电传动控制技术_2_DC机车调速.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,牵引电机变速传动技术,北京交通大学,电气工程学院,黄 彧,电传动控制技术,直流牵引电机及其调速方式,电机的工作特性与机车牵引特性,机车牵引特性的限制,电气稳定性,牵引电机,牵引电机之间的负载分配,电压波动对牵引电机的影响,功率利用,粘着重量的利用,直流电传动机车的调速方法,电机的工作特性与机车牵引特性,工作特性,:,n,、,T,、,=f,（,I,a,）,U=U,N,I,f,=I,fN,机械特性,:,n=f,（,T,）,直流牵引电机特性,直流牵引电机及其调速方式,直流电机工作原理,电机励磁方式,转速,特性,nf(Ia),n =(U-I,a,R,a,)/C,e,n,I,a,(T),0,转矩,特性,T=f(Ia),T=C,T,I,a,(,或,M=C,M,I,a,),0,T,I,a,机械,特性,n=f(T),TI,a,机械特性具有与转速特性相似的形状,n,T,0,机车的牵引特性,机车轮周牵引力,F,K,和轮周线速度,V,K,之间的关系,F,K,=f,（,V,K,）,机车的速度特性,V,K,=f(,a,),机车的牵引力特性,F,K,=f(,a,),F,z,:,齿轮齿上所受的力,D,K,3.,轮对,F,K,1.,小齿轮节圆,2.,大齿轮节圆,机车的速度特性,V,K,=f(Ia),机车的牵引力特性,F,K,f(I,a,),V,K,n,V,K,=f(I,a,),与,形状相同,F,K,T,V,K,=f(I,a,),与,形状,相同,机车的牵引特性,F,K,=f(V,K,),由,直接决定,DJ 1,牵引,-,速度曲线（,F-v-Diagram,）,机车牵引特性曲线,机车牵引特性的限制,2.,3.,4.,5.,F,v,4,3,5,2,SS8,型电力机车牵引特性,CRH2,牵引特性曲线,各种励磁方式电机特性分析,一、串励和并励直流牵引电机性能比较,（一）机械稳定性和电气稳定性,机械稳定性,指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因，引起速度发生变化后，机车本身能恢复到原有的稳定运行状态。,机械稳定性的条件：牵引特性曲线斜率,基本阻力曲线斜率,即：,dF/dv d,W,0,/dv,一般,d,W,0,/dv0,不具有稳定性,其他电动机,dF/dv 0,均具有机械稳定性,F/W,0,v,0,1.,基本阻力曲线,W,0,=f(v),A,3,F,3,=f,3,(v),2,F,2,=f,2,(v),v,1,v,机械稳定性分析图示,电气稳定性,指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因，引起电机电流发生微量变化后，机车本身能恢复到原有的稳定运行状态。,动态电压平衡方程式：,U,d,=E+I,d,R+L(dI,d,/dt),E =C,e,n,U,d,=,C,e,n,+I,d,R+L(dI,d,/dt),电气稳定性分析图示,U,d,I,d,0,A,I,d1,I,d,1,2,牵引电机电气稳定的必要条件：,dU,d,/dI,d,0,即电动机,C,e,n,+I,d,R=f,（,I,d,）,的曲线斜率为,正值就具有电气稳定性,直流电机,电气稳定性,U,d,I,d,0,A,U,d,I,d,0,A,B,牵引电机之间的负载分配,牵引电机特性有差异 动轮直径相同,动轮直径不同 牵引电机特性相同,牵引电机特性有,差异,（,动轮直径相同）,T,I,d,0,n,n,T,2,2,1,1,I,d1,I,d2,n,T,2,T,1,牵引电机特性有,差异,（,动轮直径相同）,T,I,d,0,n,2,1,T,2,1,I,d1,I,d2n,T,2,T,1,牵引电机动轮直径,不同,（,特性相同）,T,I,d,0,n,n,T,I,d1,I,d2,n,1,T,2,T,1,n,2,牵引电机动轮直径,不同,（,特性相同）,T,I,d,0,n,T,I,d2,I,d1,n,1,T,1,T,2,n,2,电压波动对牵引电机的影响,T,I,d,0,n,n,T,2,1,I,d2,I,d1,n,T,2,T,1,并励,:,T,I,d,0,n,2,1,T,I,d1,I,d2,n,T,2,T,1,转速不变 工作曲线由,n1,变为,n2,功率利用,T(F),0,n(v),n,1,T,2,T,1,n,2,a,c,T(F),0,n(v),n,1,T,2,T,1,n,2,b,d,列车牵引理论基础,轮轨相互作用原理,电传动机车,Mi,v,Ri,Fi,Fi,O,O,fi,fi,Gi,G,i,动轮正压力,M,i,驱动转矩,R,i,动轮半径,f,i,静摩擦力,f,i,静摩擦力 反作用力,当车轮与钢轨间无滑动：,f,i,F,i,动轮绕,O,点作纯滚动运动,机车处于粘着状态,粘着重量的,利用,（,防空转性能）,F,0,v,F1,2,1,n,F2,a,并励电动机,防空,转性能,1:,最大粘着曲线,2:,滑动摩擦力曲线,3:,并励电机机械特性,T(F),0,n(v),v,3,v,0,A,B,1,1,2,2,3,粘着条件破坏,1-1,2-2,牵引力,最大粘着限制 