內(nèi)燃機車牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

　　1、針對鐵路提速的需要，開發(fā)交流電傳動工程作業(yè)機車是相當(dāng)必要的。該車設(shè)計要求應(yīng)具有兩種運行方式：即高速、長距離牽引運行狀態(tài)和超低速穩(wěn)定作業(yè)運行狀態(tài)。目前國內(nèi)使用的工程作業(yè)機車，一方面沒有采用交流電傳動，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，異步電動機典型的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性。電機轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩為0；當(dāng)轉(zhuǎn)差率很小時，轉(zhuǎn)矩隨速度的減小，即轉(zhuǎn)差率的增加，近乎直線變化。當(dāng)轉(zhuǎn)差率S為正時，為電動轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差率為負(fù)時，為制動（發(fā)電）轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)差頻率（轉(zhuǎn)子電流的頻率）與定子電流頻率F1之比：

　　S＝ΔF／F1（1）

　　異步電動機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率F2，如果能夠測量計算出來，根據(jù)負(fù)載對轉(zhuǎn)矩的需要，由電機的控制特性，便能找到其相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(yīng)于電動牽引狀態(tài)，即定子電流的頻率F1大于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率F2；（——）對應(yīng)于發(fā)電制動狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率F2大于定子電流的頻率F1。

　　圖為變頻牽引異步電動機額定轉(zhuǎn)差頻率ΔF的特性曲線。該曲線可根據(jù)牽引異步電動機設(shè)計參數(shù)求出。該特性曲線作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定（轉(zhuǎn)差頻率ΔF）的原始依據(jù)。在變頻器——牽引電動機匹配實驗時進行校正，在工程作業(yè)機車現(xiàn)場調(diào)試時，根據(jù)需要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)速。

　　3、牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點

　　3.1變頻牽引調(diào)速系統(tǒng)的控制方式

　　由于機車本身及所牽引的拖車重量較大，一般為大慣性負(fù)載，其啟動／停車時間均較長，其轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時間無快速性要求。因此變頻牽引調(diào)速采用轉(zhuǎn)差頻率控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的給定控制和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制，完全能滿足牽引控制的各種要求。

　　3.2牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作模式

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

　　針對交流傳動內(nèi)燃作業(yè)機車設(shè)計以及使用方面的要求，牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)按下述工作方式進行設(shè)計：

　?、烹p車并聯(lián)工作模式：

　　按轉(zhuǎn)矩給定控制（轉(zhuǎn)差頻率ΔF控制）方式工作；

　　高速長距離（重載長大坡道等）牽引運行。

　?、茊诬嚜毩⒐ぷ髂Ｊ剑?

　　按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)或V／F開環(huán)頻率控制方式工作；

　　低速穩(wěn)定作業(yè)運行。

　　3.2、1雙車并聯(lián)工作模式

　　控制系統(tǒng)計算牽引電動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中實際運轉(zhuǎn)頻率F2。如果此時電動機的轉(zhuǎn)子只需跟著機車一塊運行，只將轉(zhuǎn)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(dāng)需要施加一定的牽引力（電動轉(zhuǎn)矩）時，控制系統(tǒng)只要將電動機轉(zhuǎn)子此時運行的某一頻率F2所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率ΔF′（ΔF′／ΔF＝實際轉(zhuǎn)矩／額定轉(zhuǎn)矩）與F2相加，即F1＝F2ΔF′，這樣電動機便輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。通過機械傳動機構(gòu)，機車便得到相應(yīng)的牽引力。為了給柴油發(fā)電機組一定的調(diào)節(jié)時間，牽引力／制動力的施加，要經(jīng)過一個給定的斜坡時間予以緩沖。以這種方式進行轉(zhuǎn)矩控制，牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)將十分穩(wěn)定。

　　結(jié)合上圖如果轉(zhuǎn)矩按（1——15）檔進行控制（分檔如按比例），即轉(zhuǎn)差頻率特性曲線有15條可供用戶選用。

　　3.2、2單車獨立工作模式

　　在了解轉(zhuǎn)矩給定方式工作原理之后，我們再來討論轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)工作原理。在PWM計算方框的輸入信號F2同轉(zhuǎn)矩給定控制方式中的F2一樣，此處不贅述。速度調(diào)節(jié)器PI將VG、VF求差并進行PI運算，輸出ΔF值受ΔF數(shù)據(jù)限幅，即當(dāng)ΔF值在額定值（ΔF）以內(nèi)，輸出其實際值，超過額定的ΔF時，限到F2頻率對應(yīng)的ΔF值，即ΔF不像轉(zhuǎn)矩給定控制方式只有15條曲線，而是在牽引／制動工作區(qū)中有無數(shù)條任一的曲線。

