第五章交流传动机车控制系统

辅助层技术 相关层技术
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
三、交流传动机车的技术分类
核心层技术
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
辅助层技术 相关层技术
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
电子设备
交流传动系统主电路
25000V
1107kW
整流器 0,98
1085kW
逆变器 1074kW 异步电机 1020kW
0,99
0,95
牵引变压器 0,94
变速箱 0,98
1000kW
交直与交流传动机车主电路比较
25000V 牵引变压器
整流器
滤波电抗器
励磁绕组 直流 电机
交直传动机车主电路
变速箱
dM 0 df sl
fm
f1r2 r12 x121 (xm 2 x11x22)2 (r1x22)2
2
M m2 pm U f1 1
•
2 r1
r12x1 21 xm 2
f1
(xm 2x1x 12)22(r1x2)22
M q2 pm U f1 1 2• r1r 1 2 (xm 2x1fx 1 12 xm 2 )2 /2 r2 x11 r r1 2 x2 22
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
本讲课要解决的问题
1 变频调速异步电机 如何控制能满足机车 牵引的要求？
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？
机车牵引特性有哪些要求？
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
OND Courant Asynchrone
OND Courant Synchrone
OND Tension Asynchrone
PM: pont mixte PC: pont complet
HAC: hacheur 4 Q: pont 4 quadrants
法国 TGV 、西班牙AVE机车主电路 （同步电机）
MRE_2563_FR B
H(O-M)
H(O-C) Palpage
DJ(M)
Q1L(M)
牵引变频器
3种电压供电的机车 (~25Kv/15kV, =1,5kV)
DJ(C)
SF1-FI
C(ALI)FI R(ALI)FI
SF2-FI
Ecrêteur
H-FI-XX SF-FI-XX
CAP-FI-XX
SF1-2F-FI SF2-2F-FI
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
一、交流传动机车发展综述
运输的需求
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。
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
运输的需求 各种限制 交流电机的特点
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。
25000V 牵引变压器
整流器 1085kW 逆变器
异步电机
交流传动机车主电路
变速箱
三、交流传动机车的技术分类
核心层技术
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
辅助层技术 相关层技术
三、交流传动机车的技术分类
核心层技术
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
CAP-2F 3 x 1,33 mF
R(DC)CAP-2F
C(IS)PMCF1 C(IS)PMCF2
C(PC)PMCF R(PC)PMCF 50 ?
CA(I)DIFF CA(U)EC
CA1(I)PMCF
PMCF
CA(U)PMCF
R(DC)CAP-OND
CAP-OND
3 x 1 mF
RH
3,7 ?
OND-RH
电力电子技术、微电子技术、新材 料、新工艺等
满足运输的需求 充分利用新技术 利用新材料 采用新工艺
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
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
Ond Courant Synchrone
OND Tension Asynchrone
TGV-A TGV-R/2N MS AVE PBKA TGV-Cor閑
EuroStar MAS Taiwan Push-Pull
OND
HAC
Courant
MS Loc BB26000
Synchrone
OND
EMU Z2N
电力电子技术、微电子技术、新材 料、新工艺等
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
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。
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
单位体积重量的功率大、可靠性 好、易维护等
单位体积重量的功率大、可靠性 好、易维护等
交流传动机车发展
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
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。
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
单位体积重量的功率大、可靠性 好、易维护等
OND
Options non représentées : - Chauffage
CA2(I)-OND
M1
CA1(I)TFP CA2(I)TFP
x3
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
HAC
Courant
MAS EMU UT450
