內燃機車牽引變頻調速控制系統設計

太原科技大學電子信息學院 劉廣朋 齊向東

安陽縣第一職業高中 趙瑞玲

1 引言

針對鐵路提速的需要，開發交流電傳動工程作業機車是相當必要的。該車設計要求應具有兩種運行方式：即高速、長距離牽引運行狀態和超低速穩定作業運行狀態。目前國內使用的工程作業機車，一方面沒有采用交流電傳動，另一方面都不具備這種性能要求。

2 牽引電機的特性

從電機原理中已知，異步電動機典型的轉矩——轉速特性如圖1所示。電機轉子在同步轉速時，轉矩為0；當轉差率很小時，轉矩隨速度的減小，即轉差率的增加，近乎直線變化。當轉差率S為正時，為電動轉矩；轉差率為負時，為制動（發電）轉矩。轉差率為轉差頻率（轉子電流的頻率）與定子電流頻率f1之比：

異步電動機轉子的旋轉頻率f2，如果能夠測量計算出來，根據負載對轉矩的需要，由電機的控制特性，便能找到其相應的轉差頻率Δf，則變頻器輸出的定子電流頻率f1為：

式中(2)的（+）對應于電動牽引狀態，即定子電流的頻率f1大于轉子旋轉的頻率f2；（-）對應于發電制動狀態，此時轉子旋轉的頻率f2大于定子電流的頻率f1。[4]

圖2為變頻牽引異步電動機額定轉差頻率Δf的特性曲線。該曲線可根據牽引異步電動機設計參數求出。該特性曲線作為轉矩設定（轉差頻率Δf）的原始依據。在變頻器——牽引電動機匹配實驗時進行校正，在工程作業機車現場調試時，根據需要進行適當的調速。

3 牽引變頻調速控制系統的特點

3.1 變頻牽引調速系統的控制方式

由于機車本身及所牽引的拖車重量較大，一般為大慣性負載，其啟動/停車時間均較長，其轉矩的響應時間無快速性要求。因此變頻牽引調速采用轉差頻率控制，實現轉矩的給定控制和轉速轉差閉環控制，完全能滿足牽引控制的各種要求。[2]

3.2 牽引變頻調速系統的工作模式

工程作業車在軌道上行駛作業，通常為“雙車重聯工作”。這樣配置，一方面增加設備的可靠性；另一方面可適應不同的拖車載重和長大坡道、高速長距離之運行要求。

針對交流傳動內燃作業機車設計以及使用方面的要求，牽引變頻調速控制系統應按下述工作方式進行設計：

⑴雙車并聯工作模式

按轉矩給定控制（轉差頻率Δf控制）方式工作；

高速長距離（重載長大坡道等）牽引運行。

⑵單車獨立工作模式

按轉速轉差閉環或V/F開環頻率控制方式工作；

低速穩定作業運行。

3.2.1 雙車并聯工作模式?

雙車并聯、轉矩給定方式原理如圖3所示。控制系統計算牽引電動轉子旋轉中實際運轉頻率f2。如果此時電動機的轉子只需跟著機車一塊運行，只將轉子運行頻率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。當需要施加一定的牽引力（電動轉矩）時，控制系統只要將電動機轉子此時運行的某一頻率f2所對應的轉差頻率Δf′（Δf′/Δf = 實際轉矩/額定轉矩）與f2相加，即f1= f2+Δf′，這樣電動機便輸出相應的轉矩。通過機械傳動機構，機車便得到相應的牽引力。為了給柴油發電機組一定的調節時間，牽引力/制動力的施加，要經過一個給定的斜坡時間予以緩沖。以這種方式進行轉矩控制，牽引變頻調速系統將十分穩定。[3]

結合圖2如果轉矩按（1～15）檔進行控制（分檔如按比例），即轉差頻率特性曲線有15條可供用戶選用。

3.2.2 單車獨立工作模式

在了解轉矩給定方式工作原理之后，我們再來討論轉速轉差閉環工作原理。如圖4所示，在PWM計算方框的輸入信號f2同轉矩給定控制方式中的f2一樣，此處不贅述。速度調節器PI將Vg、Vf求差并進行PI運算，輸出Δf值受Δf數據限幅，即當Δf值在額定值（Δf）以內，輸出其實際值，超過額定的Δf時，限到f2頻率對應的Δf值，即Δf不像轉矩給定控制方式只有15條曲線，而是在牽引/制動工作區中有無數條任一的曲線。[3]

V/F開環頻率（轉速）控制，即將速度信號直接作為牽引變頻器的輸出頻率信號f1。當然V/F開環頻率控制要將牽引控制所需的特性要求考慮進去，遠非一般通用變頻器就能勝任的。

4 牽引變頻調速系統主電路設計

4.1 牽引變頻調速系統的特殊要求

根據此變頻調速系統應用場合的特殊性，因此主電路設計需要考慮一下幾點因素：

⑴柴油發電機組供電系統低抗擾的突出性；

⑵牽引電動機供電要求的特殊性；

⑶牽引變流器免維護要求的必要性。[5]

