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：

⑴雙車并聯(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。

⑵單車獨立工作模式：

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(yuǎn)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：

⑴柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)低抗擾的突出性;

⑵牽引電動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(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。

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)，即晶閘管工作時等效為一個整流二極管。

⑶預(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。

⑸動能制動回路

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。

⑹逆變器

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)榻涣麟娔埽瑢﹄妱訖C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)橹绷鳎厮偷綖V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：

⑴低頻(啟動)大轉(zhuǎn)矩;

⑵200%過載能力及軟件反時限特性;

⑶為防止動態(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