電傳動(dòng)控制原理相控電力機(jī)車(chē)a概要PPT課件

1、 4.1 有級(jí)調(diào)速與無(wú)級(jí)調(diào)速有級(jí)調(diào)速與無(wú)級(jí)調(diào)速l起動(dòng)時(shí)電力機(jī)車(chē)速度為0，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0l牽引電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì) E = Ce n = 0l若進(jìn)行滿(mǎn)壓起動(dòng)，將產(chǎn)生很大的起動(dòng)電流 10倍額定電流 在換向器上產(chǎn)生火花 環(huán)火 過(guò)大的電磁轉(zhuǎn)矩 破壞機(jī)車(chē)的粘著條件，空轉(zhuǎn) 過(guò)大的機(jī)械沖擊力 機(jī)械零件損傷，振動(dòng)沖擊l限制起動(dòng)電流，進(jìn)行變阻起動(dòng)或降壓起動(dòng)第1頁(yè)/共55頁(yè)有級(jí)調(diào)速機(jī)車(chē)有級(jí)調(diào)速機(jī)車(chē):降壓起動(dòng)過(guò)程： v = 0 n = 0 E = 0 U = Id R Id = U/R電壓升至第六級(jí)：從a點(diǎn)起動(dòng) F W n E Id l有級(jí)調(diào)速機(jī)車(chē)SS1有33個(gè)調(diào)壓級(jí)和3級(jí)磁場(chǎng)削弱l對(duì)應(yīng)于牽引變壓器的每級(jí)電壓都有一條

2、速度特性曲線vId6abcd第2頁(yè)/共55頁(yè) 4.2 6G型電力機(jī)車(chē)主電路型電力機(jī)車(chē)主電路T1T2T3T4D1D2D3D4M1M2M3RM4RM3RM1M4M5M6RM2第3頁(yè)/共55頁(yè) 橋式整流：變壓器的容量發(fā)揮充分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 兩段半控橋相控?zé)o級(jí)調(diào)壓：起動(dòng)、調(diào)速平滑 半集中式供電：電機(jī)之間負(fù)載分配較均勻 取消了調(diào)壓開(kāi)關(guān)：主電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)電器動(dòng)作減少一、特點(diǎn)第4頁(yè)/共55頁(yè) 低壓調(diào)壓調(diào)節(jié)RM1，封鎖RM2 D3、D4續(xù)流Ud：0 0.5Ud0 = 450VRM1滿(mǎn)開(kāi)放，調(diào)節(jié)RM2 Ud：0.5Ud0 Ud0 = 900V0-900V0-900V調(diào)壓，用一段橋式電路是否可以實(shí)現(xiàn)，調(diào)壓，用一段橋式

3、電路是否可以實(shí)現(xiàn)，且主電路簡(jiǎn)單？為何用兩段橋式電路？且主電路簡(jiǎn)單？為何用兩段橋式電路？二、調(diào)壓原理 高壓調(diào)壓第5頁(yè)/共55頁(yè) 4.3 機(jī)車(chē)功率因數(shù)問(wèn)題機(jī)車(chē)功率因數(shù)問(wèn)題 實(shí)現(xiàn)端電壓平滑調(diào)節(jié)，減少電流沖擊，較好利用粘著力 獲得機(jī)車(chē)工作范圍內(nèi)的任意牽引力和速度 更好地利用機(jī)車(chē)的慣性 取消笨重的有觸點(diǎn)式調(diào)壓開(kāi)關(guān)晶閘管整流實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：晶閘管整流實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的缺點(diǎn)：功率因數(shù)低和諧波分量較高第6頁(yè)/共55頁(yè)機(jī)車(chē)功率因數(shù)概念： 一般正弦交流電路：一般正弦交流電路：U U、I I 均為正弦均為正弦 功率因數(shù)：電壓與電流之間相位角的余弦功率因數(shù)：電壓與電流之間相位角的余弦 coscos 電力機(jī)車(chē)：電力機(jī)車(chē)

