交流傳動(dòng)機(jī)車的控制系統(tǒng).doc

學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考第三節(jié) 交流傳動(dòng)機(jī)車的控制系統(tǒng)對(duì)于鐵路牽引，要求傳動(dòng)系統(tǒng)按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率）運(yùn)行，同時(shí)又要不斷地進(jìn)行加速或減速。為了保證機(jī)車牽引系統(tǒng)有較高的靜態(tài)控制精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，機(jī)車上通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)在任何一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，速度和轉(zhuǎn)矩值通常被認(rèn)為是兩個(gè)重要的被調(diào)量?？刂妻D(zhuǎn)矩，有兩種方法：一種是由相關(guān)聯(lián)的其它物理量作為給定信號(hào)，并檢測(cè)這些量的實(shí)際值作為反饋信號(hào)（如電壓、定子電流和轉(zhuǎn)差頻率），來有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；另一種是利用檢測(cè)的或計(jì)算的轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)，與給定的轉(zhuǎn)矩作比較，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，來直接控制傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩。前者已廣泛的應(yīng)用在各種交流傳動(dòng)機(jī)車和動(dòng)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(jīng)在機(jī)車上采用。交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過近十多年來的發(fā)展，出現(xiàn)了許多形式，例如，電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，諧振型變頻調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)等。一、轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)目前，在鐵路牽引的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，大都采用脈寬調(diào)制（PwM）逆變器，這種逆變器的特點(diǎn)在于：當(dāng)控制系統(tǒng)給定電壓*和頻率*時(shí)，PWM信號(hào)生成單元控制逆變器的輸出總能保證電動(dòng)機(jī)氣隙磁通*接近恒值，這就滿足了關(guān)于恒磁通控制的要求。根據(jù)*，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)按照要求的運(yùn)行方式控制力矩。如圖*所示的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，是已經(jīng)在一些機(jī)車和動(dòng)車組上采用的實(shí)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(zhuǎn)差閉環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。從司機(jī)室送出的給定轉(zhuǎn)矩*信號(hào)，一路通過*函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生給定的轉(zhuǎn)差頻率*，它與反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)*相加得*（牽引）或想減得*（再生制動(dòng)），確定了逆變器輸出電壓頻率?？紤]到恒轉(zhuǎn)矩對(duì)磁通*的要求，系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器，其函數(shù)關(guān)系為，*是考慮零速度附近對(duì)定子繞組壓降的補(bǔ)償。給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)*的另一路經(jīng)過電流函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流給定信號(hào)*，與實(shí)際測(cè)得的電流比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器得偏信號(hào)*，和*合成后得電壓控制信號(hào)*。取*，其中*反映電流反饋控制的影響。當(dāng)實(shí)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(guān)系調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)差頻率控制除應(yīng)用于電壓源逆變器傳動(dòng)系統(tǒng)外，還較多地用于電流源逆變器傳動(dòng)系統(tǒng)。電流源轉(zhuǎn)差頻率控制的運(yùn)行方式與電壓源相同，即：從零速度到額定速度為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)；在額定速度以上，電機(jī)端電壓保持恒定，進(jìn)入恒功運(yùn)行區(qū)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，其先決條件是磁通恒定，或者說需要激磁電流Im恒定。但I(xiàn)m不是一個(gè)獨(dú)立變量，它與定子電流11與轉(zhuǎn)差頻率*之間存在一定函數(shù)關(guān)系。 圖*所示是采用轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制的電流控制的電流源異步電機(jī)傳動(dòng)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?yàn)?