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

太原科技大學(xué)電子信息學(xué)院 劉廣朋 齊向東

安陽縣第一職業(yè)高中 趙瑞玲

1 引言

針對(duì)鐵路提速的需要，開發(fā)交流電傳動(dòng)工程作業(yè)機(jī)車是相當(dāng)必要的。該車設(shè)計(jì)要求應(yīng)具有兩種運(yùn)行方式：即高速、長(zhǎng)距離牽引運(yùn)行狀態(tài)和超低速穩(wěn)定作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)使用的工程作業(yè)機(jī)車，一方面沒有采用交流電傳動(dòng)，另一方面都不具備這種性能要求。

2 牽引電機(jī)的特性

從電機(jī)原理中已知，異步電動(dòng)機(jī)典型的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩為0；當(dāng)轉(zhuǎn)差率很小時(shí)，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(shí)，為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差率為負(fù)時(shí)，為制動(dòng)（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：

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率f2，如果能夠測(cè)量計(jì)算出來，根據(jù)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)矩的需要，由電機(jī)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：

式中(2)的（+）對(duì)應(yīng)于電動(dòng)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(duì)應(yīng)于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率f2大于定子電流的頻率f1。[4]

圖2為變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)匹配實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行校正，在工程作業(yè)機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)速。

3 牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 變頻牽引調(diào)速系統(tǒng)的控制方式

由于機(jī)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(dòng)/停車時(shí)間均較長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)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(shí)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。[2]

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(zhǎng)大坡道、高速長(zhǎng)距離之運(yùn)行要求。

針對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃作業(yè)機(jī)車設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)：

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(zhǎng)距離（重載長(zhǎng)大坡道等）牽引運(yùn)行。

⑵單車獨(dú)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(yùn)行。

3.2.1 雙車并聯(lián)工作模式?

雙車并聯(lián)、轉(zhuǎn)矩給定方式原理如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算牽引電動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)頻率f2。如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只需跟著機(jī)車一塊運(yùn)行，只將轉(zhuǎn)子運(yùn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩）時(shí)，控制系統(tǒng)只要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子此時(shí)運(yùn)行的某一頻率f2所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率Δf′（Δf′/Δf = 實(shí)際轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）與f2相加，即f1= f2+Δf′，這樣電動(dòng)機(jī)便輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)車便得到相應(yīng)的牽引力。為了給柴油發(fā)電機(jī)組一定的調(diào)節(jié)時(shí)間，牽引力/制動(dòng)力的施加，要經(jīng)過一個(gè)給定的斜坡時(shí)間予以緩沖。以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)將十分穩(wěn)定。[3]

結(jié)合圖2如果轉(zhuǎn)矩按（1～15）檔進(jìn)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(dú)立工作模式

在了解轉(zhuǎn)矩給定方式工作原理之后，我們?cè)賮碛懻撧D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)工作原理。如圖4所示，在PWM計(jì)算方框的輸入信號(hào)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(jìn)行PI運(yùn)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(shí)際值，超過額定的Δf時(shí)，限到f2頻率對(duì)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(dòng)工作區(qū)中有無數(shù)條任一的曲線。[3]

V/F開環(huán)頻率（轉(zhuǎn)速）控制，即將速度信號(hào)直接作為牽引變頻器的輸出頻率信號(hào)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(jìn)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(jì)

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(chǎng)合的特殊性，因此主電路設(shè)計(jì)需要考慮一下幾點(diǎn)因素：

⑴柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)低抗擾的突出性；

⑵牽引電動(dòng)機(jī)供電要求的特殊性；

⑶牽引變流器免維護(hù)要求的必要性。[5]

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原理框圖如圖5所示。由圖可知，主電路由：進(jìn)線回路、整流器、預(yù)充電回路、濾波器、動(dòng)能制動(dòng)和逆變器等組成。其各部件功能簡(jiǎn)述如下：[6]

⑴進(jìn)線回路

進(jìn)線回路由刀開關(guān)K、進(jìn)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(jī)車柴油—發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)隔離。

進(jìn)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(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)的干擾。

熔斷器RD：對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組提供保護(hù)。

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(shí)等效為一個(gè)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(gè)大容量的電解電容器串/并組成，以此來保護(hù)整流器和電容器不因大的充電電流而損壞。

