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第五章 交流传动机车控制系统

第五章 交流传动机车控制系统. 第一节 交流传动机车主电路. 主要内容. 交流传动机车发展综述 交流传动机车主电路的组成 交流传动机车的技术分类 交流传动机车牵引特性 典型交流传动机车主电路工作原理 交流传动机车新技术及其发展方向. 一、交流传动机车发展综述. 运输的需求. 各种限制. 交流电机的特点. 科学技术的发展. 交流传动机车发展. 一、交流传动机车发展综述. 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。. 运输的需求. 各种限制. 交流电机的特点. 科学技术的发展. 交流传动机车发展. 一、交流传动机车发展综述.

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第五章 交流传动机车控制系统

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Presentation Transcript

  1. 第五章交流传动机车控制系统

  2. 第一节交流传动机车主电路

  3. 主要内容 • 交流传动机车发展综述 • 交流传动机车主电路的组成 • 交流传动机车的技术分类 • 交流传动机车牵引特性 • 典型交流传动机车主电路工作原理 • 交流传动机车新技术及其发展方向

  4. 一、交流传动机车发展综述 运输的需求 各种限制 交流电机的特点 科学技术的发展 交流传动机车发展

  5. 一、交流传动机车发展综述 • 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。 运输的需求 各种限制 交流电机的特点 科学技术的发展 交流传动机车发展

  6. 一、交流传动机车发展综述 • 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。 运输的需求 地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等 各种限制 交流电机的特点 科学技术的发展 交流传动机车发展

  7. 一、交流传动机车发展综述 • 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。 运输的需求 地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等 各种限制 交流电机的特点 单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等 科学技术的发展 交流传动机车发展

  8. 一、交流传动机车发展综述 • 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。 运输的需求 地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等 各种限制 交流电机的特点 单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等 科学技术的发展 电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等 交流传动机车发展

  9. 一、交流传动机车发展综述 • 安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。 运输的需求 地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等 各种限制 交流电机的特点 单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等 科学技术的发展 电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等 交流传动机车发展 满足运输的需求 充分利用新技术 利用新材料 采用新工艺

  10. 辅助变频器 主变频器及电机驱动模块 动力制动模块 通讯模块 空气系统模块 电子设备 二、交流传动机车的主要组成 • 电机 • 同步电机、异步电机 • 牵引变频器 • 逆变器 (电流源型、电压源型、PMW) • 设备与功率器件

  11. 交流传动系统主电路 25000V 1074kW 整流器 0,98 1020kW 逆变器 0,99 异步电机 0,95 1107kW 1085kW 牵引变压器 0,94 变速箱 0,98 1000kW

  12. 交直与交流传动机车主电路比较 25000V 直流 电机 励磁绕组 滤波电抗器 整流器 牵引变压器 变速箱 交直传动机车主电路 25000V 异步电机 整流器 逆变器 1085kW 牵引变压器 变速箱 交流传动机车主电路

  13. 三、交流传动机车的技术分类 牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术 核心层技术 辅助层技术 相关层技术

  14. 三、交流传动机车的技术分类 牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术 核心层技术 冷却与通风技术、辅助变流器技术 控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术 辅助层技术 相关层技术

  15. 三、交流传动机车的技术分类 牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术 核心层技术 冷却与通风技术、辅助变流器技术 控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术 辅助层技术 相关层技术 司机台操纵技术、车体轻量化技术 转向架技术、空气制动技术 高压测检测技术

  16. 本讲课要解决的问题 2 牵引逆变器如何控制能满足牵引电机对机车牵引的要求？ 1 变频调速异步电机如何控制能满足机车牵引的要求？ 机车牵引特性有哪些要求？

  17. 四、机车牵引特性 机车牵引特性要求： 1、能产生足够大的牵引力 2、能方便广泛调节速度 3、有较高的过载能力 4、充分发挥机车功率 5、先进的经济技术指标

  18. 交流电机（异步）的矩速特性

  19. ? 关键问题：

  20. 1、异步电机变频调速特性分析 （1）变频调速时异步电机参数变化为：

  21. （2）用 表示的力矩公式M

  22. 恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线

  23. （3）用 表示的力矩公式

  24. 结论：当

  25. 3、机车牵引中异步电机的运行特性 （1）恒力矩起动 ①采用恒压频比控制 低频时适当提高电压，抵消定子绕组内阻的影响。 ②采用恒磁通控制 电机各参数与频率的关系：

  26. 恒功率1： 恒功率2： (2) 恒功率运行

  27. 恒功率1： 第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机

  28. 恒功率2： 第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机

  29. 五、典型交流传动机车主电路工作

  30. 法国 TGV 、西班牙AVE机车主电路（同步电机） 励磁

  31. 韩国 TGV机车主电路（同步电机） 励磁

  32. 电流型逆变器 (异步电机)

