《机车电传动与控制》- 2.ppt

2、机车主电路的接地保护
① 接地故障及其危害 ② 接地保护电路举例
3、电力机车主电路短路、 过载及过电压保护
第三章 电力牵引交流传动与控制
主要内容：
电力牵引交流传动技术概述 电力牵引交流传动基础 交-直-交变流器与逆变器
电力牵引交流传动的控制技术
系统基本结构型 式
（电压型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统（普遍应用）
• 自动寻找并记忆最大粘着系数时的电流值
根据dr/dt的突然变化，记忆最大粘着系数时的电流 值，电流恢复是按此电流值削减10%给定。然后再以 24A/s的斜率缓慢上升，寻找新的最大粘着点。
SS8/SS9型电力机车防空转/滑行保护功能
• 防空转、防滑行控制使机车运行在尽可能大的粘着附近，可以保证机车在任 何轨面条件下启动、加速、制动不擦伤轮轨，不发生牵引电机超速。防空转/ 滑行控制完全由软件实现，消除了由硬件控制时引起的不可靠因素。控制特 性一致性好，控制参数的调整和控制方式的修改较方便，运行过程中可以通 过外接终端读取全部控制过程中间量。因此，实地调整后能较好地满足控制 要求。
b. 粘着斜率法—粘着系数导数法
粘着斜率γ可表为：
d
d
dVS
dt dVS
VS
dt
当
max时，
VS
0
但 VS 0，故 0
又
F ,
PN
1
d
F
R (M D Jn
) dt
式中，R、M D、Jn和分别为动轮半径、角速度、电机转矩
和折算到动轮的转动惯量。
据 此 ， 可 完 成 对 粘 着 峰值 点 的 判 断 和 搜 寻 。
系统 1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2500 70年代 共生产25套
1985 直流 20%，交流 80%
全世界 上世纪80年代后五年
交流调速年均增长13%-14%
直流调速年均增长3%-4%
中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占
总发电
量38%。采用交流调速节能前景广
② 交流电传动机车技术发展
20世纪60-70年代：初期发展阶段 1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动
a.根据轮对间速度差，轮对的加速度及加速度的变化率，检测空转或滑行的 发生； b. 根据空转或滑行的程度，削减电机转矩值并维持一定时间，以消除空转 或滑行； c. 空转或滑行恢复后，按一定时间常数指数规律，逐渐增加电机转矩，直 至空转或滑行前电机转矩值的80%，并在一定的时间内保持电机转矩不变； e.如果在电机转矩不变的时间内未发生空转或滑行，则在保持时间结束后， 按一定时间常数的指数规律继续增加电机转矩，直至达到由司机手柄给出的 电机转矩给定值。如果再次发生空转或滑行，则按照（b）处理。
(2-6-10)
3. 电气制动---再生制动
8K机车再生制动 工况主电路：
全控桥电路 牵引电动机他励
4. 减小谐波与功率因数补偿问题 采用功率因数补偿器 L-C, R-C, R-L-C
消除或减小三、五次谐波为主要目的
5. 电力机车辅助电路
① 为了保证电力机车正常运行，机车上设有三 相 交流辅助电路，以供采用三相鼠笼式异 步电动机驱动的辅助机械装置（如冷却通风机、 油 泵、压缩机等）之用。
• 检测轮对转速和角加速度信号的检测电路
⑷ 空转（滑行）控制系统应用实例
ND5机车空转检测保护电路
脉冲转速检测（f/v）
加速度检测（转速微分）
轮径自动校正（惰行状态及V>12km/h下进行）
空转检测分析与空转信号的分级输出 （四级空转信号）
根据轮对转速差ΔV产生的1~4级机车动轮转速差空转信号： ΔVL1，ΔV2，ΔVL3，ΔVL4。其中， ΔV2为连续的模拟信号，
由于传统的校正型粘着控制方法一方面需要大幅度地削减电机转矩以消 除已经发生的空转或滑行，另一方面需要缓慢地增加电机转矩以防止空转 或滑行的再次发生，这样，粘着工作点常常远离粘着峰值点，粘着利用率 因而一般较低。
• 基于粘着特性及蠕滑速度控制型—现代粘着控制方 法