4、：I I 發(fā)生畸變?yōu)榫匦尾òl(fā)生畸變?yōu)榫匦尾?機(jī)車(chē)整流電路的功率因數(shù)機(jī)車(chē)整流電路的功率因數(shù) =機(jī)車(chē)牽引變壓器高壓側(cè)有功功率機(jī)車(chē)牽引變壓器高壓側(cè)有功功率機(jī)車(chē)牽引變壓器高壓側(cè)視在功率機(jī)車(chē)牽引變壓器高壓側(cè)視在功率 = P / S = Pd / S第7頁(yè)/共55頁(yè)機(jī)車(chē)功率因數(shù)概念： = P / S = U1I1f cos 1U1I1I1f=I1=cos 1 cos 1 ：電流畸變系數(shù) cos 1 ：基波電壓與基波電流之間的相位移系數(shù) 牽引變壓器高壓測(cè)電壓有效值電流基波有效值牽引變壓器高壓測(cè)電流總有效值第8頁(yè)/共55頁(yè)不可控整流電路：SS1MuiIdiu tIdid t第9頁(yè)/共55頁(yè)不可控整流電路：SS

5、1牽引變壓器高壓側(cè)電流與電壓同相位 cos 1 = 1 S = U1I1 = KU2 (Id/K)Ud = 22/ U2S = 22Ud Id = 22Pd = Pd / S = 22 PdPd=22 = 0.9 = P / S = U1I1f U1I1=I1fI1= 0.9第10頁(yè)/共55頁(yè)半控整流電路：idIdtcos 1 = cos /2 電流有畸變電流有畸變 三個(gè)臺(tái)階三個(gè)臺(tái)階utiMuiId第11頁(yè)/共55頁(yè)全控整流電路：idIdtcos 1 = cos 電流有畸變電流有畸變 兩個(gè)臺(tái)階兩個(gè)臺(tái)階MuiIduti第12頁(yè)/共55頁(yè)提高功率因數(shù)的方法提高功率因數(shù)的方法 利用特殊控制方法 不對(duì)

6、稱(chēng)觸發(fā) 扇形控制 PWM控制 多段橋順序控制第13頁(yè)/共55頁(yè)iutiut全控橋：全控橋：存在電壓存在電壓和電流反向階段和電流反向階段 電網(wǎng)吸收能量電網(wǎng)吸收能量半控橋半控橋：不存在電：不存在電壓和電流反向階段壓和電流反向階段 不對(duì)稱(chēng)觸發(fā)不對(duì)稱(chēng)觸發(fā)第14頁(yè)/共55頁(yè)u t iT1 tiT2 tiT3 tiT4 tMuiIdT1T2T4T3T1、T2：晶閘管工作在時(shí)，T1觸發(fā)導(dǎo)通在+，T2觸發(fā)導(dǎo)通T3、T4：二極管工作在網(wǎng)壓過(guò)零時(shí)導(dǎo)通i第15頁(yè)/共55頁(yè)MuiIdT1T2D3D4u t i t t = 晶閘管導(dǎo)通晶閘管導(dǎo)通 t = 晶閘管截止晶閘管截止若若 = = 電流基波分電流基波分量與電源電壓

7、同相位量與電源電壓同相位 cos = 1 扇形控制扇形控制第16頁(yè)/共55頁(yè)第17頁(yè)/共55頁(yè) PWM控制控制eSeCeC：載波：載波eS：正弦調(diào)制波：正弦調(diào)制波調(diào)節(jié)輸出電壓：調(diào)節(jié)輸出電壓：改變脈沖寬度改變脈沖寬度改變脈沖次數(shù)改變脈沖次數(shù)可以消除低次諧波可以消除低次諧波udi第18頁(yè)/共55頁(yè)第19頁(yè)/共55頁(yè) 多段橋順序控制多段橋順序控制T1T3T2T4T5T6D5D6D1D2a1x1a2x2o6G：兩段半控橋順序控制：兩段半控橋順序控制SS4：三段半控橋順序控制：三段半控橋順序控制三段繞組：三段繞組：a1o ox1 U2/4 a2x2 U2/2第20頁(yè)/共55頁(yè)Ud第一段：第一段： 控制半