4.2 牽引變頻調速系統主電路分析

牽引變頻調速系統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：進線回路、整流器、預充電回路、濾波器、動能制動和逆變器等組成。其各部件功能簡述如下：[6]

⑴進線回路

進線回路由刀開關K、進線電抗器Lp和熔斷器RD組成，各電器元件的作用為：

刀開關K：將牽引變頻調速系統（裝置）與機車柴油—發電機組供電系統隔離。

進線電抗器Lp：使整流器交流出入電流連續平滑，減輕整流電路對柴油發電機組電網的干擾。

熔斷器RD：對柴油發電機組提供保護。

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，即晶閘管工作時等效為一個整流二極管。

⑶預充電電路

牽引變頻調速系統，為“交—直—交電壓型變頻器”，中間支流電壓環節由多個大容量的電解電容器串/并組成，以此來保護整流器和電容器不因大的充電電流而損壞。

預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

濾波器主要由多個大容量的電解電容器通過串/并聯連接組成，用均壓電阻1R1、2，進行強制均壓，使串聯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.為異步電機提供無功電流；3.為動能制動和逆變器中的全控型電力電子開關元件換流時，提供低阻通路。

⑸動能制動回路

牽引電動機處于發電制動時，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間，在一個輸出頻率周期時間內，小于其通過續流二極管電流的時間。借助二極管的作用，逆變器將電動機由負載動能轉換來的電能，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，結果電容器上的能量不斷增加，電壓不斷增高，當電壓達到一定值時（如700V），由控制系統開通下面的IGBT晶體管，這樣直流電源的（+）極通過放電制動電阻RB和開通的晶體管，與電源的（-）極接同，流過電流IB= Vdc/ RB。釋放電容器所儲存的電能。逆變器不斷回送電動機發出的電能，從而使機車產生一定的制動力。

⑹逆變器

逆變器由6個IGBT晶體管開關和與1GBT反并聯的6個快恢復續流二極管組成，以實現電流的雙向流通。這個電路結構為二電平控制方式，借助PWM控制技術，實現電壓/頻率（V/F）協調控制（VVVF控制）。

當牽引異步電動機作電動牽引運行時，交流電動機定子繞組端的電壓/電流同向（有一相角差），逆變器將直流電源的電能逆變為交流電能，對電動機供電。當牽引異步電動機作制動運行時，交流電動機定子繞組端的電壓/電流反向（有一相位差），逆變器將電動機發出的交流電能，整流變為直流，回送到濾波電容器上。交流到直流的整流變換，其原理如⑸動能制動中所述。

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

5 控制系統設計

控制系統采用INTEL公司16位單片機作為主控芯片，采用空間電壓矢量波控制方式實現適于單機運行和多機聯動的全數字式轉差頻率控制模式，[2]如下圖：

控制系統通過軟件和硬件結合具有如下特點：

⑴低頻（啟動）大轉矩；⑵200%過載能力及軟件反時限特性；⑶為防止動態過電壓、過電流增設自動失速控制；⑷軟件可選擇的柔性PWM能耗制動；⑸克服電網波動維持輸出電壓的自動電壓控制（AVC）；⑹防堵轉限幅特性（挖土機特性）；⑺適合坡道電停車或急電剎車自然轉換的零制動功能；⑻動態轉速跟蹤可保證系統在車輛運行中進行電投入；⑼過載保護、峰值過電流保護、過熱保護、欠壓保護、缺相保護及故障記憶，故障自恢復功能；⑽適于車輛重載牽引的S型加速曲線。

6 實驗分析

此系統屬于傳動控制級。主整流器采用三相橋式半控整流電路；電機控制策略為矢量控制，這是一種高性能異步電機控制技術，動態響應速度快，穩態性能優良。諧波含量低。

由右轉矩給定（轉差頻率Δf）控制實驗結果看，達到預期目標。

由溫升實驗數據分析，牽引變流器溫升正常，故變流器的模塊組合設計是合理的。

經過部件的地面試驗表明，內燃機車交流傳動控制系統作為一個獨立的整體完全可以滿足工礦作業機車的性能要求，是滿足國內國際市場需要的方向所在，具有較好的應用前景。

7 結論

近幾年，隨著工礦機車使用增多，機車廠加大了對工程作業車的研制與開發。與機車廠的合作積累了不少牽引變頻調速系統設計、制造、應用方面的技術和經驗。相信今后隨著合作的深入會研制開發出性能更高的牽引變頻調速控制系統。

[1] 曹國瑞．內燃機車電力傳動[M]．北京，中國鐵道出版社，1990

[2] 黃濟榮．電力牽引交流傳動與控制[M]．北京，機械工業出版社，1998

[3] 李華德．交流調速控制系統[M]．北京，電子工業出版社，2004

[4] 陳伯時．電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003

[5] 金 彪．大功率交流傳動內燃機車電傳動系統方案研究[D]．西南交通大學，2002，38-48

[6] 刁利軍，劉志剛，沈茂盛，雷軍．交流傳動試驗系統方案綜述[J]．電氣傳動，2007，9：33-34