1、電力牽引控制系統實驗指導書盧國濤 丁娜 電力電子與電力傳動系2008年11月實驗一 直流電力牽引系統實驗一、 實驗目的1. 了解熟悉直流電力牽引系統的構成及各部分作用；2. 重點掌握三段橋的工作原理；3. 了解直流牽引系統牽引和制動原理；4. 了解交直流傳動系統對電網的諧波和無功污染。二、 實驗內容1. 直流電力牽引系統牽引和制動原理實驗；2. 測試三段橋各段橋的電壓；3. 測試直流電力牽引系統工作時電網的諧波和無功功率。三、 實驗線路及原理 整個實驗系統組成框圖如圖1-1圖1-1三相380V交流電進入配電柜后，由柜中變壓器將其變為交直傳動柜和交直交柜所需的單相交流電，控制臺發出相應控制指令到

2、交直傳動柜，由其將交流電整流成直流電，再去驅動電動機組，系統所需的交流輔助電源由交直交柜提供，直流輔助電源由配電柜提供。以上幾部分連接原理圖如圖1-2：圖1-2QS101-輸入空氣開關 TM101-交直傳動變壓器 QA101,QA102-牽引繞組空氣開關 QA103-電機勵磁繞組空氣開關 TC301-同步變壓器 U301,U302-直流變流器模塊M501-直流電機 R305-磁場削弱電阻 PWM-蓄電池充電模塊 MF301-輔助風機 R306-制動電阻 KZ301,KZ302-散熱器過熱保護器 TV301-直流輸出電壓傳感器TV302-勵磁直流電壓傳感器 TA301-直流輸出電流傳感器 TA3

3、02-直流勵磁電流傳感器 R301,R302,R303-空載電阻 KM301-電機電樞接觸器 KM302,KM303-位置轉換開關 KM305-勵磁輸出接觸器 KM306-電阻制動接觸器 KM307-轉向轉換開關 PV301,PV302,PV303-顯示儀表l 直流電力牽引系統各主要部件工作原理和作用：交直傳動變壓器TM101：將380伏三相工頻交流電電源降壓成三段單相電，其次邊繞組分別為a1-b1-x1，a2-x2，a3-x3，其中a1-b1-x1電壓為154V，a2-x2電壓為77V，這兩段電壓為單相三段經濟橋提供交流電，a3-x3電壓為77V，這一段為電機勵磁提供交流電。 直流變流器模塊

4、U301，U302：其內部電路是由晶閘管和二極管組成的三段半控整流橋，它將兩段單相交流電按照一定順序整流成220V直流電。 控制機箱DCU1：它接收來至控制臺的遠控信號或本柜的本控信號，發出相應的指令，控制不同的接觸吸合，使電機處于指定工況(牽引/制動)，發出晶閘管觸發脈沖，使直流變流器模塊輸出一定電壓，控制電機按照設定的轉速旋轉。 控制接觸器：通過不同接觸器的吸合，使電機處于指定的工況(牽引/制動)。 電動機組M501：直流電力牽引系統最綜控制對象。電機型號Z4-112/4-2,額定電壓：DC220V，額定電流：77.2A，額定功率：15KW，額定轉速：3000r/min，最高轉速：4000

5、r/min。 磁場削磁電阻：當三段整流橋輸出最高電壓后，若還要提高電機轉速，只有通過削弱電機勵磁實現。通過并聯一個100歐的電阻在電機勵磁繞組兩端，分流電機勵磁電流，達到消磁目的。相對有級磁場削磁模塊還有無級磁場削磁模塊。 柜前顯示儀表及指示燈：顯示當前系統工作的交流、直流電壓，電流，以及工作及故障指示。 直流輔助系統：包括PWM(A220V/DC24V)控制電源和DC24V蓄電池兩部分，PWM控制電源為系統的控制系統供電，并為蓄電池充電。 輔助風機系統M301，M302：為直流變流器模塊通風，它的電源來至系統的逆變器。l 直流電力牽引系統牽引工況工作原理本實驗系統有兩種控制方式：一是通過設置

6、在控制臺上的控制開關來實施控制。此時的控制是在網絡通訊的傳輸下進行的，可以分為單獨的交直傳動控制、單獨的交直交傳動控制和交直傳動同交直交傳動聯合控制。由控制選擇開關進行控制方式選擇。二是通過設置在交直傳動柜和交直交傳動柜面板上的開關實施單獨的交直傳動控制和交直交傳動控制。此時網絡不投入工作。由設在交直傳動柜和交直交傳動柜面板上控制方式選擇開關進行控制方式選擇。直流電力牽引控制環節由控制鑰匙開關、方向轉換開關、工況選擇開關、啟動按鈕，牽引力電位器、輸入電壓1、輸入電壓2、輸出電壓、勵磁電壓、控制電壓、以及工作指示、向后指示、向前指示、制動指示、牽引指示、故障指示等狀態顯示燈組成。選擇交直傳動柜本