Asynchrone
EMU MI2N
PM PC
Les convertisseurs d'entr閑
HAC
4Q
Les convertisseurs moteurs
OND Tension Asynchrone
Loc BB36000
MAS
EMU S閛ul
Arlanda
励磁
韩国 TGV机车主电路（同步电机）
励磁
电流型逆变器 (异步电机)
GTO 电压型逆变器(欧洲之星 TGV )
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 MA C
MA C
MA C
MA C
适用于4种电压供电的机车牵引变频器
PT4 (1,5kV & 3kV SNCB)
PT3 (3kV FS)
CAP-PMCF RH1
C(PC)PMCF R(PC)PMCF
CAP-OND
CA(I)PMCF C(PC)PMCF
PMCF
H-2F C(IS)E(C) H4-PMCF CAP-2F C(PC)E(C) R(PC)E(C)
CA(U)PMCF
} X3
OND
CA(U)OND
= ~
380 V~
AUX
CA2(I)TFP CA1(I)TFP
PT2
PT1
(15kV DB) (25kV &
15kV CFF)
H(O-15)
H(O-M)
H(O-C)
DJ(M)
Palpage avec éclateur
TFI-QL(M)
E-TFP
(~25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV)
DJ(C)
PF(C)
TFI-50
SF1-FI 7,2 mH
H2-FI
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
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
运输的需求 各种限制 交流电机的特点 科学技术的发展
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。
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
CVS-AUX sur essieux 1 et 3
CA1(I)-OND
CA2(I)PMCF
CA(I)RH
PF(M)
C(IS)E(C)
C(PC)E(C) R(PC)E(C) 50 ?
H-INV-CONT H-INV-15
SF1-HACH 2,835 mH
SF2-HACH
H-CONT H-15
2,835 mH
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。
转速开环型控制系统
恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线
（3） 用 E1、f1、fsl 表示的力矩公式
M2 pm E f1 1 2 r2 2(f2 slr f2 slL 2 )2
fm
r2
2L2
2
Mm
pmE1
2
f1
1
4L2
M
2
M m (fsl/fm)(fm/fsl)
结论：当 E1 const
第二节 异步电动机变频调速控制系统
变频调速控制系统
常规交－直－交变频器原理图
PWM交－直－交变频器 图原理 电力机车整流部分 象为 限四 脉冲整流器
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。
交流电机（异步）的矩速特性
n 60f1 (1s)
p
M CMmI2 cos2
关键问题： ?
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：
X 1 f 1
X 2 f1
X m f1
r1、
r
, 2
const
（2）用 U1、f1、fsl表示的力矩公式M
M 2 pm U f1 1 2• r1ff1s r2 l(xm 2x1fx s 12 x l m 2 ) 2 /2 r2 x11 fsfr l1 1 rx 2 22 2
H1-FI
H3-FI
SF2-FI 7,2 mH
Option "Filtre 50Hz"
CC-FI-50
C(PC)FI-50
R(PC)FI-50 50 ?
C(IS)FI-50
R(DC)CAP-FI-50
SF-FI-50 10 mH
CAP-FI-50 1 mF
Essieu 4 Essieu 3 Essieu 2
CA(I)2-OND CA(U)1/3-OND
CA(I)1-OND CA(U)1/2-OND
M1
FTR - 17/08/1998 Rev E - Page 2
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
恒功率2：
U
2 1
const
f1
f sl const
恒功率1：
Us1ccoonnsstt
第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机
恒功率2：
U 1 const f1 s const
第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机
PM ou PC PM PM PC
PMCF
五、典型交流传动机车主电路工作
f1
M f ( f sl ) M max const f max const
fsl con,M stconst
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：
U 1 f1 ( 低频 U 1 ) E1 f1 M const ( f sl const ) M max const I 1 const
(2) 恒功率运行
M2m f1pE1I2 cos2
cos2
r2/s (r2/s)2 x2 2
M
mp
2f1
E1I2
I2
sE1 r2
E1 fsl r2 f
2
M
mp
2r2
Uf11
ຫໍສະໝຸດ Baidu
fsl
Mf1 KU12
fsl f1
P K U12 f1
f sl
I2
E1 (r2 /s)2 x22
恒功率1：
Us1ccoonnsstt