第五章交流传动机车控制系统

第五章

交流传动机车控制系统

第一节

交流传动机车主电路

主要内容

交流传动机车发展综述交流传动机车主电路的组成交流传动机车的技术分类交流传动机车牵引特性典型交流传动机车主电路工作原理交流传动机车新技术及其发展方向

一、交流传动机车发展综述

运输的需求

各种限制

交流传动机车发展

交流电机的特点

科学技术的发展


运输的需求

各种限制




安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。


运输的需求

各种限制





地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等


运输的需求

各种限制






单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等


运输的需求

各种限制







电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等


运输的需求

各种限制







电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等

满足运输的需求充分利用新技术利用新材料采用新工艺

二、交流传动机车的主要组成

动力制动模块

空气系统模块

辅助变频器

主变频器及电机驱动模块

通讯模块

电子设备

– 牵引变频器 • 逆变器 ( 电流源型、电压源型、 PMW)

– 电机• 同步电机、异步电机

– 设备与功率器件

交流传动系统主电路

变速箱0,98

异步电机0,95

逆变器0,99

整流器0,98

牵引变压器0,94

1000kW

1020kW1074kW1085kW1107kW

25000V

交直与交流传动机车主电路比较

变速箱

异步电机

逆变器整流器

牵引变压器

1085kW

25000V

变速箱

直流电机

整流器

牵引变压器

25000V

滤波电抗器

励磁绕组

交直传动机车主电路

交流传动机车主电路

三、交流传动机车的技术分类

核心层技术

辅助层技术

相关层技术

牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术


核心层技术

辅助层技术

相关层技术


冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术


核心层技术

辅助层技术

相关层技术


冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术

司机台操纵技术、车体轻量化技术转向架技术、空气制动技术高压测检测技术

本讲课要解决的问题

1 变频调速异步电机如何控制能满足机车牵引的要求？

2 牵引逆变器如何控制能满足牵引电机对机车牵引的要求？

机车牵引特性有哪些要求？

四、机车牵引特性

机车牵引特性要求：

1 、能产生足够大的牵引力2 、能方便广泛调节速度

3 、有较高的过载能力

4 、充分发挥机车功率

5 、先进的经济技术指标

交流电机（异步）的矩速特性

22

1

cos

)1(60

ICM

sp

fn

mM

关键问题：

?