7、地/遠程開關為遠程。在控制臺上合上鑰匙開關，輔助啟動開關，選擇電機工況為牽引，方向向前，控制臺控制單元CCU通過MODBUS把這些信號傳輸給交直控制單元DCU1，DCU1發出相關控制命令。交直傳動控制單元DCU1反饋給CCU相關信息，通過狀態顯示燈來顯示。電壓表通過端子排與交直傳動主電路連接，顯示相關電壓，以上控制按鈕到位后，工作指示、向前指示、牽引指示點亮。以上信號由控制臺發出后，通過網絡傳給交直控制單元DCU1，DCU1得到向前命令后，接觸器KM303相應動作到位，反饋信號正確；網絡傳送牽引命令后，接觸器KM301閉合動作到位，反饋信號正確；DCU1得到啟動命令，接觸器KJ306閉合，通風

8、機投入工作，當DCU1接到牽引命令后，接觸器KM307閉合，投入牽引工作。右旋轉牽引力電位器，可以實施牽引力施加，進入調壓環節。進入整流調壓環節后，首先，開放U302整流單元中的V9、V10，開始第一段（0-1/2）調壓。電機電樞電壓升高，電機加速。再開放U301整流單元中的V3、V4，開始第二段（1/2-3/4）調壓。電機電樞電壓升高，電機加速。然后，開放U301整流單元中的V5、V6，開始第三段（3/4-4/4）調壓。電機電樞電壓升高，電機加速。此時，整流電壓到最高，再旋轉牽引力電位器，接觸器KM304閉合進入磁場削弱狀態。在整個過程中，電動機處于串勵工作狀態。電壓傳感器TV301用于電壓

9、控制反饋。電流傳感器TA301用于電流控制、檢測和實施過流保護。速度傳感器TS301用于速度檢測和閉環控制。在工作期間，接觸器KM302，狀態應保持不變。l 直流電力牽引系統制動工況工作原理在控制臺上合上鑰匙開關，輔助啟動開關，選擇電機工況為制動，方向向前，網絡傳送向前命令，接觸器KM303相應動作到位，反饋信號正確；網絡傳送制動命令后，接觸器KM301、KM305閉合動作到位，反饋信號正確；網絡傳送啟動允許命令后，當DCU1接到制動命令后，接觸器KM302閉合，方可投入制動工作，旋轉制動力電位器，方可以實施制動力施加，進入制動環節進入制動環節后，開放U303整流單元中的V13、V14，開始調

10、壓。電動機工作在他勵狀態，電機電樞回路串聯電阻，實施電阻制動。通過調節制動力電位器可以實施制動力的調節。當電動機速度為零或制動力電位器回零，方可實施牽引/制動，向前/向后轉換。四、 實驗設備及儀器交直/交直交牽引傳動綜合實驗臺TDS2012雙綜示波器FLUKE43B電能質量測量儀萬用表五、 實驗方法1. 牽引實驗l 空載實驗首先將直流控制柜門上的本地/遠程開關設為遠程，即控制臺上操作。三段經濟橋波形測試：由于串勵電機在空載情況下，若將三段橋完全開放，此時電機的轉速非常高，為安全起見，觀察三段橋輸出波形在電阻負載的情況下實驗。其具體接線如下：將圖1-2中去往電機繞組線號為XZ311，XZ312的

11、大線拆除，接入燈箱負載。示波器探頭分別接在線號為2163，2173的端子上。1) 啟動依次合上鑰匙開關，輔助啟動開關，轉動方向轉換開關，選擇電機工況為牽引，方向轉換開關選擇電機轉向為前或后,按下啟動按鈕。右旋牽引力電位器，分別記錄三段橋的電壓波形及數值。2) 停止左旋牽引力電位器回到零位，取消啟動命令，分斷鑰匙開關，電機停車。實驗完成后將燈箱負載線從XZ311，XZ312拆除，將電機電樞繞組重新接在線號為XZ311，XZ312的端子上。l 負載實驗1) 啟動依次合上鑰匙開關，輔助啟動開關，轉動方向轉換開關，選擇電機工況為牽引，方向轉換開關選擇電機轉向為前或后,按下啟動按鈕。右旋牽引力電位器。在