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(gè)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(jìn)行強(qiáng)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(jī)提供無功電流；3.為動(dòng)能制動(dòng)和逆變器中的全控型電力電子開關(guān)元件換流時(shí)，提供低阻通路。

⑸動(dòng)能制動(dòng)回路

牽引電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)時(shí)，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(shí)間，在一個(gè)輸出頻率周期時(shí)間內(nèi)，小于其通過續(xù)流二極管電流的時(shí)間。借助二極管的作用，逆變器將電動(dòng)機(jī)由負(fù)載動(dòng)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(dá)到一定值時(shí)（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(dòng)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(chǔ)存的電能。逆變器不斷回送電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能，從而使機(jī)車產(chǎn)生一定的制動(dòng)力。

⑹逆變器

逆變器由6個(gè)IGBT晶體管開關(guān)和與1GBT反并聯(lián)的6個(gè)快恢復(fù)續(xù)流二極管組成，以實(shí)現(xiàn)電流的雙向流通。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)為二電平控制方式，借助PWM控制技術(shù)，實(shí)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(dòng)機(jī)作電動(dòng)牽引運(yùn)行時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)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?，?duì)電動(dòng)機(jī)供電。當(dāng)牽引異步電動(dòng)機(jī)作制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組端的電壓/電流反向（有一相位差），逆變器將電動(dòng)機(jī)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(dòng)能制動(dòng)中所述。

圖5除了主電路各組成部分為還有輔助電源控制回路、信號(hào)檢測(cè)元件以及控制系統(tǒng)弱電控制單元。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用INTEL公司16位單片機(jī)作為主控芯片，采用空間電壓矢量波控制方式實(shí)現(xiàn)適于單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)聯(lián)動(dòng)的全數(shù)字式轉(zhuǎn)差頻率控制模式，[2]如下圖：

控制系統(tǒng)通過軟件和硬件結(jié)合具有如下特點(diǎn)：

⑴低頻（啟動(dòng)）大轉(zhuǎn)矩；⑵200%過載能力及軟件反時(shí)限特性；⑶為防止動(dòng)態(tài)過電壓、過電流增設(shè)自動(dòng)失速控制；⑷軟件可選擇的柔性PWM能耗制動(dòng)；⑸克服電網(wǎng)波動(dòng)維持輸出電壓的自動(dòng)電壓控制（AVC）；⑹防堵轉(zhuǎn)限幅特性（挖土機(jī)特性）；⑺適合坡道電停車或急電剎車自然轉(zhuǎn)換的零制動(dòng)功能；⑻動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤可保證系統(tǒng)在車輛運(yùn)行中進(jìn)行電投入；⑼過載保護(hù)、峰值過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)及故障記憶，故障自恢復(fù)功能；⑽適于車輛重載牽引的S型加速曲線。

6 實(shí)驗(yàn)分析

此系統(tǒng)屬于傳動(dòng)控制級(jí)。主整流器采用三相橋式半控整流電路；電機(jī)控制策略為矢量控制，這是一種高性能異步電機(jī)控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良。諧波含量低。

由右轉(zhuǎn)矩給定（轉(zhuǎn)差頻率Δf）控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

由溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，牽引變流器溫升正常，故變流器的模塊組合設(shè)計(jì)是合理的。

經(jīng)過部件的地面試驗(yàn)表明，內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的整體完全可以滿足工礦作業(yè)機(jī)車的性能要求，是滿足國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)需要的方向所在，具有較好的應(yīng)用前景。

7 結(jié)論

近幾年，隨著工礦機(jī)車使用增多，機(jī)車廠加大了對(duì)工程作業(yè)車的研制與開發(fā)。與機(jī)車廠的合作積累了不少牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。相信今后隨著合作的深入會(huì)研制開發(fā)出性能更高的牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

[1] 曹國(guó)瑞．內(nèi)燃機(jī)車電力傳動(dòng)[M]．北京，中國(guó)鐵道出版社，1990

[2] 黃濟(jì)榮．電力牽引交流傳動(dòng)與控制[M]．北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1998

[3] 李華德．交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]．北京，電子工業(yè)出版社，2004

[4] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

[5] 金 彪．大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)方案研究[D]．西南交通大學(xué)，2002，38-48

[6] 刁利軍，劉志剛，沈茂盛，雷軍．交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)方案綜述[J]．電氣傳動(dòng)，2007，9：33-34