與*成正比，所以*和*之間存在與*和*之間類似的函數(shù)關(guān)系。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)經(jīng)速度調(diào)節(jié)器和絕對(duì)值電路處理，產(chǎn)生電流給定信號(hào)。電流反饋信號(hào)，一路追蹤，并經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后去控制系統(tǒng)電流；另一路由人函數(shù)發(fā)生器得出轉(zhuǎn)差頻率絕對(duì)值，由*加轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，得頻率控制信號(hào)*。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)為正時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率有正符號(hào)，系統(tǒng)處于牽引狀態(tài)；反之，轉(zhuǎn)差頻率為負(fù)符號(hào)，系統(tǒng)處于制動(dòng)狀態(tài)二、矢量控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)以交流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)的傳動(dòng)單元，關(guān)鍵是電磁力矩的產(chǎn)生與控制，前述的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)，就是根據(jù)電壓（或電流）和轉(zhuǎn)差來控制電磁力矩的。但轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻系統(tǒng)，其控制方式是建立在異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，其動(dòng)態(tài)性能不夠理想。隨著現(xiàn)代控制理論及控制技術(shù)的發(fā)展，一種模仿直流電機(jī)控制的矢量控制系統(tǒng)取得了重大的進(jìn)展，并已在許多變頻調(diào)速系統(tǒng)、鐵路干線機(jī)車（如西班牙的5252機(jī)車）和高速動(dòng)車（如德國的IcE動(dòng)車）上得到應(yīng)用。在圖4一18所示的控制系統(tǒng)中，通過轉(zhuǎn)速傳感器將電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)田檢測(cè)出來與給定轉(zhuǎn)速信號(hào)礦進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)山經(jīng)速度調(diào)節(jié)器sR產(chǎn)生力矩給定值T，而轉(zhuǎn)速信號(hào)山送到磁通函數(shù)發(fā)生器必F，該發(fā)生器在基速以下提供恒定的轉(zhuǎn)子磁化電流給定值（恒力矩運(yùn)行區(qū)），在超過基速后實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)削弱（恒功率運(yùn)行區(qū)）。由給定力矩T和給定轉(zhuǎn)子磁鏈擴(kuò)通過磁鏈觀察器平M計(jì)算出給定電流弓，、瓜1和給定轉(zhuǎn)差角頻率礦，與實(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)山相加得定子角頻率信號(hào)山：，經(jīng)積分得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和靜坐標(biāo)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(zhuǎn)器VR后，可得*，再經(jīng)“2/3”坐標(biāo)變換，得*，與通過電流互感器檢測(cè)的三相定子電流*進(jìn)行比較，偏差信號(hào)*作為PWM逆變器的三相控制信號(hào)。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(chǔ)上發(fā)展起來的，它解決了矢量控制系統(tǒng)中需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換和控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制是目前最先進(jìn)的高性能交流控制策略之一。該方法是直接在電機(jī)定子側(cè)計(jì)算磁鏈樹和力矩T，借助兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（BarD一BanD控制）產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，把磁鏈和力矩控制在某一給定的容差內(nèi)。該控制系統(tǒng)線路簡(jiǎn)單，有最佳的開關(guān)頻率和最小的開關(guān)損耗，并能獲得良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能，所以電力機(jī)車常采用這種系統(tǒng)。1直接轉(zhuǎn)矩控制的原理異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論是建立在異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程上的。當(dāng)忽略空轉(zhuǎn)阻力矩時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為式，T為電磁轉(zhuǎn)矩，*為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，*為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（*，D為轉(zhuǎn)子直徑，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。