12、電機負載電流為*A，電壓為*伏時，用FLUKE43B電能質量分析儀測量變壓器原邊線號分別為1001，1002的電壓，電流以及功率因數，并記錄。2) 停止左旋牽引力電位器回到零位，取消啟動命令，分斷鑰匙開關，電機停車。3) 改變電機轉向等電機完全停穩后旋轉方向轉換開關，將工況選擇開關仍然選擇在牽引位，右旋轉牽引力電位器，啟動電機，即可實現電動機的反正轉轉換。注意：必須等電機完全停穩后才能旋轉方向轉換開關2. 制動實驗合上鑰匙開關，旋轉方向轉換開關，選擇方向為向前位，工況選擇開關選為制動位。右旋牽引力電位器可以實施制動力的調節。注意：當電動機速度為零或制動力電位器回零，方可實施牽引/制動。六、 實

13、驗報告1. 整理，描繪實驗中記錄的各種數據、波形，并標出幅值與寬度。七、 思考題1. 直流電力牽引系統主電路有哪些類型？各有什么特點？實驗二 交流電力牽引系統實驗一實驗目的1.了解交流傳動系統的結構，調速特性及其對電網的影響；2.了解脈沖整流器的原理和控制方法；3.了解交流牽引系統牽引和制動原理和不同的控制方法；4.了解交流傳動控制系統的設計方法和實驗方法；5.了解交流傳動和直流傳動的優點。二實驗內容 1.脈沖整流器和逆變器牽引和制動原理驗證；2.交流傳動系統對電網的諧波和無功污染分析；三實驗原理及線路1交直交牽引傳動系統工作原理 交直交牽引傳動系統原理圖如圖2-1所示。圖2-1 交直交牽引傳

14、動系統原理圖從圖中可見，交直交牽引傳動系統主要由整流器、逆變器和中間直流環節三大部分組成。整流器為脈沖整流器（也稱四象限整流器），作用是將輸入的交流電轉換為直流，同時通過控制脈沖整流器的輸入側電壓，使輸入脈沖整流器的電流與電網電壓同相位，達到整個系統的功率因數為1的目的，從而使整個交直交牽引控制系統滿足電網諧波和功率因數的要求。中間儲能環節為電容儲能，為逆變器提供支撐直流電壓，此類型的交直交牽引傳動系統也叫做電壓型交直交牽引傳動系統。逆變器為三相電壓型逆變器，采用矢量控制方法，將直流電變換成電壓和頻率均可調的交流電，為感應電機供電，實現電機的各種工況的運轉。詳細工作原理見教材相關章節。2實驗線

15、路 交直交牽引傳動系統電氣系統原理圖如圖2-2所示。包括：配電柜、控制臺、交直交傳動柜和電動機組。配電柜為整個實驗系統提供主電路、輔助電路電源及控制電源。交直交傳動柜和交流電動機共同完成交流傳動的模擬控制，控制臺完成對交直交傳動柜的控制。在控制臺內設有中央控制單元CCU，在交直交傳動柜內設有交流傳動控制單元DCU2，這兩個單元構成整個交直交實驗系統的控制網絡?？刂凭W絡采用MODBUS現場總線。圖2-2 交直交牽引傳動系統電氣系統原理圖CCU-中央控制單元 DCU2-交流傳動控制單元具體的實驗線路主電路和交流輔助電路如圖2-3所示。主電路采用電壓型交直交變頻電路，包括脈沖整流器U1，牽引逆變器U

16、2，中間儲能環節支撐電容C1C4，三相感應電動機M以及連接電抗器UL1等。輔助電路包括交流輔助電路和直流輔助電路兩部分。其中交流輔助電路主要為牽引傳動系統中的輔助系統提供電源，包括一個輔助變流器UR，單相輔助風機MF1、MF2，三相輔助通風機M511等。直流輔助電路主要是24V直流電源、蓄電池等，用于CCU和DCU2的電源供圖2-3 交直交牽引傳動實驗系統主電路和輔助電路圖U1-脈沖整流器 U2-逆變器 UL1-連接電抗器 C1,C2,C3,C4-支撐電容 R-放電電阻 R401-充電電阻 KM401-四象限主接觸器KM402-充電接觸器 MF1,MF2-輔助風機 KM403-風機接觸器 KZ

