)的附近，從而能夠獲得較高點(diǎn)，并

57、使粘著工作點(diǎn)保持在粘著峰值點(diǎn)的附近，從而能夠獲得較高的粘著利用率。的粘著利用率。根據(jù)搜尋粘著峰值點(diǎn)方法的不同，現(xiàn)代粘著控制方根據(jù)搜尋粘著峰值點(diǎn)方法的不同，現(xiàn)代粘著控制方法可以分為蠕滑速度法和粘著斜率法兩大類。法可以分為蠕滑速度法和粘著斜率法兩大類。 a. 蠕滑速度法蠕滑速度法 基于蠕滑速度的粘著控制方法原理是根據(jù)粘著特性曲線，基于蠕滑速度的粘著控制方法原理是根據(jù)粘著特性曲線，通過調(diào)節(jié)蠕滑速度，使其反復(fù)地增加和降低，從而自動通過調(diào)節(jié)蠕滑速度，使其反復(fù)地增加和降低，從而自動地搜尋粘著峰值點(diǎn)。地搜尋粘著峰值點(diǎn)。177b. 粘著斜率法粘著斜率法粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)法粘著系數(shù)導(dǎo)數(shù)法粘著斜率粘著斜率可表為：可表為

58、：值點(diǎn)的判斷和搜尋。值點(diǎn)的判斷和搜尋。據(jù)此，可完成對粘著峰據(jù)此，可完成對粘著峰量。和折算到動輪的轉(zhuǎn)動慣度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別為動輪半徑、角速和、式中，又，故但時，當(dāng)nDnDNSSSSSJMRdtdJMRFPFVVVdtdVdtddVd)(1,000max178 校正型粘著控制空轉(zhuǎn)檢測校正型粘著控制空轉(zhuǎn)檢測空轉(zhuǎn)發(fā)生時，空轉(zhuǎn)輪對及其相應(yīng)的主電路物理狀態(tài)將產(chǎn)生異?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時，空轉(zhuǎn)輪對及其相應(yīng)的主電路物理狀態(tài)將產(chǎn)生異常變化。按檢測的物理參數(shù)的不同可分為三種典型檢測電路：變化。按檢測的物理參數(shù)的不同可分為三種典型檢測電路：l檢測牽引電動機(jī)電壓信號的檢測電路檢測牽引電動機(jī)電壓信號的檢測電路空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)nEU （牽引

59、電動機(jī)串并聯(lián)連接方式）（牽引電動機(jī)串并聯(lián)連接方式）l檢測牽引電動機(jī)電流信號的檢測電路檢測牽引電動機(jī)電流信號的檢測電路空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)nEI I （牽引電動機(jī)并聯(lián)連接方式）（牽引電動機(jī)并聯(lián)連接方式） l檢測輪對轉(zhuǎn)速和角加速度信號等的檢測電路檢測輪對轉(zhuǎn)速和角加速度信號等的檢測電路空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)n 179 檢測牽引電動機(jī)電壓信號的檢測電路檢測牽引電動機(jī)電壓信號的檢測電路空轉(zhuǎn)信號電流：空轉(zhuǎn)信號電流：i =(U2-U1)/(2r+R) =Ce(n2-n1)/(2r+R)機(jī)車速度較低時，機(jī)車速度較低時，值值較大，檢測電路靈敏較大，檢測電路靈敏度較高。度較高。180 檢測牽引電動機(jī)電流信號的檢測電路檢測牽引電動機(jī)電流信號

60、的檢測電路空轉(zhuǎn)信號電流近似為：空轉(zhuǎn)信號電流近似為：i=RL(I IL4-I IL5)/r由串勵電動機(jī)的速率特性（軟特性）可知，在相同的轉(zhuǎn)速差下，由串勵電動機(jī)的速率特性（軟特性）可知，在相同的轉(zhuǎn)速差下，電機(jī)低速運(yùn)行時可以獲得較大的電流差，故此是檢測電路靈敏電機(jī)低速運(yùn)行時可以獲得較大的電流差，故此是檢測電路靈敏度較高。度較高。181 檢測輪對轉(zhuǎn)速和角加速度信號的檢測電路檢測輪對轉(zhuǎn)速和角加速度信號的檢測電路182ND5機(jī)車空轉(zhuǎn)檢測保護(hù)電路機(jī)車空轉(zhuǎn)檢測保護(hù)電路l脈沖轉(zhuǎn)速檢測（脈沖轉(zhuǎn)速檢測（f/v）l加速度檢測（轉(zhuǎn)速微分）加速度檢測（轉(zhuǎn)速微分）l輪徑自動校正（惰行狀態(tài)及輪徑自動校正（惰行狀態(tài)及V12km