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1、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速过程，特殊形式的速度调节 l起动时电力机车速度为0，牵引电动机转速为0 l牵引电动机的反电势 E = Ce n = 0 l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 l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 = 0 n = 0 E = 0 U = Id
2、R Id = U/R 电压升至第六级：从a点起动 F W n E Id l有级调速机车SS1 有33个调压级和3 级磁场削弱 l对应于牵引变压 器的每级电压都 有一条速度特性 曲线 v Id 6 a b c d 4.2 6G型电力机车主电路 T1 T2 T3 T4 D1 D2 D3 D4 M1M2M3 RM4 RM3RM1 M4M5M6 RM2 l桥式整流：变压器的容量发挥充分，结构简化 l两段半控桥相控无级调压：起动、调速平滑 l半集中式供电：电机之间负载分配较均匀 l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RM2 D3 、D4续流 Ud：0 0.5
3、Ud0 = 450V RM1满开放，调节RM2 Ud：0.5Ud0 Ud0 = 900V 0-900V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 l实现端电压平滑调节，减少电流冲击，较好利用粘着力 l获得机车工作范围内的任意牵引力和速度 l更好地利用机车的惯性 l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
4、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 = U1I1f cos1 U1I1 I1f = I1 = cos1 cos1 ：电流畸变系数 cos1 ：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：SS1 M u i Id i u t Id id 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 cos1 = 1 S = U1I1 = KU2 (Id/K) Ud = 22 / U2 S = 22
5、 Ud Id = 22 Pd = Pd / S = 22 Pd Pd = 22 = 0.9 = P / S = U1I1f U1I1 = I1f I1 = 0.9 半控整流电路： id Id t cos1 = cos/2 电流有畸变 三个台阶 u t i M u i Id 全控整流电路： id Id t cos1 = cos 电流有畸变 两个台阶 M u i Id u t i 提高功率因数的方法 l利用特殊控制方法 不对称触发 扇形控制 PWM控制 l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
6、 iT1 t iT2 t iT3 t iT4 t M u i Id T1T2 T4T3 T1、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 M u i Id T1T2 D3D4 u 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 双重扇形控制双重扇形控制 PWM控制 eS eC eC：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 ud i 多重多重PWMPWM控制控制 多段桥顺序控制 T1T3 T2T4 T5 T6 D5 D6
7、D1 D2 a1 x1 a2 x2 o 6G：两段半控桥顺序控制 SS4：三段半控桥顺序控制 三段绕组：a1o ox1 U2/4 a2x2 U2/2 Ud 第一段： 控制半控桥D1D2T1T2 T3T4T5T6都封锁 Ud = 0 Ud0 第二段： T1T2满开放 控制T3T 4 Ud = Ud0 第三段： T5T6满开放 控制T1T 2 Ud = Ud0 第四段： T1T2 T5T6满开放 控制T3T 4 Ud = 1 Ud0 负载转移：T1T2 T3T4封锁 T5T6满开放 1：全控桥 2：半控桥 3：两段半控 4：四段半控 1 2 3 4 01 Ud Ud0 0.9 结论：段数越多 功率
8、因数越高 4.4 6G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IREF 6G：转向架控制 牵引制动控制 +24V e0 给定积分器比例调节器 电流限制环节 IRef PI MAX M RM1 RM2 移相及脉冲形成 相位差1800 UC1 移相及脉冲形成 相位差1800 UC2 eC eC 6G机车控制基本过程: l 给出指令信号 e0 l 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 l 电流调节器PI eC l 连续调节器 UC1 UC2 l 晶闸管触发系统 RM1 RM2 4.5
9、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u1 LR C R2 ur ur +- uc +24V T1 R、L、C串联谐振：u L和u C相互抵消 u R = u u LR C uLuR uC uL uC u R = 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 6G 6G：u网 = umsint u网 同步变压器 t
10、 u网 uc(ur) u网 u1 t u1(反相) 串联谐振电路 uc(滞后u190) ur(实际超前网压90) R、L、C兼有滤波作用 RLC串联谐振电路 特点： l改变电阻R可以调节电容的端电压 l电容的端电压UC比电源电压滞后90 l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 = Urmcost + Uc 6G：ur = 7.5cost uc = +7.5 -7.5V 2. 交直叠加移相电路 u网 ur t t ub 7.5V t ub t ub -7.5
11、V 180 90 当 u c= 7.5V u b= 7.5cost + 7.5 = 0 cost = 1 t = 180 当 u c= 0 u b= 7.5cost + 0 = 0 cost = 0 t = 90 当 u c= - 7.5V u b= 7.5cost 7.5 = 0 cost = 1 t = 0 结论：当u c从7.5V变到7.5V时，u b= 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
12、Ud与Uc具有简单的线性关系 全控：Ud = Ud0 cos Ud = Ud0 Urm Uc - Ud = Ud0 2Urm Uc+ Ud0 2 - 缺点：电源电压波动和波形畸变会影响控制角的变化 D3 T2 R20 T4 R22 R26 R24 T6 R28 C9 R30 R32 +24V 12 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 D9 R34 T8 R38 T10
13、R40 C15 R44 R46 +24V R36 D11 R48 1.5ms 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1.5ms T T1 T2 D1 D2 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
14、节 换相角限制电路 R2 T1 R3 R4 R5 T2 R6 C1 R8 R7 +24V T3 D1 3 12 R10 R11 R1 C2 R12 D2 7 6 A B 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 l具有脉冲信号 l足够的电流电压 l触发脉冲宽度 l触发脉冲与主电路电源电压同步 l触发脉冲的移相范围
15、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 l窄脉冲 l宽脉冲 l连续脉冲 l双脉冲 l脉冲列 l组合脉冲 晶闸管触发脉冲的形式： 8K6G 6G：脉冲放大电路 T12 T14 +24V 24V u 110V 1.5ms 16V 2.9V 通道 输入 通道 输入 输出桥 臂 输出桥 臂 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 l电流限制环节 Ud : 0 900V Id : 1650A 1400A 五、基准电流形成电路 l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 l比例调节器 避免大电流指令区机车发生空转 e0 : 0 50% IREF 0 75% 1.5 e0 : 50
