基于整流- 有源逆變電路的電力機車節能調速系統

黃圓明 徐 澤

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 電力機車節能調速系統的設計

1.1 節能調速系統的問題背景

如今，在電氣控制系統中，電動機已被廣泛用于生產、運輸、電力、國防和日常生活中等領域。如安裝在電力機車中的電動機提供驅動機車運行的動力。在電力機車實際運行中如何使電力機車的運行速度最優化、效率實現最大化、能耗實現最小化成為了現今需要研究的問題。一方面假如其中的電機突然出現故障，將對整個生產的流水線產生嚴重的影響。另一方面如果其中的電機對電能的利用效率很低，就需要從電網大量消耗輸送的電能，造成能源的浪費，很不經濟。因此對電力機車的速度進行控制，并且對電力機車的節能方面做出改變具有十分重要的意義。

1.2 節能調速系統的總體設計

本設計在三相橋式整流電路基礎上進行設計，如圖1 所示為Matlab 模擬總體設計圖，采用晶閘管全控整流電路將電網的交流電整流成直流電給直流電動機供電，通過改變觸發角度α的大小的方式，從而改變直流電動機的通入的直流電壓Ud的大小，對直流電動機的速度進行調控。

電路將電動機M接在電路中相當于一個反電動勢負載，本電路可以將整個運行過程看作三相橋式全控整流電路帶動反電動勢阻感負載工作的情況。本系統對于三相橋式全控整流電路來說，只要滿足以下兩個條件：（1）電路中有直流電動勢，極性與晶閘管導通方向一致，其值應大于變流器直流側的平均電壓。（2）觸發角度α＞π/2，使Ud為負值兩個條件就可以工作在逆變狀態，此狀態可以將直流電進行逆變，使其變為交流電，當變壓器的交流一側接入電網當中時，該電路變為有源逆變電路狀態，這時的電動機運行于發電的過程，此時將電動所產生的機械能轉變為電能儲存起來，使電能的消耗減少。

1.3 節能調速系統的設計仿真

根據設計要求，我們對電力機車在工作于逆變狀態時進行仿真，使用Matlab 軟件中的simulink 模塊仿真系統的主電路：三相橋式全控整流電路。仿真圖如圖2 所示。

2 系統工作在逆變狀態時的波形及相關計算

我們計算并仿真晶閘管逆變角為β=30°時的電壓電流波形，并分析輸出波形。

圖1 總體設計圖

圖2 主電路仿真圖

當α=120°時，即β=30°時，假設機車下坡時反電動勢負載EM為-500V，電樞電阻為1.5Ω。

圖3 逆變角β=30°時電路仿真波形

Ud平均值：

輸出直流電流的平均值：

每個晶閘管導通角度為2π/3，即120 度，所以流過各個晶閘管的電流的有效值為：

從變壓器的交流一側的電源端送到直流側負載端的電能，即有功功率為：

在三相橋式電路中，每個周期內流經電源的線電流的導通角度為4π/3，是每個晶閘管導通角2π/3 的兩倍，因此變壓器的二次側產生的線電流的有效值為：

3 結論

本文通過Matlab/simulink 仿真模擬了電力機車內部的晶閘管觸發角改變時，機車的運行狀態不同的情況。在上面的仿真中，我們調節觸發角可以使電力機車的速度改變，從而改變了電機中的電樞電壓的大小，使其運行在一個更適合的狀態；在上面的計算中，我們可以看到工作在逆變狀態的電力機車節能調速系統可以將能量回送到電網，將電能儲存起來，以便于電力機車工作在正常運行狀態時消耗電能，這樣實現了電力機車的節能。