电传动控制原理第四章 相控电力机车a概要

第四章相控调压调速及其控制系统——6G型电力机车§4.1有级调速与无级调速以起动过程为例：速度由零上升到运行速度的加速过程，特殊形式的速度调节起动时电力机车速度为0，牵引电动机转速为0牵引电动机的反电势E=Cen=0若进行满压起动，将产生很大的起动电流10倍额定电流在换向器上产生火花环火过大的电磁转矩破坏机车的粘着条件，空转过大的机械冲击力机械零件损伤，振动冲击限制起动电流，进行变阻起动或降压起动有级调速机车:降压起动过程：v=0n=0E=0U=IdRId=U/R电压升至第六级：从a点起动FWnEId有级调速机车SS1有33个调压级和3级磁场削弱对应于牵引变压器的每级电压都有一条速度特性曲线vId6abcd§4.26G型电力机车主电路T1T2T3T4D1D2D3D4M1M2M3RM4RM3RM1M4M5M6RM2桥式整流：变压器的容量发挥充分，结构简化两段半控桥相控无级调压：起动、调速平滑半集中式供电：电机之间负载分配较均匀取消了调压开关：主电路简单、开关电器动作减少一、特点低压调压调节RM1，封锁RM2D3、D4续流Ud：0~0.5Ud0=450VRM1满开放，调节RM2Ud：0.5Ud0~Ud0=900V0-900V调压，用一段桥式电路是否可以实现，且主电路简单？为何用两段桥式电路？二、调压原理高压调压§4.3机车功率因数问题实现端电压平滑调节，减少电流冲击，较好利用粘着力获得机车工作范围内的任意牵引力和速度更好地利用机车的惯性取消笨重的有触点式调压开关晶闸管整流实现无级调速的优点：晶闸管整流实现无级调速的缺点：功率因数低和谐波分量较高机车功率因数概念：•一般正弦交流电路：U、I均为正弦功率因数：电压与电流之间相位角的余弦cos•电力机车：I发生畸变为矩形波机车整流电路的功率因数=机车牵引变压器高压侧有功功率机车牵引变压器高压侧视在功率=P/S=Pd/S机车功率因数概念：=P/S=U1I1fcos1U1I1I1f=I1=cos1cos1：电流畸变系数cos1：基波电压与基波电流之间的相位移系数牵引变压器高压测电压有效值电流基波有效值牵引变压器高压测电流总有效值不可控整流电路：SS1Mu~i~Idi~u~tIdidt不可控整流电路：SS1牵引变压器高压侧电流与电压同相位cos1=1S=U1I1=KU2•(Id/K)Ud=22/•U2S=22UdId=22Pd=Pd/S=22PdPd=22=0.9=P/S=U1I1fU1I1=I1fI1=0.9半控整流电路：idIdtcos1=cos/2电流有畸变三个台阶u~ti~Mu~i~Id全控整流电路：idIdtcos1=cos电流有畸变两个台阶Mu~i~Idu~ti~提高功率因数的方法利用特殊控制方法–不对称触发–扇形控制–PWM控制多段桥顺序控制i~u~ti~u~t全控桥：存在电压和电流反向阶段电网吸收能量半控桥：不存在电压和电流反向阶段•不对称触发u~tiT1tiT2tiT3tiT4tMu~i~IdT1T2T4T3T1、T2：晶闸管工作在时，T1触发导通在+，T2触发导通T3、T4：二极管工作在网压过零时导通i~Mu~i~IdT1T2D3D4u~ti~tt=晶闸管导通t=晶闸管截止若=电流基波分量与电源电压同相位cos=1•扇形控制双重扇形控制•PWM控制eSeCeC：载波eS：正弦调制波调节输出电压：改变脉冲宽度改变脉冲次数可以消除低次谐波udi~多重PWM控制•多段桥顺序控制T1T3T2T4T5T6D5D6D1D2a1x1a2x2o6G：两段半控桥顺序控制SS4：三段半控桥顺序控制三段绕组：a1oox1U2/4a2x2U2/2Ud第一段：控制半控桥D1D2T1T2T3T4T5T6都封锁Ud=0~¼Ud0第二段：T1T2满开放控制T3T4Ud=¼~½Ud0第三段：T5T6满开放