在现代机车控制中，粘着控制系统是机车传动控制系统的一部分， 它的主要作用是在线路状况变化不定的情况下，通过对电机速度、电机 转矩等信息的采集、分析和处理，结合由司机给出的电机转矩指令，向 电机控制系统发出正确的电机转矩指令，使机车能够以线路当前最大的 粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。
恒压控制方式 将电流手柄置于较高给定，使电流环不参 与调节作用。
Ud=1010(-In(1-0.777X/32)/1.5) (v) 式中：X=0-32，为手柄级位 恒流控制方式 将电压手柄置于较高给定，使电压环不参 与调节作用。 Ia=1260(1.052(1-exp(-3X/32))) (A)
SS4机车四段桥连续控制电路及其特性
ΔVL1 、ΔVL3、ΔVL4为逻辑开关信号。
ND5四级空转信号及控制处理
• 一级信号
当ΔVL1为高电平时产生 —— 自动撒沙操作
• 二级信号
即为ΔV2 — 0~10V模拟信号，直接输入至CHEC,用以降低主发功率。
• 三级信号
机车牵引工况出现下列情况之一时产生：① ARE（单轴加速度超过阈值） 和ΔVL3均为高电平；② SS（所有轴加速度超过阈值）；③ MAXRPM（机 车超速）为高电平 —— 使CHEC快速降低发电机功率输出。
• 检测轮对速度差、加速度及加速度变化率
脉冲计数、f/v转换检测速度及ΔV，由速度微分求加 速度r ，二阶速度微分求加速度变化率dr/dt
• 牵引电动机电流给定修正算法
主要根据ΔV和dr/dt修正（在用dr/dt修正不能制止空 转时，加入r引起的修正），按下式计算修正削减电 流峰值： ΔI=205ΔV+208(dr/dt)-252（A）
第二章 电力牵引交-直传动与控制
六、电阻制动
1. 电阻制动基本原理 制动工况下牵引电动机（工作在发电机状态）电势：
ED=CenDΦD=IDz(Rz+∑RD)=IDzRz’ IDz=CenDΦD /Rz’ 或 ΦD= IDzRz’/CenD
电机电磁力矩（制动力矩）：
MD=Cm IDzΦD =(CmCe/Rz’) (ΦD) ²nD =(CmRz’/Ce) (IDz) ²(1/nD)
• 微机具有轮径自动补偿的功能。在控制值Is＜1V，牵引工况、速度小于 20km/h，无空转的情况下，以第二个轮对为基准自动进行补偿测试。此时各 轮对先行距离相等，各轮对所测得的速度各有不同，是由于轮对直径不等造 成的，由此计算出其它轮对直径对第二轮对直径的系数。在其它工况下测得 的速度，都要用此系数进行修正。第二轮对的直径可由显示系统键盘输入。
（电压型）交-直-交变流器+交流 同步牵引电机系统
（电流型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统
交-交变流器+交流同步牵引电机 系统
第三章 电力牵引交流传动与控制
一、电力牵引交流传动技术概述
1. 机车交流传动系统的基本结构
交流传动机车：
（特指）采用各种变流器供电，交
流异步或同步电动机驱动的机
• 四级信号
当ΔVL4和 MAXRPM 均为高电平时产生 —— 使CHEC快速降励磁，WX插 件中WSX释放，WSR吸合，一方面断开励磁机他励电路，另一方面又使 励磁机串励绕组去磁电流增大3倍，以更快地减载，切除全部功率输出。
8k机车空转（滑行）控制系统
• 轮径修正
满足三个条件下进行：①牵引电机电流<250A，② V>20km/h, ③|ΔV |>0.3km/h
输出平均直流电压
Ud=Ud0n·((2n-1)+cosαn)/(2n)
(2-6-9)
其中：Ud0n= (n/4)Ud0 Ud0 为四段桥全开放时的输出平均直流电压 n=1，2，3，4（为电压调节区段数）
功率因数PF
PF=√2( (2n-1)+ cosαn)(1+ cosαnπ)/(√ (n²π - 2n-1)αn)
转向架控制
按司机指令，综合各种因素和限制条件 形成实际控制机车主电路负载电流的参 考电流IREF，实现主电路电流、电压的 （闭环）控制调节。
8K机车特性曲线
恒流控制 I=200αMC (A)
准恒速控制 V=10 αMC (km/h)
式中αMC 为司机手 柄转动角度
SS4机车控制系统
控制系统可实行两种控制方式：
蠕滑速度Vs（m/s）