1 、异步电机变频调速特性分析

（ 1 ）变频调速时异步电机参数变化为：

constrr

fX

fX

fX

m

,21

1

12

11

、

（ 2 ）用表示的力矩公式 MslffU 、、 11

2

21

22111

2

22112

211

222

1

1

)(

/

2

rf

xrfxxxx

rf

fr

rxf

f

UpmM

slm

sl

msl

0sldf

dM2

2212

22112

211

2121

)()( xrxxx

xrrff

m

m

2221

22211

22

211

21

1

1

2

1

1

)()(22

xrxxxx

xrr

f

f

UpmM

mm

m

2

222

111

2

22112

21

22

1

2

1

1

)(1

/

2

xr

rxxxx

rr

rxf

f

UpmM

m

mq

恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线

（ 3 ）用表示的力矩公式slffE 、、 11

22

22

2

2

1

1

)2(2 Lfr

rf

f

EpmM

sl

sl

2

2

2 L

rfm

2

2

1

1

4

1

2 Lf

EpmM m

)/()/(

2

slmmslm ffffM

M

结论：当

constf

constM

ffM sl

max

max

)( constMconstf sl ,

constf

E

1

1

3 、机车牵引中异步电机的运行特性

（ 1 ）恒力矩起动 ① 采用恒压频比控制低频时适当提高电压，抵消定

子绕组内阻的影响。 ② 采用恒磁通控制

电机各参数与频率的关系：

constI

constM

constfconstM

fE

UfU

sl

1

max

11

111

)(

)(低频

2211

cos2

IEf

mpM

22

22

22

)/(

/cos

xsr

sr

2112

IEf

mpM

22

22

12

)/( xsr

EI

fr

fE

r

sEI sl

2

1

2

12

slff

U

r

mpM

2

1

1

22

1

211 f

fKUMf sl

(2) 恒功率运行

consts

constU1

恒功率 1 ：

slff

UKP

1

21

constf

constf

U

sl

1

21

恒功率 2 ：

第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机

consts

constU1

恒功率 1 ：

第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机

consts

constf

U

1

1

恒功率 2 ：

MSHACOND

Courant

MASHACOND

Courant

PM

PC

TGV-ATGV-R/2NAVEPBKATGV-Corée

EuroStar

Loc BB26000

EMU Z2NEMU UT450EMU MI2N

Loc BB36000EMU Séoul

PM

PC

Les convertisseurs d'entrée

Les convertisseurs moteurs

4 Q

HAC

MAS

ONDTension

ONDCourant

Synchrone

ONDCourant

Asynchrone

ONDTension

Asynchrone

MS

OndCourant

PMouPC

MASPMPMOND

Tension

Asynchrone

Asynchrone

Synchrone

Synchrone

Asynchrone

PM: pont mixte PC: pont complet HAC: hacheur 4 Q: pont 4 quadrants

Arlanda

Taiwan Push-Pull

PMCF

五、典型交流传动机车主电路工作

法国 TGV 、西班牙 AVE 机车主电路

（同步电机）

励磁

韩国 TGV 机车主电路（同步电机）

励磁

电流型逆变器 ( 异步电机 )

GTO 电压型逆变器 ( 欧洲之星 TGV )

每一个动车一台逆变器，同时为 4 台异步电机供电

典型的地铁牵引变频器

MAC

MAC

MAC

MAC

MRE_2563_FR B

H(O-M)DJ(M)

CA

2(I)

TF

P

H(O-C)

DJ(C)

OND

CA

2(I)

-ON

DC

A1(

I)-O

ND

M1

PT2(15kV DB)

PT1(25kV &

15kV CFF)

TF

I-Q

L(M

)

SF-FI-50

C(IS)FI-50

CAP-FI-50

H3-FI

RH

C(IS)PMCF1

C(IS)E(C)

R(PC)E(C)

C(PC)E(C)

CVS-AUX sur essieux 1 et 3

C(IS)PMCF2

Essieu 4

Essieu 3

Essieu 2

3 x

1 m

F

x 3

C(PC)FI-50

H(O-15)

Palpage avecéclateur

PF(C)

R(PC)FI-50

PF(M)

E-TFP

CA(I)DIFF

CA(U)EC

CA

(U)P

MC

F

3 x 1,33 mF

CA

P-O

ND

CC-FI-50

CA

2(I)

PM

CF

SF1-HACH

SF2-HACH

H-INV-CONT

H-INV-15 H-15

H-CONT CA

(I)R

H

R(D

C)C

AP

-ON

D

CAP-2F

R(D

C)C

AP

-2F

OND-RHPMCF

C(PC)PMCF R(PC)PMCF

Option "Filtre 50Hz"

Options non représentées :

- Chauffage

PT4(1,5kV &

3kV SNCB)

Nota sur les pantographes pour le fonctionnement sous 3kV :

- Sur le démonstrateur, en configuration 3 pantographes, onutilisera uniquement le pantographe 3 (PT3) avec un archet adaptéaux essais réalisés

H2-FI

H1-FI

SF1-FI

SF2-FI

CA

1(I)

TF

P

TF

I-50

R(DC)CAP-FI-50

7,2 mH

7,2 mH

2,835 mH

2,835 mH

10 mH

1 mF

PT3(3kV FS)

CA

1(I)

PM

CF

50

50

50

3,7

适用于 4 种电压供电的机车牵引变频器 (~25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV)

DJ(C)

DJ(M)Ecrêteur

C(ALI)FI R(ALI)FI

SF1-FI

SF2-FIH-FI-XX

SF-FI-XX

CAP-FI-XX

} X 3

=~

380 V~

M1

AUX

PMCF OND

C(PC)PMCF R(PC)PMCF

CA

P-P

MC

F

CA

P-O

ND

RH

1

CA(I)PMCF

CA(U)PMCF CA(U)OND

FTR - 17/08/1998Rev E - Page 2

Palpage

H(O-M)

CA

(U)1/2-O

ND

H(O-C)

CA

1(I)TF

P

CA

2(I)TF

P

CA

(U)1/3-O

ND

CA

(I)1-ON

DC

A(I)2-O

ND

Q1L(M)

H-2F C(IS)E(C)

SF

2-2F-F

IS

F1-2F

-FI

H4-PMCFC(PC)E(C) R(PC)E(C)CAP-2F

C(PC)PMCF

牵引变频器 3 种电压供电的机车 (~25Kv/15kV, =1,5kV)

六、交流传动机车新技术

大功率电力电子器件交流电机驱动控制规则与控制理论列车网络技术列车控制系统软件 e 化列车（ eTrain ） eTrain 监控系统音频系统车地通讯新技术典型的司机室无线通讯技术

