1、輸出平均直流電壓輸出平均直流電壓Ud=Ud0n(2n-1)+cosn)/(2n) (2-6-9)其中：其中：Ud0n= (n/4)Ud0 Ud0 為四段橋全開放時的輸出平均直流電壓為四段橋全開放時的輸出平均直流電壓 n=1，2，3，4（為電壓調節區段數）（為電壓調節區段數） 功率因數功率因數PFPF=2( (2n-1)+ cosn)(1+ cosn)/( (n - 2n-1)n) (2-6-10)電氣制動電氣制動-再生制動再生制動8K機車再生制動工況主電路：全控橋電路牽引電動機他勵減小諧波與功率因數補償問題減小諧波與功率因數補償問題采用功率因數補償器采用功率因數補償器L-C, R-C, R-L

2、-C消除或減小三、五次諧波為主要目的消除或減小三、五次諧波為主要目的電力機車輔助電路電力機車輔助電路為了保證電力機車正常運行，機車上設有三為了保證電力機車正常運行，機車上設有三相相交流輔助電路，以供采用三相鼠籠式異交流輔助電路，以供采用三相鼠籠式異步電動步電動 機驅動的輔助機械裝置（如冷卻通風機、機驅動的輔助機械裝置（如冷卻通風機、油油泵、壓縮機等）之用。泵、壓縮機等）之用。三相交流輔助電源由機車單相交流電源變換三相交流輔助電源由機車單相交流電源變換而而來。三種方變換法：來。三種方變換法：旋轉式劈相機旋轉式劈相機電容分相法電容分相法半導體靜止逆變器半導體靜止逆變器SS1機車輔助電路（旋轉式劈相

3、機機車輔助電路（旋轉式劈相機Y型聯接）型聯接）電力機車控制系統與控制特性電力機車控制系統與控制特性8K機車機車 控制系統控制系統 機車特性曲線機車特性曲線SS4機車機車 控制系統框圖控制系統框圖 控制方式控制方式8K機車控制系統機車控制系統l 機車控制機車控制產生司機控制指令（特性控制器）產生司機控制指令（特性控制器）l 轉向架控制轉向架控制按司機指令，綜合各種因素和限制條件按司機指令，綜合各種因素和限制條件形成實際控制機車主電路負載電流的參形成實際控制機車主電路負載電流的參考電流考電流I IREF，實現，實現主電路電流、電壓的主電路電流、電壓的（閉環）控制調節。（閉環）控制調節。8K機車特性

4、曲線機車特性曲線恒流控制恒流控制I I=200MC (A)準恒速控制準恒速控制V=10 MC (km/h)式中式中MC 為司機手為司機手柄轉動角度柄轉動角度SS4機車控制系統機車控制系統控制系統可實行兩種控制方式控制系統可實行兩種控制方式：恒壓控制方式恒壓控制方式將電流手柄置于較高給定，使電流環不參將電流手柄置于較高給定，使電流環不參與調節作用。與調節作用。Ud=1010(-In(1-0.777X X/32)/1.5) (v)式中：式中：X=0-32X=0-32，為手柄級位，為手柄級位恒流控制方式恒流控制方式將電壓手柄置于較高給定，使電壓環不參將電壓手柄置于較高給定，使電壓環不參與調節作用。與

5、調節作用。I Ia=1260(1.052(1-exp(-3X X/32) (A)SS4機車四段橋連續控制電路及其特性機車四段橋連續控制電路及其特性第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制六、電阻制動六、電阻制動電阻制動基本原理電阻制動基本原理制動工況下牽引電動機（工作在發電機狀態）電勢：制動工況下牽引電動機（工作在發電機狀態）電勢：ED=CenDD=I IDz(Rz+RD)=I IDzRzI IDz=CenDD /Rz 或或 D= I IDzRz/CenD電機電磁力矩（制動力矩）：電機電磁力矩（制動力矩）：MD=Cm I IDzD =(CmCe/Rz) (D) nD =(C