控制T1T2Ud=½~¾Ud0第四段：T1T2T5T6满开放控制T3T4Ud=¾~1Ud0负载转移：T1T2T3T4封锁T5T6满开放1：全控桥2：半控桥3：两段半控4：四段半控123401UdUd00.9结论：段数越多功率因数越高§4.46G电子控制系统6G：恒流单闭环自动控制系统PI被控对象电机电流IREF6G：转向架控制牵引制动控制+24Ve0给定积分器比例调节器电流限制环节IRefPIMAXM~RM1~RM2移相及脉冲形成相位差1800UC1移相及脉冲形成相位差1800UC2eCeC6G机车控制基本过程:给出指令信号e0基准电流组件IRef•给定积分器限制电流的上升率和下降率•比例调节器避免机车发生空转•电流限制环节限制电机的最大电流电流调节器PIeC连续调节器UC1UC2晶闸管触发系统RM1RM2§4.5典型电路分析晶闸管触发系统：一、交直叠加移相电路Uc移相脉冲形成功放阻容移相单结晶体管移相功率不大的整流装置触发系统不经脉冲变压器直流与交流叠加移相锯齿波与直流叠加移相大功率电力机车触发系统经脉冲变压器6G：交直流电压串联叠加移相u网u1LRCR2urur’+-uc+24VT1R、L、C串联谐振：uL和uC相互抵消uR=uuLRCuLuRuCuLuCuR=u电流可以用改变电阻R值的方法来调节——电流改变了，电容的端电压也变化1.同步电路——串联谐振电路6G6G：u网=umsintu网同步变压器tu网uc(ur)u网u1tu1(反相)串联谐振电路uc(滞后u190º)ur(实际超前网压90º)R、L、C兼有滤波作用RLC串联谐振电路特点：改变电阻R可以调节电容的端电压电容的端电压UC比电源电压滞后90°从电容端取输出电压RLC电路起到滤波作用采用同步电压和可调直流电压相叠加改变输出电压“0”态相位改变脉冲相位ur：同步余弦电压uc：直流控制电压ub=ur+uc=Urmcost+Uc6G：ur=7.5costuc=+7.5-7.5V2.交直叠加移相电路u网urttub7.5Vtubtub-7.5V180°90°•当uc=7.5Vub=7.5cost+7.5=0cost=－1t=180°•当uc=0ub=7.5cost+0=0cost=0t=90°•当uc=-7.5Vub=7.5cost－7.5=0cost=1t=0°结论：当uc从7.5V变到－7.5V时，ub=0的相位从180°变到0°交直叠加移相电路的特点：优点：主电路输出电压Ud与控制电压Uc具有线性关系ur和uc相交时：Urmcos=-Uccos=-Uc/Urm半控：Ud=Ud0(1+cos)/2Ud与Uc具有简单的线性关系全控：Ud=Ud0cosUd=Ud0UrmUc-Ud=Ud02UrmUc+Ud02-缺点：电源电压波动和波形畸变会影响控制角的变化D3T2R20T4R22R26R24T6R28C9R30R32+24V12•脉冲形成电路二、脉冲形成及整形电路脉冲形成：输入端为低电平：T4截止T6导通无输出脉冲输入正脉冲：T4导通T6截止C充电：+24VR28C9R30输出一个正尖脉冲12：换相角限制在换相期间不会有触发脉冲产生•脉冲整形电路——单稳触发电路D9R34T8R38T10R40C15R44R46+24VR36D11R481.5ms脉冲整形：当无输入信号时：T10导通T8截止无输出脉冲C充电完毕左+右当输入尖脉冲信号时：T8导通D11截止T10截止输出高电平C放电再反向充电：+24VR46T8右+左D11导通T10导通T8截止输出低电平结论：输出矩形脉冲的宽度和幅值与输入脉冲的形状和幅值无关6G触发脉宽1.5msTT1T2D1D2防止换流期间，晶闸管不导通，造成整流电压中断换流期间：D1、D2、T1同时导通T2的阳极电压为零6G：换相角限制环节正限制电压发生器三、换相角限制环节换相角限制电路R2T