逐渐,发生空转,v A,滑动摩擦,力,=,牵引力，停止空转,假设电机原来工作在,B,点,v,0,串励电动机,防空,转性能,1:,最大粘着曲线,2:,滑动摩擦力曲线,4/5:,串励电机机械特性,粘着条件破坏,1-1,2-2,牵引力,最大粘着限制 逐渐,发生空转,v A,滑动摩擦,力,=,牵引力，停止空转,T(F),0,n(v),v,4,v,0,A,B,1,1,2,2,4,5,假设电机原来工作在,B,点,v,0,他励牵引电动机,优点：,合适的调节特性,优良的防空转特性,充分发挥机车牵引力,能实现无级磁场削弱,便于牵引制动工况转换,n,I,d,0,I,f5,I,f4,I,f3,I,f2,I,f1,I,f1,I,f2,I,f3,I,f4,I,f5,积复励牵引电机,M,M,M,日本微机控制机车,串励绕组与各自的电枢串联,各电机他励绕组串联后进行,集中控制,6K,直流电传动机车的调速方法,调节电机电压,调节主磁通,n=,U,d,I,d,R,Ce,调节端电压,改变牵引电机的连接方式,牵引电动机与电阻串联,改变牵引变压器的输出电压,改变牵引发电机的转速和励磁电流,改变同步牵引发电机定子绕组接法,改变牵引电机的连接方式,M,M,M,M,U,N,U,d,=U,N,/4,M,M,M,M,U,N,U,d,=U,N,/2,M,M,M,M,U,N,U,d,=U,N,优点,：,缺点：,牵引电动机与电阻串联,优点：缺点：,M,U,N,逐渐切除与电枢串联的电阻进行调速,M,U,N,调节斩波器导通比进行调速,CH,改变牵引变压器的输出电压,改变变压器的匝数,改变变压器输出电压,U,d,根据变压器调压抽头的位置,高压侧调压,低压侧调压,SS2,SS1,改变牵引发电机的转速和励磁电流,柴油机转速,同轴的发电机转速 由于牵引发,电机的励磁机是由柴油机驱动的 励磁机的转,速变化 电机电压变化,柴油机,G,M,M,M,改变同步牵引发电机定子绕组接法,双星形：,T,1,T,2,T,3,T,1,T,12,T,13,低速：,高速：,M,M,T1T2T3,T11T12 T13,AS1,AS2,调节主极磁通,磁场分路法：主极绕组两端并联一级或数级分路电阻，从而减小励磁电流和磁通,M,U,d,+,-,R2,1,2,R1,I,d,I,L,K1,、,K2,断开,I,d,=I,L,满磁场,K1,闭和,R1,分流,K2,闭和,R2,分流,K1,、,K2,闭和,R1,、,R2,分流,磁场削弱系数,磁场削弱系数：,在牵引电动机电枢电流相同的条件下，磁场削弱的磁势,(IW),与全磁场时的励磁磁势,(IW),d,之比,假设主极绕组匝数为,W,电阻为,R,L,分路电阻为,R,，计算此时的磁场削弱系数,？,交流电机调速方法,1-,轴承盖；,2-,端盖；,3-,接线盒；,4-,定子铁心；,5-,定子绕组；,6-,散热筋；,7-,转轴；,8-,转子；,9-,风扇；,10-,罩壳；,11-,轴承；,12-,机座,1,2,3,6,4,5,7,8,9,10,11,12,U2,U1,W2,V1,W1,V2,n,三相异步电动机基本工作原理,电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流,电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。,异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学原理，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损,，,异步电机的稳态等效电路图,异步电动机机械特性,由图可以导出,式中,在一般情况下，,L,m,L,l,1,，则,C,1,1,异步电动机机械特性,令电磁功率,P,m,=3,I,r,2,R,r,/,s,同步机械角转速,m1,=,1,/,n,p,式中,n,p,极对数，则异步电机的电磁转矩为,当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比,T,e,O,n,n,0,T,emax,s,m,T,L,U,sN,0.7,U,sN,A,B,C,F,D,E,0.5,U,sN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,异步电动机,不同电压下的机械特性,异步电动机机械特性,T,emax,s,m,异步电机变频调速特性分析,在基频以下：磁通恒定转矩恒定，属于恒转矩调速,在基频以上：转速升高转矩下降，属于恒功率调速,异步电机变频调速特性分析,f,1N,异步电机变压变频调速的控制特性,恒转矩调速,U,s,U,sN,mN,m,恒功率调速,m,U,s,f,1,O,异步电动机恒压恒频机械特性,当,s,接近于,1,时，转矩与,s,成反比，对称于原点的双曲线,当,s,很小时，转矩近似于,s,成正比，直线,异步电动机恒压恒频机械特性,s,m,n,n,0,s,T,e,0,1,0,T,e,T,emax,T,emax,恒压恒频时异步电机的机械特性,恒压频比控制（,U,s,/,1,）,在恒压频比的条件下改变频率,1,时，机械特性基本上时平行下移的；,频率很低时，最大转矩太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当的提高电压,Us,，可以增强带载能力。