6、mRz/Ce) (I IDz) (1/nD)電阻制動特性電阻制動特性B=f(V) MD =f(nD)與制動工況限制范圍與制動工況限制范圍三種制動控制特性三種制動控制特性l恒勵磁制動特性恒勵磁制動特性l恒制動電流制動特性恒制動電流制動特性l恒速制動特性恒速制動特性制動工況限制范圍制動工況限制范圍最大勵磁電流，最大粘著，最大制動電流，換向條件，最大速度最大勵磁電流，最大粘著，最大制動電流，換向條件，最大速度3. 內燃機車電阻制動電路（東風內燃機車電阻制動電路（東風11， ND5）.4. 電力機車電阻制動電路（SS1）第二章第二章 電力牽引交電力牽引交-直傳動與控制直傳動與控制1、粘著控制與空轉保護

7、粘著控制與空轉保護2、機車主電路的接地保護、機車主電路的接地保護3、電力機車主電路短路、過載、電力機車主電路短路、過載 及過電壓保護及過電壓保護七、交七、交-直電傳動機車粘著控制與主電路的保護直電傳動機車粘著控制與主電路的保護1、粘著控制與空轉保護、粘著控制與空轉保護 幾個基本概念幾個基本概念粘著系數：粘著系數：最大粘著系數：最大粘著系數：粘著利用率：粘著利用率：蠕滑速度：蠕滑速度：NPF輪對正壓力輪對正壓力力力輪軌切向（粘著）牽引輪軌切向（粘著）牽引NPFmaxmax輪輪對對正正壓壓力力（粘粘著著）牽牽引引力力輪輪軌軌切切向向最大max 最大粘著系數最大粘著系數實際粘著系數實際粘著系數車車體

8、體線線速速度度動動輪輪滾滾動動圓圓周周速速度度TRTRSVVVVV蠕滑速度與粘著系數關系曲線：蠕滑速度與粘著系數關系曲線： 當實際牽引力當實際牽引力FFmax，輪軌間出現相對滑動，粘，輪軌間出現相對滑動，粘著狀態被破壞著狀態被破壞空轉空轉 粘著控制目的是在保證不發生空轉前提下，獲得最粘著控制目的是在保證不發生空轉前提下，獲得最大的粘著利用率，使機車能發揮最大平均牽引力大的粘著利用率，使機車能發揮最大平均牽引力 粘著控制方法粘著控制方法 校正型粘著控制方法校正型粘著控制方法傳統粘著控制方法傳統粘著控制方法 在檢測到空轉和滑行發生后，通過削減電機轉矩來實現粘著利用，其一般在檢測到空轉和滑行發生后，

9、通過削減電機轉矩來實現粘著利用，其一般過程如下：過程如下： a.根據輪對間速度差，輪對的加速度及加速度的變化率，檢測空轉或滑行的發生； b. 根據空轉或滑行的程度，削減電機轉矩值并維持一定時間，以消除空轉或滑行； c. 空轉或滑行恢復后，按一定時間常數指數規律，逐漸增加電機轉矩，直至空轉或滑行前電機轉矩值的80%，并在一定的時間內保持電機轉矩不變； e.如果在電機轉矩不變的時間內未發生空轉或滑行，則在保持時間結束后，按一定時間常數的指數規律繼續增加電機轉矩，直至達到由司機手柄給出的電機轉矩給定值。如果再次發生空轉或滑行，則按照（b）處理。 由于傳統的校正型粘著控制方法一方面需要大幅度地削減電機

10、轉矩以消由于傳統的校正型粘著控制方法一方面需要大幅度地削減電機轉矩以消除已經發生的空轉或滑行，另一方面需要緩慢地增加電機轉矩以防止空轉除已經發生的空轉或滑行，另一方面需要緩慢地增加電機轉矩以防止空轉或滑行的再次發生，這樣，粘著工作點常常遠離粘著峰值點，粘著利用率或滑行的再次發生，這樣，粘著工作點常常遠離粘著峰值點，粘著利用率因而一般較低。因而一般較低。 基于粘著特性及蠕滑速度控制型基于粘著特性及蠕滑速度控制型現代粘著控制方現代粘著控制方法法 在現代機車控制中，粘著控制系統是機車傳動控制系統的一部分，在現代機車控制中，粘著控制系統是機車傳動控制系統的一部分，它的主要作用是在線路狀況變化不定的情況

