內燃機車(chē)牽引變頻調速控制系統設計

1、針對鐵路提速的需要，開(kāi)發(fā)交流電傳動(dòng)工程作業(yè)機車(chē)是相當必要的。該車(chē)設計要求應具有兩種運行方式：即高速、長(cháng)距離牽引運行狀態(tài)和超低速穩定作業(yè)運行狀態(tài)。目前國內使用的工程作業(yè)機車(chē)，一方面沒(méi)有采用交流電傳動(dòng)，另一方面都不具備這種性能要求。

2、牽引電機的特性

從電機原理中已知，異步電動(dòng)機典型的轉矩——轉速特性。電機轉子在同步轉速時(shí)，轉矩為0;當轉差率很小時(shí)，轉矩隨速度的減小，即轉差率的增加，近乎直線(xiàn)變化。當轉差率S為正時(shí)，為電動(dòng)轉矩;轉差率為負時(shí)，為制動(dòng)(發(fā)電)轉矩。轉差率為轉差頻率(轉子電流的頻率)與定子電流頻率F1之比：

S=ΔF/F1(1)

異步電動(dòng)機轉子的旋轉頻率F2，如果能夠測量計算出來(lái)，根據負載對轉矩的需要，由電機的控制特性，便能找到其相應的轉差頻率ΔF，則變頻器輸出的定子電流頻率F1為：

F1=F2±ΔF(2)

式中(2)的()對應于電動(dòng)牽引狀態(tài)，即定子電流的頻率F1大于轉子旋轉的頻率F2;(-)對應于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)轉子旋轉的頻率F2大于定子電流的頻率F1。

圖為變頻牽引異步電動(dòng)機額定轉差頻率ΔF的特性曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)可根據牽引異步電動(dòng)機設計參數求出。該特性曲線(xiàn)作為轉矩設定(轉差頻率ΔF)的原始依據。在變頻器——牽引電動(dòng)機匹配實(shí)驗時(shí)進(jìn)行校正，在工程作業(yè)機車(chē)現場(chǎng)調試時(shí)，根據需要進(jìn)行適當的調速。

3、牽引變頻調速控制系統的特點(diǎn)

3.1變頻牽引調速系統的控制方式

由于機車(chē)本身及所牽引的拖車(chē)重量較大，一般為大慣性負載，其啟動(dòng)/停車(chē)時(shí)間均較長(cháng)，其轉矩的響應時(shí)間無(wú)快速性要求。因此變頻牽引調速采用轉差頻率控制，實(shí)現轉矩的給定控制和轉速轉差閉環(huán)控制，完全能滿(mǎn)足牽引控制的各種要求。

3.2牽引變頻調速系統的工作模式

工程作業(yè)車(chē)在軌道上行駛作業(yè)，通常為“雙車(chē)重聯(lián)工作”。這樣配置，一方面增加設備的可靠性;另一方面可適應不同的拖車(chē)載重和長(cháng)大坡道、高速長(cháng)距離之運行要求。

針對交流傳動(dòng)內燃作業(yè)機車(chē)設計以及使用方面的要求，牽引變頻調速控制系統應按下述工作方式進(jìn)行設計：

⑴雙車(chē)并聯(lián)工作模式：

按轉矩給定控制(轉差頻率ΔF控制)方式工作;

高速長(cháng)距離(重載長(cháng)大坡道等)牽引運行。

⑵單車(chē)獨立工作模式：

按轉速轉差閉環(huán)或V/F開(kāi)環(huán)頻率控制方式工作;

低速穩定作業(yè)運行。

3.2、1雙車(chē)并聯(lián)工作模式

控制系統計算牽引電動(dòng)轉子旋轉中實(shí)際運轉頻率F2。如果此時(shí)電動(dòng)機的轉子只需跟著(zhù)機車(chē)一塊運行，只將轉子運行頻率F2作為牽引變頻器的給出頻率F1(定子繞組上施加的頻率)，即F1=F2。當需要施加一定的牽引力(電動(dòng)轉矩)時(shí)，控制系統只要將電動(dòng)機轉子此時(shí)運行的某一頻率F2所對應的轉差頻率ΔF′(ΔF′/ΔF=實(shí)際轉矩/額定轉矩)與F2相加，即F1=F2ΔF′，這樣電動(dòng)機便輸出相應的轉矩。通過(guò)機械傳動(dòng)機構，機車(chē)便得到相應的牽引力。為了給柴油發(fā)電機組一定的調節時(shí)間，牽引力/制動(dòng)力的施加，要經(jīng)過(guò)一個(gè)給定的斜坡時(shí)間予以緩沖。以這種方式進(jìn)行轉矩控制，牽引變頻調速系統將十分穩定。

結合上圖如果轉矩按(1～15)檔進(jìn)行控制(分檔如按比例)，即轉差頻率特性曲線(xiàn)有15條可供用戶(hù)選用。

3.2、2單車(chē)獨立工作模式

在了解轉矩給定方式工作原理之后，我們再來(lái)討論轉速轉差閉環(huán)工作原理。在PWM計算方框的輸入信號F2同轉矩給定控制方式中的F2一樣，此處不贅述。速度調節器PI將VG、VF求差并進(jìn)行PI運算，輸出ΔF值受ΔF數據限幅，即當ΔF值在額定值(ΔF)以?xún)?，輸出其?shí)際值，超過(guò)額定的ΔF時(shí)，限到F2頻率對應的ΔF值，即ΔF不像轉矩給定控制方式只有15條曲線(xiàn)，而是在牽引/制動(dòng)工作區中有無(wú)數條任一的曲線(xiàn)。