8、控橋控制半控橋D1D2T1T2 T3T4T5T6都封鎖都封鎖 Ud = 0 Ud0第二段：第二段： T T1 1T T2 2滿(mǎn)開(kāi)放滿(mǎn)開(kāi)放 控制控制T3T 4 Ud = Ud0第三段：第三段： T T5 5T T6 6滿(mǎn)開(kāi)放滿(mǎn)開(kāi)放 控制控制T1T 2 Ud = Ud0第四段：第四段： T T1 1T T2 2 T T5 5T T6 6滿(mǎn)開(kāi)放滿(mǎn)開(kāi)放 控制控制T3T 4 Ud = 1 Ud0負(fù)載轉(zhuǎn)移：負(fù)載轉(zhuǎn)移：T1T2 T3T4封鎖封鎖 T5T6滿(mǎn)開(kāi)放滿(mǎn)開(kāi)放第21頁(yè)/共55頁(yè)1：全控橋：全控橋2：半控橋：半控橋3：兩段半控：兩段半控4：四段半控：四段半控123401UdUd0 0.9結(jié)論：段數(shù)越多結(jié)

9、論：段數(shù)越多功率因數(shù)越高功率因數(shù)越高第22頁(yè)/共55頁(yè)第23頁(yè)/共55頁(yè)4.4 6G電子控制系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)6G：恒流單閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)PI被控對(duì)象被控對(duì)象 電機(jī)電流電機(jī)電流IREF6G：轉(zhuǎn)向架控制轉(zhuǎn)向架控制 牽引制動(dòng)控制牽引制動(dòng)控制第24頁(yè)/共55頁(yè)+24Ve0給定積分器給定積分器比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器電流限制環(huán)節(jié)電流限制環(huán)節(jié)IRefPIMAXM RM1 RM2移相及脈沖形成移相及脈沖形成相位差相位差1800UC1移相及脈沖形成移相及脈沖形成相位差相位差1800UC2eCeC第25頁(yè)/共55頁(yè)6G機(jī)車(chē)控制基本過(guò)程機(jī)車(chē)控制基本過(guò)程:l 給出指令信號(hào) e0l 基準(zhǔn)電流組件 IRef給定積分器 限制

10、電流的上升率和下降率比例調(diào)節(jié)器 避免機(jī)車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn)電流限制環(huán)節(jié) 限制電機(jī)的最大電流l 電流調(diào)節(jié)器PI PI eC l 連續(xù)調(diào)節(jié)器 UC1 UC2l 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng) RM1 RM2 第26頁(yè)/共55頁(yè)4.5 典型電路分析典型電路分析晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)：一、交直疊加移相電路一、交直疊加移相電路Uc 移相移相 脈沖形成脈沖形成 功放功放阻容移相單結(jié)晶體管移相功率不大的整流裝置觸發(fā)系統(tǒng)不經(jīng)脈沖變壓器直流與交流疊加移相鋸齒波與直流疊加移相大功率電力機(jī)車(chē)觸發(fā)系統(tǒng)經(jīng)脈沖變壓器第27頁(yè)/共55頁(yè)6G：交直流電壓串聯(lián)疊加移相：交直流電壓串聯(lián)疊加移相u網(wǎng)網(wǎng)u1LRCR2urur+-uc+24VT1第28頁(yè)/共55頁(yè)R、

11、L、C串聯(lián)諧振：u L和u C相互抵消 u R = uuLRCuLuRuCuLuCu R = u電流可以用改變電阻R值的方法來(lái)調(diào)節(jié)電流改變了，電容的端電壓也變化 1. 同步電路同步電路 串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振電路 6G第29頁(yè)/共55頁(yè)6G：u網(wǎng)網(wǎng) = umsin tu網(wǎng)網(wǎng)同步變壓器同步變壓器 tu網(wǎng)網(wǎng)uc(ur)u網(wǎng)網(wǎng)u1 tu1(反相反相)串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振電路uc(滯后滯后u190)ur(實(shí)際超前網(wǎng)壓實(shí)際超前網(wǎng)壓90)R、L、C兼有濾波作用第30頁(yè)/共55頁(yè)RLC串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振電路 特點(diǎn)：特點(diǎn)：l改變電阻R可以調(diào)節(jié)電容的端電壓l電容的端電壓UC比電源電壓滯后90l從電容端取輸出電壓

12、RLC電路起到濾波作用第31頁(yè)/共55頁(yè)采用同步電壓和可調(diào)直流電壓相疊加改變輸出電壓“0”態(tài)相位改變脈沖相位ur：同步余弦電壓：同步余弦電壓uc：直流控制電壓：直流控制電壓ub = ur + uc = Urmcos t + Uc6G：ur = 7.5cos tuc = +7.5 -7.5V2. 交直疊加移相電路交直疊加移相電路第32頁(yè)/共55頁(yè)u網(wǎng)urttub7.5Vtubtub-7.5V18090 當(dāng)當(dāng) u c= 7.5V u b= 7.5cos t + 7.5 = 0 cos t = 1 t = 180 當(dāng)當(dāng) u c= 0 u b= 7.5cos t + 0 = 0 cos t = 0 t