　　V／F開環(huán)頻率（轉(zhuǎn)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(dāng)然V／F開環(huán)頻率控制要將牽引控制所需的特性要求考慮進去，遠非一般通用變頻器就能勝任的。

　　4、牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計

　　4.1牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的特殊要求

　　根據(jù)此變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用場合的特殊性，因此主電路設(shè)計需要考慮一下幾點因素：

　?、挪裼桶l(fā)電機組供電系統(tǒng)低抗擾的突出性；

　?、茽恳妱訖C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(diào)速系統(tǒng)主電路分析

　　牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路電路原理及操作控制主電路由：進線回路、整流器、預(yù)充電回路、濾波器、動能制動和逆變器等組成。其各部件功能簡述如下：

　　⑴進線回路

　　進線回路由刀開關(guān)K、進線電抗器LP和熔斷器RD組成，各電器元件的作用為：

　　刀開關(guān)K：將牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)（裝置）與機車柴油—發(fā)電機組供電系統(tǒng)隔離。

　　進線電抗器LP：使整流器交流出入電流連續(xù)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。

　?、普髌?

　　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)，即晶閘管工作時等效為一個整流二極管。

　?、穷A(yù)充電電路

　　牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)，為“交—直—交電壓型變頻器”，中間支流電壓環(huán)節(jié)由多個大容量的電解電容器串／并組成，以此來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(yù)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

　　濾波器主要由多個大容量的電解電容器通過串／并聯(lián)連接組成，用均壓電阻1R1、2，進行強制均壓，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。為異步電機提供無功電流；3。為動能制動和逆變器中的全控型電力電子開關(guān)元件換流時，提供低阻通路。

　?、蓜幽苤苿踊芈?

　　牽引電動機處于發(fā)電制動時，其輸出電壓與電流反向。在逆變器中，IGBT晶體管通過電流的時間，在一個輸出頻率周期時間內(nèi)，小于其通過續(xù)流二極管電流的時間。借助二極管的作用，逆變器將電動機由負(fù)載動能轉(zhuǎn)換來的電能，送到濾波電容器上。此能量又不能通過整流器回送到交流電網(wǎng)，結(jié)果電容器上的能量不斷增加，電壓不斷增高，當(dāng)電壓達到一定值時（如700V），由控制系統(tǒng)開通下面的IGBT晶體管，這樣直流電源的（）極通過放電制動電阻RB和開通的晶體管，與電源的（——）極接同，流過電流IB＝VDC／RB。釋放電容器所儲存的電能。逆變器不斷回送電動機發(fā)出的電能，從而使機車產(chǎn)生一定的制動力。

　?、誓孀兤?

　　逆變器由6個IGBT晶體管開關(guān)和與1GBT反并聯(lián)的6個快恢復(fù)續(xù)流二極管組成，以實現(xiàn)電流的雙向流通。這個電路結(jié)構(gòu)為二電平控制方式，借助PWM控制技術(shù)，實現(xiàn)電壓／頻率（V／F）協(xié)調(diào)控制（VVVF控制）。

　　當(dāng)牽引異步電動機作電動牽引運行時，交流電動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?，對電動機供電。當(dāng)牽引異步電動機作制動運行時，交流電動機定子繞組端的電壓／電流反向（有一相位差），逆變器將電動機發(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動能制動中所述。

　　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(tǒng)弱電控制單元。

　　5、控制系統(tǒng)設(shè)計

　　控制系統(tǒng)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現(xiàn)適于單機運行和多機聯(lián)動的全數(shù)字式轉(zhuǎn)差頻率控制模式。

　　控制系統(tǒng)通過軟件和硬件結(jié)合具有如下特點：

　?、诺皖l（啟動）大轉(zhuǎn)矩；

　?、?00％過載能力及軟件反時限特性；

　?、菫榉乐箘討B(tài)過電壓、過電流增設(shè)自動失速控制；

　　⑷軟件可選擇的柔性PWM能耗制動；

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