• 当实际牵引力F>Fmax，轮轨间出现相对滑动，粘 着状态被破坏→空转
• 粘着控制目的是在保证不发生空转前提下，获得最 大的粘着利用率，使机车能发挥最大平均牵引力
⑵ 粘着控制方法
• 校正型粘着控制方法—传统粘着控制方法
在检测到空转和滑行发生后，通过削减电机转矩来实现粘着利用，其一般 过程如下：
⑶ 校正型粘着控制空转检测
空转发生时，空转轮对及其相应的主电路物理状态将产 生异常变化。按检测的物理参数的不同可分为三种典型 检测电路：
检测牵引电动机电压信号的检测电路 空转nEU（牵引电动机串并联连接方式）
检测牵引电动机电流信号的检测电路 空转nEI （牵引电动机并联连接方式）
检测轮对转速和角加速度信号等的检测电路 空转nε
• 微机根据四路速度信号计算出速度差△V，加速度a，加速度变化率da。在牵 引工况时，△V取同一转向架两轴速度差，a和da取本转向架的最大值作为控 制值。制动工况下，△V取全车最大速度与最小速度的差，a取全车加速度的 最大值作为控制值。牵引和制动工况有不同的减流曲线，并根据情况分别采 用撒砂、减流等措施来预防和抑制空转及滑行。减流速率固定，有快速和慢 速恢复过程，以免因电流恢复过快而造成再次空转。电枢电流400A以下时不 修正。
② 三相交流辅助电源由机车单相交流电源变换 而 来。三种方变换法： 旋转式劈相机 电容分相法 半导体静止逆变器
③ SS1机车辅助电路（旋转式劈相机Y型联接）
6. 电力机车控制系统与控制特性
① 8K机车 控制系统 机车特性曲线
② SS4机车 控制系统框图 控制方式
8K机车控制系统
机车控制
产生司机控制指令（特性控制器）
μ max
轮轨切向最大（粘着）牵引力 轮对正压力
Fm a x PN
实际粘着系数 最大粘着系数
max
VS VR VT
VR 动轮滚动圆周速度
VT 车 体 线 速 度
蠕滑速度与粘着系数关系曲线：
粘 0.5
着 系
A
数 0.4
µ
0.3
0.2
0.1
干燥轨面
B
潮湿轨面
0
0.4
0.8
1.2
1.6
不同路况时的粘着特性曲线
第二章 电力牵引交-直传动与控制
七、交-直电传动机车粘着控制与主电路的保护
1、粘着控制与空转保护 2、机车主电路的接地保护 3、电力机车主电路短路、过载
及过电压保护
1、粘着控制与空转保护
⑴ 几个基本概念
粘着系数：
μ
轮轨切向（粘着）牵引力 轮对正压力
F PN
最大粘着系数： 粘着利用率： 蠕滑速度：
现代粘着控制方法的一个显著特点是能够自动搜寻粘着峰值点， 并使粘着工作点保持在粘着峰值点的附近，从而能够获得较高的粘着利 用率。根据搜寻粘着峰值点方法的不同，现代粘着控制方法可以分为蠕 滑速度法和粘着斜率法两大类。
a. 蠕滑速度法 基于蠕滑速度的粘着控制方法原理是根据粘着特性曲线， 通过调节蠕滑速度，使其反复地增加和降低，从而自动地 搜寻粘着峰值点。
Fra Baidu bibliotek
车或
电动车组。
变流器类型：
交-交变流器（直接式）
交-直-交变流器（间接式）
2. 发展历史与现状
① 交流调速技术
上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的 有关理论，60年代后才得以迅速发展（电力电子 技术---大功率半导体器件）
应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领 域
日本 1975 直流 80%，交流 20%
• 检测牵引电动机电压信号的检测电 路
空转信号电流： i =(U2-U1)/(2r+R)
=CeΦ(n2-n1)/(2r+R)
机车速度较低时，Φ 值较大，检测电路灵 敏度较高。
• 检测牵引电动机电流信号的检测电路
空转信号电流近似为： i=RL(IL4-IL5)/r
由串励电动机的速率特性（软特性）可知，在相同的转速 差下，电机低速运行时可以获得较大的电流差，故此是检 测电路灵敏度较高。
2. 电阻制动特性B=f(V) [MD =f(nD)]与制动工况限制范围
① 三种制动控制特性
恒励磁制动特性 恒制动电流制动特性 恒速制动特性
② 制动工况限制范围
最大励磁电流，最大粘着，最大制动电流，换向条件，最大速度
3. 内燃机车电阻制动电路（东风11， ND5）.
4. 电力机车电阻制动电路（SS1）