内燃机车牵引变频调速控制系统设计

作者：太原科技大学 刘广朋

欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 摘 要：针对交流传动内燃作业机车的使用要求，设计了一套具有两种工作模式的牵引变频调速控制系统，即双车并联工作模式与单车独立工作模式。并对变频调速系统的主电路以及控制系统进行了设计与分析，最后对此系统进行了实验检测，达到了预期的性能要求。 关键词：变频调速系统，转矩，逆变器，转差频率 1 引言 针对铁路提速的需要，开发交流电传动工程作业机车是相当必要的。该车设计要求应具有两种运行方式：即高速、长距离牵引运行状态和超低速稳定作业运行状态。目前国内使用的工程作业机车，一方面没有采用交流电传动，另一方面都不具备这种性能要求。 2 牵引电机的特性 从电机原理中已知，异步电动机典型的转矩——转速特性。电机转子在同步转速时，转矩为0；当转差率很小时，转矩随速度的减小，即转差率的增加，近乎直线变化。当转差率S为正时，为电动转矩；转差率为负时，为制动（发电）转矩。转差率为转差频率（转子电流的频率）与定子电流频率f1之比： S = Δf / f1 (1) 异步电动机转子的旋转频率f2，如果能够测量计算出来，根据负载对转矩的需要，由电机的控制特性，便能找到其相应的转差频率Δf，则变频器输出的定子电流频率f1为： f1 = f2 ±Δf (2) 式中(2)的（ ）对应于电动牵引状态，即定子电流的频率f1大于转子旋转的频率f2；（-）对应于发电制动状态，此时转子旋转的频率f2大于定子电流的频率f1。[4] 图为变频牵引异步电动机额定转差频率Δf的特性曲线。该曲线可根据牵引异步电动机设计参数求出。该特性曲线作为转矩设定（转差频率Δf）的原始依据。在变频器——牵引电动机匹配实验时进行校正，在工程作业机车现场调试时，根据需要进行适当的调速。[1] 3 牵引变频调速控制系统的特点 3.1 变频牵引调速系统的控制方式 由于机车本身及所牵引的拖车重量较大，一般为大惯性负载，其启动/停车时间均较长，其转矩的响应时间无快速性要求。因此变频牵引调速采用转差频率控制，实现转矩的给定控制和转速转差闭环控制，完全能满足牵引控制的各种要求。[2] 3.2 牵引变频调速系统的工作模式 工程作业车在轨道上行驶作业，通常为“双车重联工作”。这样配置，一方面增加设备的可靠性；另一方面可适应不同的拖车载重和长大坡道、高速长距离之运行要求。 针对交流传动内燃作业机车设计以及使用方面的要求，牵引变频调速控制系统应按下述工作方式进行设计：[2] ⑴双车并联工作模式： 按转矩给定控制（转差频率Δf控制）方式工作； 高速长距离（重载长大坡道等）牵引运行。 ⑵单车独立工作模式： 按转速转差闭环或V/F开环频率控制方式工作； 低速稳定作业运行。 3.2.1 双车并联工作模式 控制系统计算牵引电动转子旋转中实际运转频率f2。如果此时电动机的转子只需跟着机车一块运行，只将转子运行频率f2作为牵引变频器的给出频率f1（定子绕组上施加的频率），即f1 = f2 。当需要施加一定的牵引力（电动转矩）时，控制系统只要将电动机转子此时运行的某一频率f2所对应的转差频率Δf′（Δf′/Δf = 实际转矩/额定转矩）与f2相加，即f1 = f2 Δf′，这样电动机便输出相应的转矩。通过机械传动机构，机车便得到相应的牵引力。为了给柴油发电机组一定的调节时间，牵引力/制动力的施加，要经过一个给定的斜坡时间予以缓冲。以这种方式进行转矩控制，牵引变频调速系统将十分稳定。[3] 结合上图如果转矩按（1～15）档进行控制（分档如按比例），即转差频率特性曲线有15条可供用户选用。 3.2.2 单车独立工作模式 在了解转矩给定方式工作原理之后，我们再来讨论转速转差闭环工作原理。在PWM计算方框的输入信号f2 同转矩给定控制方式中的f2一样，此处不赘述。速度调节器PI将Vg、Vf求差并进行PI运算，输出Δf值受Δf数据限幅，即当Δf值在额定值（Δf）以内，输出其实际值，超过额定的Δf时，限到f2频率对应的Δf值，即Δf不像转矩给定控制方式只有15条曲线，而是在牵引/制动工作区中有无数条任一的曲线。[3] V/F开环频率（转速）控制，即将速度信号直接作为牵引变频器的输出频率信号f1。当然V/F开环频率控制要将牵引控制所需的特性要求考虑进去，远非一般通用变频器就能胜任的。 4 牵引变频调速系统主电路设计 4.1 牵引变频调速系统的特殊要求 根据此变频调速系统应用场合的特殊性，因此主电路设计需要考虑一下几点因素： ⑴柴油发电机组供电系统低抗扰的突出性； ⑵牵引电动机供电要求的特殊性； ⑶牵引变流器免维护要求的必要性。[5] 4.2 牵引变频调速系统主电路分析 牵引变频调速系统主电路电路原理及操作控制主电路由：进线回路、整流器、预充电回路、滤波器、动能制动和逆变器等组成。