根據(jù)上式，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。而*（*為定子磁鏈，它是磁通*與定子匝數(shù)*的乘積，即*；*為定子電流；K為常數(shù)），故在定子磁鏈不變的情況下，調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩可以通過調(diào)節(jié)定子電流來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)定子電流可以通過調(diào)節(jié)定子電壓來實(shí)現(xiàn)。綜上所述，在保持定子磁鏈不變的情況下，通過調(diào)節(jié)定子電壓即可調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2直接轉(zhuǎn)矩控制交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理圖4一19所示為直接轉(zhuǎn)矩控制交直交變頻調(diào)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(wǎng)單相交流電經(jīng)主斷路器送入變壓器主繞組，經(jīng)降壓從二次側(cè)輸出單相頻率不變的交流電，經(jīng)整流器整流成直流電，再由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，輸送給三相異步牽引電動(dòng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)的工作原理是：三相異步牽引電動(dòng)機(jī)經(jīng)3/2變換，轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟涣麟姍C(jī)，由電流互感器檢測(cè)出兩相電流*，和*，由電壓互敢器檢測(cè)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(jìn)行比較，輸出差值信號(hào)*，經(jīng)磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)后送入開關(guān)狀態(tài)選擇*和*；經(jīng)轉(zhuǎn)矩模型輸出轉(zhuǎn)矩T，給定轉(zhuǎn)速成與經(jīng)過轉(zhuǎn)速傳感器TG檢測(cè)出來的轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速山進(jìn)行比較，輸出的轉(zhuǎn)速差值信號(hào)。經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩給定信號(hào)T,T與T進(jìn)行比較，輸出轉(zhuǎn)矩差值信號(hào)T，經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)后送入開關(guān)狀態(tài)選擇，最后由開關(guān)狀態(tài)選擇去控制逆變器中功率開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)電壓矢量的大小達(dá)到調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。圖4一19直接轉(zhuǎn)矩控制交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖直接轉(zhuǎn)矩控制的核心思想是通過不同時(shí)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(yùn)行并控制其旋轉(zhuǎn)速度（請(qǐng)讀者參閱有關(guān)資料），在機(jī)車控制級(jí)的控制下，即可按直接轉(zhuǎn)矩控制的思想控制牽引電動(dòng)機(jī)的輸出力矩，使機(jī)車獲得預(yù)期的牽引特性。 目前，直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)成功地應(yīng)用于奧地利的1822型和瑞士的460型電力機(jī)車。國產(chǎn)*型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車也采用了直接轉(zhuǎn)矩控制方式。四、交流傳動(dòng)電力機(jī)車的控制系統(tǒng)Ac4o00交流傳動(dòng)電力機(jī)車有兩套獨(dú)立的電子控制裝置，具有機(jī)車級(jí)控制、四象限變流器控制、異步牽引電機(jī)環(huán)控制、速度閉環(huán)和逆變器控制、系統(tǒng)保護(hù)等功能，圖4一20機(jī)車控制原理圖1機(jī)車級(jí)控制機(jī)車級(jí)控制包括電平轉(zhuǎn)換、解鎖邏輯、特性控制及防空轉(zhuǎn)控制?？紤]到機(jī)車控制系統(tǒng)系統(tǒng)化、系列化的要求，機(jī)車級(jí)控制采用了MICAS微機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4一21所示。其軟件功能包括機(jī)車特性控制、防空轉(zhuǎn)控制、電機(jī)損耗估算和邏輯解鎖。特性控制單元接收到司機(jī)操作臺(tái)送出的手柄信號(hào)后，按機(jī)車特性的要求以及機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成力矩給定值姨。司機(jī)操作臺(tái)送出的開關(guān)命令信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)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(diào)制等功能單元，命令各功能單元按指令工作。解鎖裸機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)車有觸點(diǎn)控制與電子控制裝置的邏輯接口，依據(jù)機(jī)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(jī)車牽引時(shí)，四象限變流器把50Hz電網(wǎng)電壓變換成直流電壓供給牽引逆變器；制動(dòng)時(shí)，把中間直流電壓逆變成50Hz交流電壓反饋給電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是使中間直流回路電壓恒定為2800v，并使輸入電流與網(wǎng)壓同相（牽引時(shí)）或反相（再生制動(dòng)時(shí)）。