  33. GTO 电压型逆变器(欧洲之星 TGV )

  34. 典型的地铁牵引变频器 每一个动车一台逆变器，同时为4台异步电机供电 MAC MAC MAC MAC

  35. PT4 PT3 PT2 PT1 (1,5kV & (15kV DB) (25kV & 3kV SNCB) 15kV CFF) SF1-FI H(O-15) Essieu 4 H3-FI Essieu 3 DJ(C) 7,2 mH H2-FI Essieu 2 H(O-C) SF2-FI CC-FI-50 H(O-M) 7,2 mH H1-FI DJ(M) C(PC)FI-50 Palpage avec PF(C) TFI-50 C(IS)FI-50 éclateur R(PC)FI-50 Option "Filtre 50Hz" SF-FI-50 10 mH R(DC)CAP-FI-50 CAP-FI-50 1 mF TFI-QL(M) CVS-AUX sur essieux 1 et 3 E-TFP CA2(I)PMCF CA1(I)-OND PF(M) H-INV-CONT CA(I)RH SF1-HACH H-CONT 3 x 1 mF 2,835 mH H-INV-15 M1 H-15 C(IS)E(C) SF2-HACH R(DC)CAP-OND 2,835 mH CAP-OND C(PC)E(C) CAP-2F R(DC)CAP-2F 3 x 1,33 mF R(PC)E(C) RH CA2(I)-OND OND-RH OND PMCF CA(I)DIFF CA(U)EC C(IS)PMCF1 Options non représentées : C(IS)PMCF2 CA(U)PMCF - Chauffage C(PC)PMCF R(PC)PMCF CA1(I)TFP CA2(I)TFP x 3 Nota sur les pantographes pour le fonctionnement sous 3kV : - Sur le démonstrateur, en configuration 3 pantographes, on utilisera uniquement le pantographe 3 (PT3) avec un archet adapté aux essais réalisés MRE_2563_FR B 适用于4种电压供电的机车牵引变频器(~25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV) (3kV FS) ? 50 ? 3,7 ? 50 CA1(I)PMCF ? 50

  36. 牵引变频器3种电压供电的机车 (~25Kv/15kV, =1,5kV) SF1-FI DJ(C) H(O-C) H-FI-XX Palpage SF2-FI C(ALI)FI R(ALI)FI H(O-M) Ecrêteur SF-FI-XX DJ(M) CAP-FI-XX Q1L(M) CA(U)1/2-OND CA(I)1-OND C(PC)PMCF R(PC)PMCF SF1-2F-FI M1 CAP-OND CAP-PMCF H-2F C(IS)E(C) SF2-2F-FI RH1 H4-PMCF C(PC)E(C) R(PC)E(C) CA(I)PMCF CAP-2F CA(I)2-OND OND PMCF CA(U)1/3-OND CA(U)OND CA(U)PMCF = 380 V~ } ~ C(PC)PMCF AUX X 3 CA2(I)TFP CA1(I)TFP FTR - 17/08/1998 Rev E - Page 2

  37. 六、交流传动机车新技术 • 大功率电力电子器件 • 交流电机驱动控制规则与控制理论 • 列车网络技术 • 列车控制系统软件 • e化列车（ eTrain ） • eTrain 监控系统 • 音频系统 • 车地通讯新技术 • 典型的司机室无线通讯技术

  38. 第二节异步电动机变频调速控制系统

  39. 变频调速控制系统

  40.  引 言 直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。

  41. 好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。 • 为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。

  42. 转速开环型控制系统 • 电压/频率比控制是控制定子电压和定子频率，使定子电压以一定的函数关系跟踪定子频率的变化，从而在调频调速过程中近似地保持电机气隙磁通不变的一种控制方法。 • 中间直流电压可调的电压型逆变器－异步电机变频调速系统控制电路由基准部分、整流器控制部分和逆变器控制部分组成。

  43. 1、基准部分 2、整流器控制部分 3、逆变器控制部分

  44. 转速开环型控制系统 • 电压/频率比控制，无法控制异步电机的转差频率，对于多台电动机由同一台逆变器供电的情况，各台异步电机的转差频率一般是不同的，即使同一台异步电机，转差频率的大小也是随负载的大小而变化的。是一种频率（转速）的开环控制，并不能对电机的转速进行精确的控制。

  45. 转速开环型控制系统 • 如果变频调速系统长期处于稳定运行状态而不需要频繁起动和制动；或者负载特性比较固定，基本上不需要因电机特性差异而进行调整的一类负载（风机、水泵等节能调速），可以采用电压闭环、转速开环的控制系统。

  46. 电压/频率比控制稳态特性 • 电压/频率比控制时的各种稳态运行特性通常是以转差频率为恒坐标给出的。

  47. 电压/频率比控制稳态特性

  48. 电压/频率比控制稳态特性

  49. 6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统 • 概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5~500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

  50. 所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 • 下页图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。

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