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1、2015 届号分类单位代码:10452本科毕业论文直流调速系统在电车中的运用姓 名黄建强学 号年级 20U专业电气工程及其自动化系（院）汽车学院指导教师陈鹏程2015年 月 日摘要直流调速系统目前已被广泛地应用于自动控制要求比较高的各个生产行业,直流电机调 速系统优点响应速度快,超调量小,而且系统稳定性好,并具有很强的抗干扰能力。国内外已 经把直流调速系统比较广泛地应用于电力 牵引机上，例如地铁、电力 机车、城 市无轨电 车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动，无级调速 以及再生制 动，电能损耗 可大为减少。城市所使用的电车，处在经常性的频繁起动、变速、制动和停 车的运行工作
2、状态下。为了提高工作效率，节省电能，可采用斩波器调速，实行再生制动， 把部分能量回馈给电网，节约的电能将是非常多的。本文主要研究直流调速系统，直流斩波 器的应用，直流调速系统在电车中实现的电路以及系统图，电力机车的发展，速、电流双闭 环直流调速系统 转，直流调速系统干扰以及防护关键字：直流调速系统；斩波器；GTO； IGBT，转速调节器，电流调节器AbstractDC speed control system has been widely used in automatic control requirements are relatively high in every industry,
3、 a DC motor speed regulating system ideal response speed, small overshoot, good stability of the system, and has strong anti interference ability. At home and abroad have put the DC speed control system is widely used in electric traction machine, such as subway, electric locomotive, city trolley bu
4、ses, elevator and so on. The utilization of the DC chopper can easily start smoothly, stepless speed regulating and regenerative braking, energy loss can be greatly reduced. Motor vehicle usually adopts a series excitation type DC motor drive, this is because the series excitation type DC motor with
5、 large starting torque, strong overload capacity, the mechanical characteristics of soft, natural characteristics of no-load speed faster, heavy slow, and is suitable for the multi machine parallel operation. City bus trolleybus working state, in operation often frequent starting, speed, braking and
6、 parking under the. In order to improve work efficiency and save the electric energy, can adopt the chopper speed control, the implementation of the regenerative braking, the feedback part of the energy to the grid, save electric - will be very considerable.Keywords: DC speed regulating system; chop
7、per; GTO; IGBT;目录1 绪论 II第二章直流调速系统及电力机车的发展 12.1 直流调速系统优点与特点 12.2 直流调速系统主要调速方法 12.3 直流斩波器及其原理图 22.4 直流调速系统调速方案 32.5 电力机车发展概况 4第三章系统原理图 53.1 由晶闸管构成直流斩波调图速系统系统框图 53.2 回路构成及其工作原理 63.3IGBT 直流斩波调速系统及其等效电路 74.1直流、电流双闭环调速系统 84.2系统启动分析 94.3转速、电流两个调节器作用 10第五章系统电路的实现 115.1斩波控制连线图 115.2 限幅电路 115.3 速度调节器和电流调节器的实现
8、 125.4干扰的产生和抑制措施 12结论 13参考文献 13谢 辞 141 绪论电力机车和矿厂，土木建筑用电力机车因其容量小活动范围小在线路上无需电气设施， 所以常常使用电力机车，但是过去用切换电枢回路电阻控制电机的启动制动和调速，在电阻 上消耗的电能太大，为了节能，就实行无触点控制现在大多使用电力电子开关器件，如 GTO,直流斩波器等直流调速系统在电力机车中应用直流斩波器控制机车的启动制动调速相 对比较平稳。目前城市电车大多采用晶闸管（SCR）斩波器调速。SCR斩波 器调速，可以做 到平稳起动，损耗小、效率高。但SCR器因为强迫换流电路，会出现换流失败，也就是出现 “失控”现象，会给生产和
9、人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（一般在 150300HZ左右），滤波器体积很大，SCR的开关时间受到元件本身和换流电路参数的限 制，一般导通率不会低，否则在轻载时电流将出现续，使电机附加损耗增大使GT0导通的 门极正向驱动电流较小，这是它应用范围受限制的主要方面。伴随着大功率绝缘栅晶体管 （IGBT）开关元件的开发和应用，使大功率变换器上一个新的台阶IGBT开关工作频率可以 超过音频（大于1000HZ）,耐压较高，电流较大，输入阻抗较高（电压控制元件），导通压降较低，它集功率场效应管(Power MOSFET)和大功率晶体管(GTR)的特点于一身，而 且关断速度高于GTR，是目前较
10、好的的功率开关元件。本文试就直流斩波器调速做一初步探 讨。第二章 直流调速系统及电力机车的发展2.1 直流调速系统优点与特点 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成 直流电动机调速系统，简称直流脉冲调速系统与V-M相比此系统在很多方面有较大的优越性(1) 主回路简单，需用的电子元件少(2) 开关频率高，电流容易持续，谐波少，电机损耗及发热少(3) 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右(4) 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。(5) 电力电子开关器件工作开关状态，导致损耗少，当开关频率适应时，开关损
11、耗也不 大，因而装置效率高。(6) 直流电源才用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于以上优点直流调速系统应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态性能系统中，已逐渐 取代V-M系统。2.2 直流调速系统主要调速方法直流电动机的调速方法有三种：(1) 调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电 动机额定转速向下变速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法很好。 变化遇到的时间常数小，能够快速响应，需要大容量可调直流电源。(2) 改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速 (简称弱磁调速)，从电机额定转速向上调速，属恒功率
12、调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。(3) 改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操 作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作 用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要 求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合 使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为 主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。直流电动机电枢绕组中
13、的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因 而转动。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的，可以非常方便地分别调 节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主 磁通一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可 调的直流电源。2.3 直流斩波器及其原理图直流斩波器的作用是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电也称为直接直流- 直流变换器(DC/DC Converter)，又称直流调压器。其工作过程是利用开关器件来实现通 断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压
14、平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源。它具有效率高、体积小、重量 轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵 引设备的变速拖动中VT1 L i0图1-1 直流斩波电路原理电路直流斩波器一电动机系统的原理图示于图1-1,其中VT表示任何一种电力电子开关器 件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电压E加到电动机上；当VT关断时，直流电 源与电动机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压 波形，如图1 -2所示，好象是电源电压E在t时间内被接上，又在t。时间内被斩断，故称 on off为“斩波”。由图可看出续流二
15、极管承受的电压u是脉冲电压，而负载的电压E由于电感 0M的作用使得平滑，电感足够大时负载电压可理想为一条直线，电流也连续。tont + ton offE on E 二 p E 中 tt 开通的时间（s） t理关断的时间（s） onoffT 功率开关器件的开关周期（s） p 导通占空比为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关 的电路。2.4 直流调速系统调速方案 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快 速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从调速控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系 统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速 系统是最基本的电力拖动控制系统。 直流电动机的转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：U - IRn 二Ke式中：n转速，单位为r/min；U电枢电压，单位为V；I电枢电流，单位为A；R电枢回路总电阻，单位为Q;一励磁磁通，