,O,n,恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,恒,E,g,/,1,控制,机械特性与恒压频比特性相似,恒,E,g,/,1,控制,当,Eg/1,为恒值时，,Temax,恒定不变，其稳态性能优于恒,Us/1,控制的性能。,O,n,T,emax,恒,E,g,/,1,控制时变频调速的机械特性,恒,E,r,/,1,控制,机械特性完全是一条直线，稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性；,按照转子全磁通幅值,rm=,恒定进行控制，就可以获得恒,Er/1,控制。,三种控制方式比较,0,s,1,0,T,e,不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒,E,r,/,1,控制,恒,E,g,/1,控制,恒,U,s,/,1,控制,a,b,c,基频以上恒压变频机械特性,定子电压保持不变；,当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。,恒功率调速,O,基频以上恒压变频调速的机械特性,交流电机（异步）的矩速特性,关键问题,?,机车牵引中异步电机的运行特性,恒力矩起动,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。,采用恒磁通控制,电机各参数与频率的关系：,恒功率运行,恒功率,1,：,恒功率,2,：,第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机,恒功率,1,：,第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机,恒功率,2,：,交流传动异步电机控制技术,U/f,恒定控制,转差频率控制,磁场定向控制 转子旋转坐标系,直接转矩控制 定子绕组坐标系,数字控制通用变频器,-,异步电动机调速系统,M,3,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,UI,R,0,R,1,R,2,R,b,VT,b,K,R,0,R,1,R,b,R,2,控制电路,t,f,f*,u,f,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,PWM,变压变频器的基本控制作用,U/f,恒定控制,U/f,控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比，称为,U/f,控制。,存在问题：,低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化；,无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒,U/f,变频器是转速开环控制，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以,U/f,恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。,转差频率控制基本原理,在,s,较小的稳态运行段上，转矩,T,e,基本上与,s,成正比，,当,T,e,达到其最大值,T,emax,时，,s,达到,smax,值。,smax,sm,T,emax,T,em,s,T,e,0,按恒,m,值控制的,T,e,=f,(,s,),特性,转差频率基本控制规律一,转差频率控制系统中，只要给,s,限幅，使其限幅值为,就可以基本保持,T,e,与,s,的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。,这是转差频率控制的基本规律之一。,转差频率基本控制规律二,规律一是在保持,m,恒定的前提下才成立的，如何实现？,按恒,E,g/,1,控制时可保持,m,恒定。,要实现恒,E,g,/,1,控制，须在,U,s,/,1,=,恒值,的基础上再提高电压,U,s,以补偿定子电流压降。,不同定子电流时恒控制所需的电压,-,频率特性,O,U,s,/,1,=,Const.,E,g,/,1,=,Const.,定子电流增大的趋势,转差频率控制策略,总结起来，转差频率控制的规律是：,（,1,）在,s,sm,的范围内，转矩,T,e,基本上与,s,成正比，条件是气隙磁通不变。