第二节

异步电动机变频调速控制系统

变频调速控制系统

原理图常规交－直－交变频器

象限脉冲整流器电力机车整流部分为四图交－直－交变频器原理PWM

引言

直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。

好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。

为了实现电压 -频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。

转速开环型控制系统

电压 /频率比控制是控制定子电压和定子频率，使定子电压以一定的函数关系跟踪定子频率的变化，从而在调频调速过程中近似地保持电机气隙磁通不变的一种控制方法。

中间直流电压可调的电压型逆变器－异步电机变频调速系统控制电路由基准部分、整流器控制部分和逆变器控制部分组成。

1

M

脉冲放大器

相位控制器

电压调节器

脉冲放大器

脉冲分配器

电压－频率变换器

绝对值变换器

输入限制器

速度给定

正反转控制器

逆变器控制部分

整流器控制部分

基准部分

中间直流电压可调的电压型六拍逆变器－异步电机变频调速系统的电压/频率比控制系统框图

可控整流器六拍逆变器异步电机

~电源

电流比较器

电流调节器

电压比较器

电流检测器

电压检测器

1、基准部分2、整流器控制部分3、逆变器控制部分

电压 /频率比控制，无法控制异步电机的转差频率，对于多台电动机由同一台逆变器供电的情况，各台异步电机的转差频率一般是不同的，即使同一台异步电机，转差频率的大小也是随负载的大小而变化的。是一种频率（转速）的开环控制，并不能对电机的转速进行精确的控制。


如果变频调速系统长期处于稳定运行状态而不需要频繁起动和制动；或者负载特性比较固定，基本上不需要因电机特性差异而进行调整的一类负载（风机、水泵等节能调速），可以采用电压闭环、转速开环的控制系统。


电压 /频率比控制时的各种稳态运行特性通常是以转差频率为恒坐标给出的。

,

( , )

( , )

( , )

s s sl

r s sl

s sl

s sl

I f f f

I f f f

P f f f

Q f f f

（）

),(

),(

),(

),(cos

slsrM

slssM

sls

sls

fff

fff

fffT

fff

电压 /频率比控制稳态特性


xlge

压/频比控制下的各种稳态运行特性都是定子频率和转差频率的函数。

6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统—— 通用变频器 - 异步电动机调速系统

概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快

速全控开关器件 IGBT 或功率模块 IPM 组成的PWM 逆变器，构成交 -直 -交电压源型变压变频器，已经占领了全世界 0.5~500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

所谓“通用”，包含着两方面的含义：（ 1 ）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（ 2 ）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同

性质的负载。下页图绘出了一种典型的数字控制通用变频器 -

异步电动机调速系统原理图。

1. 系统组成

M3~

电压检测

泵升限制

电流检测

温度检测

电流检测

单片机

显示

设定

接口PWM

发生器驱动电路

~

UR UIR0 R1

R2

Rb

VTb

K

R0 R1 Rb

R2

2. 电路分析

主电路——由二极管整流器 UR、 PWM 逆变器UI 和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容 C 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。

主电路（续）

限流电阻：为了避免大电容 C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关 K 将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。

主电路（续）

泵升限制电路——由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容 C 充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。

二极管整流电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。

为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM 变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。

电路分析（续）

控制电路——现代 PWM 变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号。微机芯片主要采用 8 位或 16 位的单片机，或用 32 位的DSP ，现在已有应用 RISC 的产品出现。

控制电路（续）

PWM 信号产生——可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的 PWM 生成电路芯片。

检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入 A/D 转换器，输入给 CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。


信号设定——需要设定的控制信息主要有： U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器 -异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第6.2.2 节），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。

补偿方法

实现补偿的方法有两种：– 一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的 U / f 函

数，由用户根据需要选择最佳特性；– 另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直

流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。


给定积分——由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。

综上所述， PWM 变压变频器的基本控制作用如下页图所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。


t f

f * uf

u

斜坡函数 U / f 曲线脉冲发生器

驱动电路

工作频率设定

升降速时间设定电压补偿设定 PWM 产生

图 6-39 PWM 变压变频器的基本控制作用

转速闭环、转差频率控制系统为克服 U/f 恒定的转速开环变频调速系统的缺点，提高

调速系统的稳态精度和动态性能，可采用转速闭环的变频调速系统，由电力传动系统的运动方程

可知，转速的控制可通过对电动机电磁转矩 T 控制来实现，基于此思路，提出了转差频率控制方式。

Lp

J dwT T

n dt

转差频率控制的基本原理

2X

sR /2

mX

1R1X

1u21 EE

1I 2I

Equivalent circuit of induction motor

mI

由三相电机一相等值电路图可知，转子电流为

定子感应电动势为

式中，

12

2 222( )