1R3R4R5T2R6C1R8R7+24VT3D1312R10R11R1C2R12D276AB换相限制工作原理：当A点的电压从正变为负，B从负变为正时：T1截止T2延时导通T3延时截止12输出正信号当A点的电压从负变为正，B从正变为负时：换相期间，T1仍截止T2导通T3截止12仍维持输出正信号当A点的电压从负变为正，B从正变为负时：换相结束，T1导通T2延时截止T3延时导通12输出负信号具有脉冲信号足够的电流电压触发脉冲宽度触发脉冲与主电路电源电压同步触发脉冲的移相范围应满足要求晶闸管触发脉冲的基本要求：四、脉冲功率放大电路窄脉冲宽脉冲连续脉冲双脉冲脉冲列组合脉冲晶闸管触发脉冲的形式：8K6G6G：脉冲放大电路T12T14+24V24Vu~110V1.5ms16V2.9V通道Ⅰ输入通道Ⅱ输入输出桥臂Ⅰ输出桥臂Ⅱ脉冲放大工作原理：T12的基极有触发脉冲：T12导通T14导通当T14导通时：电容C放电形成16V尖峰电压电容电压低于24V稳压电源输出2.9V电压电流限制环节Ud:0900VId:1650A1400A五、基准电流形成电路给定积分器限制电流上升率与下降率上升时间6S下降时间1S比例调节器避免大电流指令区机车发生空转e0:050%IREF075%1.5e0:50%1IREF75%10.5•基准电流变化率调节环节e0+A01+15V-15V+A02+A04R1110KR1310KR73K3R91MR647KR1010KR24K7R34K7C147D4D3R1547KR1410KR161MR173K3C247D11D12P1P2I0-7.5V4K7工作原理分析：A01：比例调节器A04：倒相器A02：积分器•当e0加入正信号：A01负饱和输出-15VD3导通D3P2R16CI0线性上升与e0相抵消A01脱离饱和上升速度取决于时间常数R16、C2e0I06S1S•当e0加入负信号：A01正饱和输出+15VD4导通D4R15CI0线性下降到0下降速度取决于时间常数R15、C2•非线性环节-15VeC+A05R3522KR3144K2R3047K5R32100KC3220D8D10P32K2R344K7R3710K-15V+15V+A03R2066K710KR23100KCD6R38IREFR2549K9R2449K9DI0R214K7R271KP4470R26680D9D7T1非线性环节工作原理分析：I0：0~5VIREF=1.5I00~-7.5VI0：5~10VIREF=0.5I0-7.5~-10V将电位器P4的C点电压调整在7.5V当|IREF|7.5VD点电位为正D6截止放大系数K1取决于R23和R20K1=R23/R20=100/66.7=1.5-IREFI0AB5107.5101.50.5当|IREF|7.5VD点电位为负D6导通放大系数K1取决于R23、R24和R20K1=R23//R24/R20=0.5•基准电流信号的限制环节——T1A05ec：电机电压信号当A03的输出的负电压的绝对值比A05输出的正电压大时：T1导通限制A03的输入电流使输出的基准电流信号降低-IREFUm900V8.510Im16501400ec8.2V当A03的输出的负电压的绝对值比A05输出的正电压小时：T1截止A05的输出电压决定基准电流的限制界限六、两段桥连续控制eC+A03R40100KR3033K2+A04R41100KUC2R3133K2UC1R32100KR3333K2R345K6R355K6R364K7R374K7P2P34K74K7直流负偏压6G：RM1RM2UC1和UC2决定晶闸管的触发角-7.5V~+7.5V工作原理分析：•ec=0~5V牵引电机端压0~450V第一段半控桥工作UC1=7.5V~-7.5V1=180°~0°UC2=7.5V2=180°闭锁510e