11、下，通過對電機速度、電機它的主要作用是在線路狀況變化不定的情況下，通過對電機速度、電機轉矩等信息的采集、分析和處理，結合由司機給出的電機轉矩指令，向轉矩等信息的采集、分析和處理，結合由司機給出的電機轉矩指令，向電機控制系統發出正確的電機轉矩指令，使機車能夠以線路當前最大的電機控制系統發出正確的電機轉矩指令，使機車能夠以線路當前最大的粘著系數運行，從而獲得最大的粘著利用率。粘著系數運行，從而獲得最大的粘著利用率。 現代粘著控制方法的一個顯著特點是能夠自動搜尋粘著峰值點，現代粘著控制方法的一個顯著特點是能夠自動搜尋粘著峰值點，并使粘著工作點保持在粘著峰值點的附近，從而能夠獲得較高的粘著利并使粘著工

12、作點保持在粘著峰值點的附近，從而能夠獲得較高的粘著利用率。根據搜尋粘著峰值點方法的不同，現代粘著控制方法可以分為蠕用率。根據搜尋粘著峰值點方法的不同，現代粘著控制方法可以分為蠕滑速度法和粘著斜率法兩大類。滑速度法和粘著斜率法兩大類。 a. 蠕滑速度法蠕滑速度法 基于蠕滑速度的粘著控制方法原理是根據粘著特性曲線，通基于蠕滑速度的粘著控制方法原理是根據粘著特性曲線，通過調節蠕滑速度，使其反復地增加和降低，從而自動地搜尋過調節蠕滑速度，使其反復地增加和降低，從而自動地搜尋粘著峰值點。粘著峰值點。b. 粘著斜率法粘著斜率法粘著系數導數法粘著系數導數法粘著斜率粘著斜率可表為：可表為：值點的判斷和搜尋。值

13、點的判斷和搜尋。據此，可完成對粘著峰據此，可完成對粘著峰量。和折算到動輪的轉動慣度、電機轉矩分別為動輪半徑、角速和、式中，又，故但時，當nDnDNSSSSSJMRdtdJMRFPFVVVdtdVdtddVd)(1,000max 校正型粘著控制空轉檢測校正型粘著控制空轉檢測空轉發生時，空轉輪對及其相應的主電路物理狀態將產空轉發生時，空轉輪對及其相應的主電路物理狀態將產生異常變化。按檢測的物理參數的不同可分為三種典型生異常變化。按檢測的物理參數的不同可分為三種典型檢測電路：檢測電路：l檢測牽引電動機電壓信號的檢測電路檢測牽引電動機電壓信號的檢測電路空轉空轉nEU （牽引電動機串并聯連接方式）（牽引

14、電動機串并聯連接方式）l檢測牽引電動機電流信號的檢測電路檢測牽引電動機電流信號的檢測電路空轉空轉nEI I （牽引電動機并聯連接方式）（牽引電動機并聯連接方式） l檢測輪對轉速和角加速度信號等的檢測電路檢測輪對轉速和角加速度信號等的檢測電路空轉空轉n 檢測牽引電動機電壓信號的檢測電檢測牽引電動機電壓信號的檢測電路路空轉信號電流：空轉信號電流：i =(U2-U1)/(2r+R) =Ce(n2-n1)/(2r+R)機車速度較低時，機車速度較低時，值較大，檢測電路靈值較大，檢測電路靈敏度較高。敏度較高。 檢測牽引電動機電流信號的檢測電路檢測牽引電動機電流信號的檢測電路空轉信號電流近似為：空轉信號電流