17、1,KZ2-散熱器過熱保護器 UR-輔助變流器 M511-輔助通風機PV1-交流輸入電壓指示表 PV2-中間電壓指示表 PV3-交流輸出電壓指示表 TV1-交流輸入電壓傳感器 TV2-四象限輸出電壓傳感器 TV4,TV5-交流輸出電壓傳感器TA1交流輸入電流傳感器 TA2,TA3-交流輸出電流傳感器 KJ1、KJ2、KJ3-接觸器動作指令信號 QA401-輔助風機手動空氣開關 給。具體實驗線路見圖2-4所示。系統中的各種開關、接觸器和傳感器的信號進入交直交傳動柜，并通過MODBUS網絡傳給控制臺完成各種控制。圖2-4 直流輔助電路圖CCU-中央控制單元 DCU2-交流傳動控制單元 QA106-

18、蓄電池充電斷路器 QA108-交直交傳動柜控制電源斷路器 QA109-控制臺控制電源斷路器四實驗設備及儀器1交直/交直交牽引傳動綜合實驗臺2雙蹤示波器3萬用表4FLUKE-F43B 電能質量分析儀五實驗方法1牽引控制A、閉合啟動開關，主控單元DCU2接到命令后，首先閉合四象限主接觸器KM401，進入充電環節，此時充電接觸器KM402斷開。在延時一段的充電時間后，DCU2通過電壓傳感器TV1進行充電電壓檢測，充電電壓達到設定值后，主控單元DCU2閉合充電接觸器KM402切除充電電阻R401，完成充電過程。用萬用表記錄充電電壓值。B、選擇控制臺上交流電機的“向前/向后選擇開關”到向前位置，旋轉“啟

19、動”開關到右，啟動四象限變流器，當中間直流電壓為600V時，選擇“牽引/制動選擇開關”到牽引工況。此時電機開始低速轉動。 C、右旋力矩電位器，通過DCU2分別調節四象限整流器與牽引逆變器的控制環節，改變電動機端電壓與頻率，改變電動機的轉速和轉矩，使電機轉速到25003000RPM.D、用示波器記錄電動機的線電壓(2263,2273)和線電流波形及電機電壓的輸入頻率。用電能質量分析儀測量交直交牽引傳動系統的輸入側電壓和電流波形。注意電壓和電流的相位關系，并記錄在報告上。用電能質量分析儀分析系統輸入電流的諧波以及系統的功率因數并記錄。（電能質量分析儀黑表筆接XZ401,紅表筆接XZ402，電流鉗接

20、XZ401）E、啟動直流電機。方向選擇開關與交流電機一致，“工況選擇開關”為制動位置，右旋“啟動”旋鈕，調節力矩電位器，改變直流電機的勵磁電壓和電樞電壓，使直流電機勵磁為77A，電樞電流此時大約為50A。記錄此時電機的線電壓和線電流波形，以及電機端電壓、頻率及轉速數值。同時記錄系統輸入側的電壓和電流波形，分析諧波和功率因數。F、停車。左旋直流電機的力矩電位器到頭，分斷直流電機的方向、工況和啟動開關，左旋交流電機的力矩電位器到頭，分斷交流電機的方向，工況和啟動開關，電機停止。2制動狀態A、閉合啟動開關，主控單元DCU2接到命令后，首先閉合接觸器KM401，進入充電環節。在延時一段的充電時間后，D

21、CU2通過電壓傳感器TV401進行充電電壓檢測，充電結束后，主控單元DCU2閉合接觸器KM402切除充電電阻，完成充電過程。B、旋轉“向前/向后選擇開關”到向前位置，“牽引/制動選擇開關”到制動工況。 C、旋轉力矩電位器，通過DCU2分別調節四象限整流器與牽引逆變器的控制環節，改變電動機端電壓與頻率，也就改變電動機的轉速和轉矩。記錄電動機的線電壓和線電流波形。測量交直交牽引傳動系統的輸入側電壓和電流波形。用電能質量分析儀分析系統輸入電流的諧波以及系統的功率因數并記錄。D、啟動直流電機。選擇方向與交流電機一致，工況開關到牽引，右旋“啟動開關”，右旋力矩電位器，調節直流電機電樞電流到77A。記錄輸入電流的諧波以及系統的功率因數。六實驗報告1整理，描繪實驗中記錄的各種數據、波形，并標出幅值與寬度。注意對于交直交系統輸入側的電壓和電流波形需畫出相位相對關系。2將交直交系統實驗得到的波形及數據與交直系統實驗的數據進行對比分析。3討論分析其它實驗現象。七思考題1交直交