V/F開(kāi)環(huán)頻率(轉速)控制，即將速度信號直接作為牽引變頻器的輸出頻率信號F1。當然V/F開(kāi)環(huán)頻率控制要將牽引控制所需的特性要求考慮進(jìn)去，遠非一般通用變頻器就能勝任的。

4、牽引變頻調速系統主電路設計

4.1牽引變頻調速系統的特殊要求

根據此變頻調速系統應用場(chǎng)合的特殊性，因此主電路設計需要考慮一下幾點(diǎn)因素：

⑴柴油發(fā)電機組供電系統低抗擾的突出性;

⑵牽引電動(dòng)機供電要求的特殊性;

⑶牽引變流器免維護要求的必要性。

4.2牽引變頻調速系統主電路分析

牽引變頻調速系統主電路電路原理及操作控制主電路由：進(jìn)線(xiàn)回路、整流器、預充電回路、濾波器、動(dòng)能制動(dòng)和逆變器等組成。其各部件功能簡(jiǎn)述如下：

⑴進(jìn)線(xiàn)回路

進(jìn)線(xiàn)回路由刀開(kāi)關(guān)K、進(jìn)線(xiàn)電抗器LP和熔斷器RD組成，各電器元件的作用為：

刀開(kāi)關(guān)K：將牽引變頻調速系統(裝置)與機車(chē)柴油—發(fā)電機組供電系統隔離。

進(jìn)線(xiàn)電抗器LP：使整流器交流出入電流連續平滑，減輕整流電路對柴油發(fā)電機組電網(wǎng)的干擾。

熔斷器RD：對柴油發(fā)電機組提供保護。

⑵整流器

由三只晶閘管和三只整流二極管組成三相橋半控整流電路。此處晶閘管不采用相控方式而用電平觸發(fā)，即晶閘管工作時(shí)等效為一個(gè)整流二極管。

⑶預充電電路

牽引變頻調速系統，為“交—直—交電壓型變頻器”，中間支流電壓環(huán)節由多個(gè)大容量的電解電容器串/并組成，以此來(lái)保護整流器和電容器不因大的充電電流而損壞。

電電流而損壞。

預充電電路由三相橋式整流器ZL和充電限流電阻2R1、2組成。

⑷濾波器

濾波器主要由多個(gè)大容量的電解電容器通過(guò)串/并聯(lián)連接組成，用均壓電阻1R1、2，進(jìn)行強制均壓，使串聯(lián)電容器上的電壓近乎一致。

此處濾波電容器的功能有三種：1。將支流電壓紋波濾平;2。為異步電機提供無(wú)功電流;3。為動(dòng)能制動(dòng)和逆變器中的全控型電力電子開(kāi)關(guān)元件換流時(shí)，提供低阻通路。

⑸動(dòng)能制動(dòng)回路

牽引電動(dòng)機處于發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其輸出電壓與電流反向。在逆變器中，IGBT晶體管通過(guò)電流的時(shí)間，在一個(gè)輸出頻率周期時(shí)間內，小于其通過(guò)續流二極管電流的時(shí)間。借助二極管的作用，逆變器將電動(dòng)機由負載動(dòng)能轉換來(lái)的電能，送到濾波電容器上。此能量又不能通過(guò)整流器回送到交流電網(wǎng)，結果電容器上的能量不斷增加，電壓不斷增高，當電壓達到一定值時(shí)(如700V)，由控制系統開(kāi)通下面的IGBT晶體管，這樣直流電源的()極通過(guò)放電制動(dòng)電阻RB和開(kāi)通的晶體管，與電源的(-)極接同，流過(guò)電流IB=VDC/RB。釋放電容器所儲存的電能。逆變器不斷回送電動(dòng)機發(fā)出的電能，從而使機車(chē)產(chǎn)生一定的制動(dòng)力。

⑹逆變器

逆變器由6個(gè)IGBT晶體管開(kāi)關(guān)和與1GBT反并聯(lián)的6個(gè)快恢復續流二極管組成，以實(shí)現電流的雙向流通。這個(gè)電路結構為二電平控制方式，借助PWM控制技術(shù)，實(shí)現電壓/頻率(V/F)協(xié)調控制(VVVF控制)。

當牽引異步電動(dòng)機作電動(dòng)牽引運行時(shí)，交流電動(dòng)機定子繞組端的電壓/電流同向(有一相角差)，逆變器將直流電源的電能逆變?yōu)榻涣麟娔?，對電?dòng)機供電。當牽引異步電動(dòng)機作制動(dòng)運行時(shí)，交流電動(dòng)機定子繞組端的電壓/電流反向(有一相位差)，逆變器將電動(dòng)機發(fā)出的交流電能，整流變?yōu)橹绷?，回送到濾波電容器上。交流到直流的整流變換，其原理如⑸動(dòng)能制動(dòng)中所述。

除了主電路各組成部分外還有輔助電源控制回路、信號檢測元件以及控制系統弱電控制單元。

5、控制系統設計

控制系統采用INTEL公司16位單片機作為主控芯片，采用空間電壓矢量波控制方式實(shí)現適于單機運行和多機聯(lián)動(dòng)的全數字式轉差頻率控制模式。

控制系統通過(guò)軟件和硬件結合具有如下特點(diǎn)：

⑴低頻(啟動(dòng))大轉矩;

⑵200%過(guò)載能力及軟件反時(shí)限特性;

⑶為防止動(dòng)態(tài)過(guò)電壓、過(guò)電流增設自動(dòng)失速控制;

⑷軟件可選擇的柔性PWM能耗制動(dòng);

⑸克服電網(wǎng)波動(dòng)維持輸出電壓的自動(dòng)電壓控制(AVC);內燃機、電機、變頻器