13、 = 90 當(dāng)當(dāng) u c= - 7.5V u b= 7.5cos t 7.5 = 0 cos t = 1 t = 0結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)當(dāng)u c從從7.5V變到變到7.5V時(shí)，時(shí)，u b= 0的相位從的相位從180變到變到0第33頁(yè)/共55頁(yè)交直疊加移相電路的特點(diǎn)：交直疊加移相電路的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：主電路輸出電壓Ud與控制電壓Uc具有線性關(guān)系ur和和uc相交時(shí)：相交時(shí)：Urmcos = -Uc cos = - Uc / Urm半控：半控：Ud = Ud0 ( 1 + cos ) / 2 Ud與與Uc具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系全控：全控：Ud = Ud0 cos Ud = Ud0UrmUc- U

14、d = Ud02UrmUc+Ud02-缺點(diǎn)：電源電壓波動(dòng)和波形畸變會(huì)影響控制角的變化第34頁(yè)/共55頁(yè)D3T2R20T4R22R26R24T6R28C9R30R32+24V12 脈沖形成電路脈沖形成電路二、脈沖形成及整形電路二、脈沖形成及整形電路第35頁(yè)/共55頁(yè)脈沖形成：脈沖形成：輸入端為低電平：T4截止 T6導(dǎo)通 無(wú)輸出脈沖輸入正脈沖：T4導(dǎo)通 T6截止 C充電：+24V R28 C9 R30 輸出一個(gè)正尖脈沖 12：換相角限制 在換相期間不會(huì)有觸發(fā)脈沖產(chǎn)生第36頁(yè)/共55頁(yè) 脈沖整形電路脈沖整形電路 單穩(wěn)觸發(fā)電路單穩(wěn)觸發(fā)電路D9R34T8R38T10R40C15R44R46+24VR36

15、D11R481.5ms第37頁(yè)/共55頁(yè)脈沖整形：脈沖整形：當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)：T10導(dǎo)通 T8截止 無(wú)輸出脈沖 C充電完畢 左+右 當(dāng)輸入尖脈沖信號(hào)時(shí)：T8導(dǎo)通 D11截止 T10截止 輸出高電平 C放電再反向充電：+24V R46 T8 右+左 D11導(dǎo)通 T10導(dǎo)通 T8截止 輸出低電平結(jié)論：輸出矩形脈沖的寬度和幅值與輸入脈沖的形狀和幅 值無(wú)關(guān) 6G觸發(fā)脈寬1.5msT第38頁(yè)/共55頁(yè)T1T2D1D2防止換流期間，晶閘管不導(dǎo)防止換流期間，晶閘管不導(dǎo)通，造成整流電壓中斷通，造成整流電壓中斷換流期間：換流期間： D1、D2、T1同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通 T2的陽(yáng)極電壓為零的陽(yáng)極電壓為零6G：換相角限制

16、環(huán)節(jié)：換相角限制環(huán)節(jié) 正限制電壓發(fā)生器正限制電壓發(fā)生器三、換相角限制環(huán)節(jié)三、換相角限制環(huán)節(jié)第39頁(yè)/共55頁(yè)換相角限制電路換相角限制電路R2T1R3R4R5T2R6C1R8R7+24VT3D1312R10R11R1C2R12D276AB第40頁(yè)/共55頁(yè)換相限制工作原理：換相限制工作原理：當(dāng)A點(diǎn)的電壓從正變?yōu)樨?fù)，B從負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)：T1截止 T2延時(shí)導(dǎo)通 T3延時(shí)截止 12輸出正信號(hào)當(dāng)A點(diǎn)的電壓從負(fù)變?yōu)檎?，B從正變?yōu)樨?fù)時(shí)：換相期間，T1仍截止 T2導(dǎo)通 T3截止 12仍維持輸出正信號(hào)當(dāng)A點(diǎn)的電壓從負(fù)變?yōu)檎?，B從正變?yōu)樨?fù)時(shí)：換相結(jié)束，T1導(dǎo)通 T2延時(shí)截止 T3延時(shí)導(dǎo)通 12輸出負(fù)信號(hào)第41頁(yè)/共5