15、近似為：i=RL(I IL4-I IL5)/r由串勵電動機的速率特性（軟特性）可知，在相同的轉速由串勵電動機的速率特性（軟特性）可知，在相同的轉速差下，電機低速運行時可以獲得較大的電流差，故此是檢差下，電機低速運行時可以獲得較大的電流差，故此是檢測電路靈敏度較高。測電路靈敏度較高。 檢測輪對轉速和角加速度信號的檢測電路檢測輪對轉速和角加速度信號的檢測電路ND5機車空轉檢測保護電路機車空轉檢測保護電路l脈沖轉速檢測（脈沖轉速檢測（f/v）l加速度檢測（轉速微分）加速度檢測（轉速微分）l輪徑自動校正（惰行狀態及輪徑自動校正（惰行狀態及V12km/h下進行）下進行）l空轉檢測分析與空轉信號的分級輸出

16、空轉檢測分析與空轉信號的分級輸出（四級空轉信號）（四級空轉信號） 空轉（滑行）控制系統應用實例空轉（滑行）控制系統應用實例 根據輪對轉速差根據輪對轉速差V產生的產生的14級機車動輪轉速差空轉信號：級機車動輪轉速差空轉信號：VL1，V2，VL3，VL4。其中，。其中， V2為連續的模擬信號，為連續的模擬信號， VL1 、VL3、VL4為邏輯開關信號。為邏輯開關信號。ND5四級空轉信號及控制處理四級空轉信號及控制處理 一級信號一級信號當當VL1為高電平時為高電平時產生產生 自動撒沙操作自動撒沙操作 二級信號二級信號即為即為V2 010V模擬信號，直接輸入至模擬信號，直接輸入至CHEC,用以降低主發

17、功率。用以降低主發功率。 三級信號三級信號機車牽引工況出現下列情況之一時產生：機車牽引工況出現下列情況之一時產生： ARE ARE（單軸加速度超過閾值）（單軸加速度超過閾值）和和VL3均為高電平；均為高電平； SS SS（所有軸加速度超過閾值）；（所有軸加速度超過閾值）； MAXRPM MAXRPM（機（機車超速）為高電平車超速）為高電平 使使CHEC快速降低發電機功率輸出。快速降低發電機功率輸出。 四級信號四級信號當當VL4和和 MAXRPM MAXRPM 均均為高電平時產生為高電平時產生 使使CHEC快速降勵磁，快速降勵磁，WX插插件中件中WSX釋放，釋放，WSR吸合，一方面斷開勵磁機他勵

18、電路，另一方面又使吸合，一方面斷開勵磁機他勵電路，另一方面又使勵磁機串勵繞組去磁電流增大勵磁機串勵繞組去磁電流增大3倍，以更快地減載，切除全部功率輸出。倍，以更快地減載，切除全部功率輸出。8k機車空轉（滑行）控制系統機車空轉（滑行）控制系統 輪徑修正輪徑修正滿足三個條件下進行：滿足三個條件下進行：牽引電機電流牽引電機電流20km/h, |V |0.3km/h 檢測輪對速度差、加速度及加速度變化率檢測輪對速度差、加速度及加速度變化率脈沖計數、脈沖計數、f/v轉換檢測速度及轉換檢測速度及V，由速度微分求加，由速度微分求加速度速度r ，二階速度微分求加速度變化率，二階速度微分求加速度變化率dr/dt

19、 牽引電動機電流給定修正算法牽引電動機電流給定修正算法主要根據主要根據V和和dr/dt修正（在用修正（在用dr/dt修正不能制止空修正不能制止空轉時，加入轉時，加入r引起的修正），按下式計算修正削減電引起的修正），按下式計算修正削減電流峰值：流峰值：I I=205V+208(dr/dt)-252（A） 自動尋找并記憶最大粘著系數時的電流值自動尋找并記憶最大粘著系數時的電流值根據根據dr/dt的突然變化，的突然變化，記憶最大粘著系數時的電流值，記憶最大粘著系數時的電流值，電流恢復是按此電流值削減電流恢復是按此電流值削減10%給定。然后再以給定。然后再以24A/s的斜率緩慢上升，尋找新的最大粘著點