其各部件功能简述如下：[6] ⑴进线回路 进线回路由刀开关K、进线电抗器Lp和熔断器RD组成，各电器元件的作用为： 刀开关K：将牵引变频调速系统（装置）与机车柴油—发电机组供电系统隔离。 进线电抗器Lp：使整流器交流出入电流连续平滑，减轻整流电路对柴油发电机组电网的干扰。 熔断器RD：对柴油发电机组提供保护。 ⑵整流器 由三只晶闸管和三只整流二极管组成三相桥半控整流电路。此处晶闸管不采用相控方式而用电平触发，即晶闸管工作时等效为一个整流二极管。 ⑶预充电电路 牵引变频调速系统，为“交—直—交电压型变频器”，中间支流电压环节由多个大容量的电解电容器串/并组成，以此来保护整流器和电容器不因大的充电电流而损坏。 预充电电路由三相桥式整流器ZL和充电限流电阻2R1、2组成。 ⑷滤波器 滤波器主要由多个大容量的电解电容器通过串/并联连接组成，用均压电阻1R1、2，进行强制均压，使串联电容器上的电压近乎一致。 此处滤波电容器的功能有三种：1. 将支流电压纹波滤平；2. 为异步电机提供无功电流；3. 为动能制动和逆变器中的全控型电力电子开关元件换流时，提供低阻通路。[3] ⑸动能制动回路 牵引电动机处于发电制动时，其输出电压与电流反向。在逆变器中，IGBT晶体管通过电流的时间，在一个输出频率周期时间内，小于其通过续流二极管电流的时间。借助二极管的作用，逆变器将电动机由负载动能转换来的电能，送到滤波电容器上。此能量又不能通过整流器回送到交流电网，结果电容器上的能量不断增加，电压不断增高，当电压达到一定值时（如700V），由控制系统开通下面的IGBT晶体管，这样直流电源的（ ）极通过放电制动电阻RB和开通的晶体管，与电源的（-）极接同，流过电流IB = Vdc / RB。释放电容器所储存的电能。逆变器不断回送电动机发出的电能，从而使机车产生一定的制动力。 ⑹逆变器 逆变器由6个IGBT晶体管开关和与1GBT反并联的6个快恢复续流二极管组成，以实现电流的双向流通。这个电路结构为二电平控制方式，借助PWM控制技术，实现电压/频率（V/F）协调控制（VVVF控制）。 当牵引异步电动机作电动牵引运行时，交流电动机定子绕组端的电压/电流同向（有一相角差），逆变器将直流电源的电能逆变为交流电能，对电动机供电。当牵引异步电动机作制动运行时，交流电动机定子绕组端的电压/电流反向（有一相位差），逆变器将电动机发出的交流电能，整流变为直流，回送到滤波电容器上。交流到直流的整流变换，其原理如⑸动能制动中所述。[2] 除了主电路各组成部分外还有辅助电源控制回路、信号检测元件以及控制系统弱电控制单元。 5 控制系统设计 控制系统采用INTEL公司16位单片机作为主控芯片，采用空间电压矢量波控制方式实现适于单机运行和多机联动的全数字式转差频率控制模式。 控制系统通过软件和硬件结合具有如下特点： ⑴低频（启动）大转矩； ⑵200%过载能力及软件反时限特性； ⑶为防止动态过电压、过电流增设自动失速控制； ⑷软件可选择的柔性PWM能耗制动； ⑸克服电网波动维持输出电压的自动电压控制（AVC）； ⑹防堵转限幅特性（挖土机特性）； ⑺适合坡道电停车或急电刹车自然转换的零制动功能； ⑻动态转速跟踪可保证系统在车辆运行中进行电投入； ⑼过载保护、峰值过电流保护、过热保护、欠压保护、缺相保护及故障记忆，故障自恢复功能； ⑽适于车辆重载牵引的S型加速曲线。 6 结论分析 此系统属于传动控制级。主整流器采用三相桥式半控整流电路；电机控制策略为矢量控制，这是一种高性能异步电机控制技术，动态响应速度快，稳态性能优良。谐波含量低。 内燃机车交流传动控制系统作为一个独立的整体完全可以满足工矿作业机车的性能要求，是满足国内国际市场需要的方向所在，具有较好的应用前景。 近几年，随着工矿机车使用增多，机车厂加大了对工程作业车的研制与开发。与机车厂的合作积累了不少牵引变频调速系统设计、制造、应用方面的技术和经验。相信今后随着合作的深入会研制开发出性能更高的牵引变频调速控制系统。 参考文献 [1] 曹国瑞．内燃机车电力传动[M]．北京，中国铁道出版社，1990 [2] 黄济荣．电力牵引交流传动与控制[M]．北京，机械工业出版社，1998 [3] 李华德．交流调速控制系统[M]．北京，电子工业出版社，2004 [4] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003 [5] 金 彪．大功率交流传动内燃机车电传动系统方案研究[D]．西南交通大学，2002，38-48 [6] 刁利军，刘志刚，沈茂盛，雷军．交流传动试验系统方案综述[J]．电气传动，2007，9：33-34(end)

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