17、5頁(yè) 具有脈沖信號(hào) 足夠的電流電壓 觸發(fā)脈沖寬度 觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓同步 觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿(mǎn)足要求晶閘管觸發(fā)脈沖的基本要求：四、脈沖功率放大電路四、脈沖功率放大電路第42頁(yè)/共55頁(yè) 窄脈沖 寬脈沖 連續(xù)脈沖 雙脈沖 脈沖列 組合脈沖晶閘管觸發(fā)脈沖的形式：8K6G第43頁(yè)/共55頁(yè)6G：脈沖放大電路：脈沖放大電路T12T14+24V24Vu110V1.5ms16V2.9V通道輸入通道輸入輸出橋臂輸出橋臂第44頁(yè)/共55頁(yè)脈沖放大工作原理：脈沖放大工作原理：T12的基極有觸發(fā)脈沖：T12導(dǎo)通 T14導(dǎo)通 當(dāng)T14導(dǎo)通時(shí)： 電容C放電 形成16V尖峰電壓 電容電壓低于24V 穩(wěn)壓電源輸出

18、2.9V電壓第45頁(yè)/共55頁(yè) 電流限制環(huán)節(jié) Ud : 0 900V Id : 1650A 1400A 五、基準(zhǔn)電流形成電路五、基準(zhǔn)電流形成電路l給定積分器 限制電流上升率與下降率 上升時(shí)間6S 下降時(shí)間1Sl比例調(diào)節(jié)器 避免大電流指令區(qū)機(jī)車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn) e0 : 0 50% IREF 0 75% 1.5 e0 : 50% 1 IREF 75% 1 0.5第46頁(yè)/共55頁(yè) 基準(zhǔn)電流變化率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)基準(zhǔn)電流變化率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)e0+A01+15V-15V+A02+A04R11 10K R13 10K R7 3K3 R9 1M R6 47K R1010K R2 4K7 R34K7 C147 D4D3R15

19、47KR1410K R16 1MR17 3K3C2 47D11D12P1P2I0-7.5V4K7第47頁(yè)/共55頁(yè)工作原理分析：工作原理分析：A01：比例調(diào)節(jié)器 A04：倒相器 A02：積分器 當(dāng)e0加入正信號(hào)： A01負(fù)飽和輸出-15V D3導(dǎo)通 D3 P2 R16 C I0線性上升 與e0相抵消A01脫離飽和 上升速度取決于時(shí)間常數(shù)R16、C2e0I06S1S 當(dāng)e0加入負(fù)信號(hào)： A01正飽和輸出+15V D4導(dǎo)通 D4 R15 C I0線性下降到0 下降速度取決于時(shí)間常數(shù)R15、C2第48頁(yè)/共55頁(yè) 非線性環(huán)節(jié)非線性環(huán)節(jié)-15VeC+A05R35 22KR31 44K2 R30 47K

20、5 R32100K C3220 D8D10P3 2K2R34 4K7R37 10K-15V+15V+A03R20 66K7 10K R23 100KCD6R38IREFR25 49K9 R24 49K9 DI0R21 4K7R27 1KP4 470R26 680D9D7T1第49頁(yè)/共55頁(yè)非線性環(huán)節(jié)工作原理分析：非線性環(huán)節(jié)工作原理分析：I0 ：0 5V IREF = 1.5 I0 0 -7.5VI0 ：5 10V IREF = 0.5 I0 -7.5 -10V將電位器P4的C點(diǎn)電壓調(diào)整在7.5V當(dāng)| IREF | 7.5V D點(diǎn)電位為負(fù) D6導(dǎo)通放大系數(shù)K1取決于R23、R24和R20 K1= R23/R24 / R20 = 0.5 第50頁(yè)/共55頁(yè) 基準(zhǔn)電流信號(hào)的限制環(huán)節(jié)基準(zhǔn)電流信號(hào)的限制環(huán)節(jié) T1 A05ec ：電機(jī)電壓信號(hào)當(dāng)A03的輸出的負(fù)電壓的絕對(duì)值比A05輸出的正電壓大時(shí)：T1導(dǎo)通 限制A03的輸入電流使輸出的基準(zhǔn)電流信號(hào)降低 -IREFUm900V8.510I