EI

RX

s

1 1 1 1

1

4.44 N m

e m

E f N k

K w

1 11 1

4.44, 2

2N

e

N kK w f

)1(

)2(



又因为转差角频率将（ 2 ）（ 3 ）带入转子电流 I2 的表达式，可得电磁功率

2 1 2 2l sl lsX sw L w L

1slw sw

12 2 2

2 2( )e m

sl l

K w sI

R w L

2 2 2

2 122 22 2

2 2

33

( )e m

esl l

k wRP I sR

s R w L

)3(

)4(

)5(


电磁转矩

式中式（ 6 ）说明在电动机的参数为常数，且当磁通为常数时，电磁转矩仅和转差角频率有关，对应的曲线如下：

2 2 21

22 21 1 2 2

2 22 2 2

2 2

3

( )p e m

sl l

slm m

sl l

n k wPT sR

w R w L

w Rk

R w L

23m p ek n k

2 2LlR 、

m

)6(

对式（ 6 ）求导，并令可求出

与无关，与成正比如果wsl 较小，则可忽略，式 (6)简化为

如图中虚线所示

0sl

dT

dw

22

max2 22

m mslm

l l

kRw T

L L

2 2sl lw L R 2s lw L2

2

m m slk wT

R

slmw 2m maxT 2

m


可见，当 Φm 一定时，则电磁转矩 T和转差角频率wsl 成正比，这与直流电动机的转矩特性 T＝ f（ Ia）十分相似，即对于异步电动机在 wsl≤wslm

范围内，如果保持 Φm 一定，就可以像直流他励电动机用 Ia控制 T 那样控制 wsl来控制电磁转矩，这是转差频率控制的基本原理。


转差控制系统中控制气隙磁通恒定的方法有直接控制和间接控制两种。

直接控制气隙磁通的方法是用检测线圈或霍尔片检测气隙磁通，以此为反馈量进行闭环控制，而间接控制气隙磁通的方法则是通过控制定子电流或定子电压以控制励磁电流，励磁电流恒定则气隙磁通恒定。


对于电压型逆变系统，无论输出电压是方波还是脉宽调制波，电流的谐波含量都比电压谐波含量大；而且在不同频率以及脉宽调制的不同载波比时，电流谐波分量又在很大范围内变化。因此，检测电压作为反馈量进行控制更能提高控制的精度。

Φm恒定的实现方式通过 U/f＝ const ，低频时适当补偿定子电阻压降的影响即可以实现恒磁通的控制。


•系统组成

1U

1I

FBS

电压型逆变器

PWM M3 ~

ASR

sl

1

1

aU

bU

cU

图转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图

• 控制原理

实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图所示。

频率控制——转速调节器 ASR 的输出信号是转差频率给定 s

* ，与实测转速信号相加，即得定子频率给定信号 1

* ，即

*1

*s

（ 6-66 ）

电压控制——由 1 和定子电流反馈信号 I1 从微机存储的 U1 = f (1 , I1) 函数中查得定子电压给定信号 U1

* ，用 U1* 和 1

* 控制 PWM 电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。

三角波的幅值虽然固定，但三角波的频率却需要随着基准正弦波频率（即逆变器输出频率或电机定子频率）的变化而变化：定子频率降低，载波比应相应增大，否则在低频区将导致电机谐波电流增大，引起转矩脉动增加。

一般做法是低频时异步调制，然后转为分段同步调制，最后直至额定定子频率时放弃脉宽调制改为方波输出为止。

转速闭环、转差频率控制系统


在逆变器输出电压可调的范围内，由于可保证气隙磁通为额定值，因此，只要改变转差频率函数发生器特性，就可使异步电机变频调速系统获得不同的运行方式以及不同的稳态运行特性。


转差控制下有恒磁通、恒转矩和恒电压、恒功率两种运行方式，其对应的各种稳态运行特性公式如右所示，各特性曲线图如下页所示。

),(

)(

),(

),(

),(

),(cos

),(

),(

),(

),(

sslA

ssl

sslrM

sslsM

ssl

ssl

ssl

ssl

slmNa

slmA

fffU

fff

fff

fff

fffT

fff

fffQ

fffP

fIfI

fIfI

第五章 交流传动机车控制系统

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第五章交流传动机车控制系统