控制原理框圖見圖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(wǎng)電流的諧波分量，機(jī)車上的4臺(tái)四象限變流器相位依次相互錯(cuò)開90”。再生制動(dòng)時(shí)，上述作用方式?jīng)]有什么變化，只是因?yàn)槟芰勘仨毞答伒诫娋W(wǎng)，所以電壓調(diào)節(jié)器的輸出最終是負(fù)值。3牽引電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)20世紀(jì)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(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于交流電傳動(dòng)機(jī)車異步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。但高動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)需要有高響應(yīng)速度的變流裝置及高速信號(hào)處理器。限于相關(guān)元器件的國產(chǎn)化水平并借鑒某些成熟的控制技術(shù)，我國生產(chǎn)的第一臺(tái)AC4000型交流電力機(jī)車采用轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)一乘法器；一功率調(diào)節(jié)器；O一加法器；一轉(zhuǎn)差函數(shù)發(fā)生器；一電流函數(shù)發(fā)生器；一空載電壓生成環(huán)節(jié)；一電流調(diào)節(jié)器；一電流信號(hào)處理環(huán)節(jié)從該控制結(jié)構(gòu)的基本特征來看，這是一種采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的損耗，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)功率閉環(huán)。 從系統(tǒng)的控制功能和信號(hào)妙理過程來看，該系統(tǒng)實(shí)際上包含兩個(gè)部分：系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)；電機(jī)速度信號(hào)的檢測(cè)與處理。其工作原理簡(jiǎn)要說明如下：(l）系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。如圖4一23所示，由特性控制單元（來自司機(jī)控制臺(tái)）的給定力矩信號(hào)峽與電機(jī)速度反饋信號(hào)尤相乘，得出電動(dòng)機(jī)的給定輸出功率，加上逆變器和電機(jī)損耗設(shè)定值護(hù)后，得到送入電機(jī)的功率給定值*，所得結(jié)果與中間回路實(shí)際反饋功率幾比較，送到功率調(diào)節(jié)器PI，調(diào)節(jié)器的輸出和力矩給定值姨相乘，對(duì)力矩給定值進(jìn)行修正，得到電機(jī)力矩的給定值M。系統(tǒng)中的單元為轉(zhuǎn)差函數(shù)發(fā)生器，根據(jù)力矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)生成轉(zhuǎn)差頻率信號(hào)fz,fz和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)石疊加后，得到逆變器輸出電壓的頻率信號(hào)*；單元為電流函數(shù)發(fā)生器，根據(jù)力矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)生成電流給定值信號(hào)萬，將實(shí)際值*和*一起送入電流調(diào)節(jié)器單元，其輸出磯可作為電機(jī)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)信號(hào)。根據(jù)控制方式的要求，系統(tǒng)設(shè)置了電壓頻率比函數(shù)發(fā)生器，由頻率信號(hào)廠可得到電壓調(diào)節(jié)量信號(hào)Ul。，然后*和Ul。通過加權(quán)相加得到電機(jī)電壓控制信號(hào)ul。最后將廠和可送入逆變器的控制單元，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差一電流閉環(huán)控制的運(yùn)行功能。(2）速度信號(hào)的檢測(cè)與處理。在轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)速度信號(hào)是一個(gè)關(guān)鍵的量，要求采用高精度和高分辨率的檢測(cè)裝置。目前普遍采用的是速度脈沖傳感器。在AC4000型交流機(jī)車上，每臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)的非傳動(dòng)軸端安裝一臺(tái)速度脈沖傳感器，每臺(tái)傳感器由2個(gè)相位差90”的探頭來接收電壓脈沖信號(hào)，探頭的相位比較是用來判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的。圖4一24所示是對(duì)應(yīng)于機(jī)車一個(gè)轉(zhuǎn)向架的速度信號(hào)檢測(cè)與處理裝置的原理框圖。信號(hào)經(jīng)脈沖整形環(huán)節(jié)得到兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率（轉(zhuǎn)速）值人，和八：。正常運(yùn)行時(shí)，兩路速度信號(hào)經(jīng)取最大（制動(dòng)工況）和最?。恳r）環(huán)節(jié)得到速度反饋信號(hào)人，取最大和最小運(yùn)算處理是為了抑制軸向架發(fā)生單軸滑行和空轉(zhuǎn)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)交流機(jī)車采用轉(zhuǎn)差頻率控