20、。的斜率緩慢上升，尋找新的最大粘著點。SS8/SS9型電力機車防空轉防空轉/滑行保護功能滑行保護功能防空轉、防滑行控制使機車運行在盡可能大的粘著附近，可以保證機車在任何軌面條件下啟動、加速、制動不擦傷輪軌，不發生牽引電機超速。防空轉/滑行控制完全由軟件實現，消除了由硬件控制時引起的不可靠因素。控制特性一致性好，控制參數的調整和控制方式的修改較方便，運行過程中可以通過外接終端讀取全部控制過程中間量。因此，實地調整后能較好地滿足控制要求。微機根據四路速度信號計算出速度差V，加速度a，加速度變化率da。在牽引工況時，V取同一轉向架兩軸速度差，a和da取本轉向架的最大值作為控制值。制動工況下，V取全車

21、最大速度與最小速度的差，a取全車加速度的最大值作為控制值。牽引和制動工況有不同的減流曲線，并根據情況分別采用撒砂、減流等措施來預防和抑制空轉及滑行。減流速率固定，有快速和慢速恢復過程，以免因電流恢復過快而造成再次空轉。電樞電流400A以下時不修正。微機具有輪徑自動補償的功能。在控制值Is1V，牽引工況、速度小于20km/h，無空轉的情況下，以第二個輪對為基準自動進行補償測試。此時各輪對先行距離相等，各輪對所測得的速度各有不同，是由于輪對直徑不等造成的，由此計算出其它輪對直徑對第二輪對直徑的系數。在其它工況下測得的速度，都要用此系數進行修正。第二輪對的直徑可由顯示系統鍵盤輸入。2、機車主電路的接

22、地保護、機車主電路的接地保護接地故障及其危害接地故障及其危害接地保護電路舉例接地保護電路舉例3、電力機車主電路短路、電力機車主電路短路、 過載及過電壓保護過載及過電壓保護第三章第三章 電力牽引交流傳動與控制電力牽引交流傳動與控制主要內容：主要內容：l電力牽引交流傳動技術概述電力牽引交流傳動技術概述l電力牽引交流傳動基礎電力牽引交流傳動基礎l交交-直直-交變流器與逆變器交變流器與逆變器l電力牽引交流傳動的控制技術電力牽引交流傳動的控制技術系統基本結構型系統基本結構型式式l（電壓型）交（電壓型）交-直直-交變流器交變流器+交流交流異步牽引電機系統異步牽引電機系統（普遍應用）（普遍應用）l（電壓型）

23、交（電壓型）交-直直-交變流器交變流器+交流交流同步牽引電機系統同步牽引電機系統l（電流型）交（電流型）交-直直-交變流器交變流器+交流交流異步牽引電機系統異步牽引電機系統l交交-交變流器交變流器+交流同步牽引電機交流同步牽引電機系統系統第三章第三章 電力牽引交流傳動與控制電力牽引交流傳動與控制一、電力牽引交流傳動技術概述一、電力牽引交流傳動技術概述機車交流傳動系統的基本結構機車交流傳動系統的基本結構交流傳動機車：交流傳動機車：（特指）采用各種變流器供電，交（特指）采用各種變流器供電，交流異步或同步電動機驅動的機流異步或同步電動機驅動的機車或車或電動車組。電動車組。變流器類型：變流器類型：交交