,（,2,）在不同的定子电流值时，按,U,s,=,f,(,1,I,s,),函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通,m,恒定。,转差频率控制,系统组成,FBS,电压型逆变器,PWM,M,3,ASR,转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,转差频率控制特点,转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号，是转差频率控制系统突出的特点或优点。在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器,ASR,饱和，系统能用对应于的限幅转矩进行控制，保证了在允许条件下的快速性。,与直流双闭环系统存在差距的原因：,所谓的“保持磁通恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。,函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。,在频率控制环节中，取 ，使频率得以与转速同步升降如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。,矢量控制基本思路,磁场定向控制。它是,70,年代初由西德,F.Blasschke,等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。,3/2,VR,等效直流,电机模型,A,B,C,i,A,i,B,i,C,i,t,i,m,i,i,异步电动机,矢量控制系统原理结构图,控制器,VR,-1,2/3,电流控制变频器,3/2,VR,等效直流电机模型,+,i,*,m1,i,*,t1,1,i,*,1,i,*,1,i,*,A,i,*,B,i,*,C,i,A,i,B,i,C,i,1,i,1,i,m1,i,t1,反馈信号,异步电动机,给定信号,矢量控制系统原理结构图,控制器,VR,-1,2/3,电流控制变频器,3/2,VR,等效直流电机模型,+,i,*,m1,i,*,t1,1,i,*,1,i,*,1,i,*,A,i,*,B,i,*,C,i,A,i,B,i,C,i,1,i,1,i,m1,i,t1,反馈信号,异步电动机,给定信号,直接矢量控制,电流,控制,变频器,异步电机,矢量,变换模型,带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统,VR,-1,2/3,L,r,ATR,ASR,A,R,电流变换和磁链观测,M,3,TA,+,+,+,cos,sin,i,s,n,p,L,m,i,s,*,T,*,e,T,e,*,r,r,r,i,*,st,i,*,sm,i,*,s,i,*,s,i,*,sA,i,*,sB,i,*,sC,i,st,电流滞环型,PWM,变频器,微型计算机,p,1,K/P,ACR,UR,CSI,M,TG,+,TA,+,+,+,+,+,L,d,3,+,s,T,r,L,m,L,m,T,r,p+,1,ASR,矢量控制器,1,*,s,*,s,i,*,s,i,s,i,*,s,t,i,*,sm,*,r,*,TG,间接矢量控制,直接转矩控制,1985,年，德国鲁尔大学的,DePenbrock,教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。,转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。,直接力矩控制基本原理,DTC,系统存在的问题,由于采用砰,-,砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。,由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。,两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使,DTC,系统的调速范围受到限制。,直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较,特点与性能,直接转矩控制系统,矢量控制系统,磁链控制,定子磁链,转子磁链,转矩控制,砰,-,砰控制，脉动,连续控制，平滑,旋转坐标变换,不需要,需要,转子参数变化影响,无,有,调速范围,不够宽,较宽,小 结,直流调速,牵引电机的工作特性与机车的牵引特性,工作特性,牵引特性,各种励磁方式牵引电机特性分析,串并励牵引电机特性比较,他励和积复励电机特性,直流电传动机车调速方法,调节电机端电压,调节主极磁通 磁场分路法（,）,交流调速,V/F,转差控制 矢量控制 直接转矩,