24、-交變流器（直接式）交變流器（直接式）交交-直直-交變流器（間接式）交變流器（間接式）發展歷史與現狀發展歷史與現狀交流調速技術交流調速技術上世紀上世紀30年代提出了用交流調速取代直流調速的年代提出了用交流調速取代直流調速的有關理論，有關理論，60年代后才得以迅速發展（電力電子年代后才得以迅速發展（電力電子技術技術-大功率半導體器件）大功率半導體器件）應用：從風機，水泵擴展到鋼鐵行業軋機等其他領應用：從風機，水泵擴展到鋼鐵行業軋機等其他領域域日本日本 1975 直流直流 80%，交流，交流 20%1985 直流直流 20%，交流，交流 80%全世界全世界 上世紀上世紀80年代后五年年代后五年交流

25、調速年均增長交流調速年均增長13%-14%直流調速年均增長直流調速年均增長3%-4% 中國中國 風機、水泵總裝機風機、水泵總裝機3000萬臺，耗電量占萬臺，耗電量占總發電總發電量量38%。采用交流調速節能前景廣。采用交流調速節能前景廣闊闊交流電傳動機車技術發展交流電傳動機車技術發展20世紀世紀60-70年代：初期發展階段年代：初期發展階段1965 德國德國Henschel與與BBC合作開發機車交流傳動合作開發機車交流傳動系統系統1971 第一臺成功運行的交流機車誕生第一臺成功運行的交流機車誕生 DE250070年代年代 共生產共生產25套套 20世紀世紀80年代：交流傳動技術日趨成熟，在各種機

26、車、年代：交流傳動技術日趨成熟，在各種機車、動車上獲得推廣應用動車上獲得推廣應用歐洲發展迅速（共計達歐洲發展迅速（共計達350多臺）多臺） DE500系列（系列（Mak公司公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（系列（Mak+ABB公司公司 2650kw GTO 挪威挪威國鐵）國鐵） ME1500（丹麥國鐵（丹麥國鐵 2410kw 普通晶閘管普通晶閘管1981）美國鐵路交流傳動投入不足，發展較慢美國鐵路交流傳動投入不足，發展較慢 -僅在老機車改造方面作了嘗試僅在老機車改造方面作了嘗試20世紀世紀90年代：交流傳動技術成為熱點年代：交流傳動技術成為熱點美國異軍突起（至美國異軍突起

27、（至1997達達1400臺）臺） SD60MAC（GM公司公司 2834kw GTO 微機控制微機控制 1992） AC4000（GE公司公司 3281kw GTO 32位微機位微機 1994） AC6000（GE公司公司 4474kw GTO 32位微機位微機 1994）歐洲歐洲 GEC-Alsthom公司公司 為敘利亞國鐵開發為敘利亞國鐵開發 2370kw IGBT 1997中國交流牽引傳動技術發展中國交流牽引傳動技術發展70-80 年代一直密切注意世界交流牽引技術發展動態年代一直密切注意世界交流牽引技術發展動態1992 研制成功研制成功1000kw地面變流器（試驗）裝置地面變流器（試驗）

28、裝置1996 AC4000原型車（原型車（4000kw，異步牽引電動機，異步牽引電動機1025kw）2000 DJJ1”藍箭藍箭” 220km/h IPM器件器件 直接轉矩控制直接轉矩控制 1225kw異步電動機異步電動機2001DJ2”奧星奧星”號竣工，田心廠等號竣工，田心廠等 動車組動車組 4800KW，Vmax=160Km/h，自主知識產權，自主知識產權2002 “中華之星中華之星” 試驗速度：試驗速度：312.5公里公里/小時小時2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4大功率電力電子器件的發展大功率電力電子器件的發展-交流傳動發展的關鍵技交流傳動發展的關鍵技術之一術之一晶閘管晶閘

29、管（Thyristor）70年代及以前使用的主要開關元件：半控，低頻年代及以前使用的主要開關元件：半控，低頻目前水平：目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V主要問題：不能用負脈沖關斷，需附加強制換流回路。主要問題：不能用負脈沖關斷，需附加強制換流回路。GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，電流控制可關斷元件，已廣泛用以大功率變流器年代，電流控制可關斷元件，已廣泛用以大功率變流器目前水平：目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V主要問題：關斷增益低（主要問題：關斷增益低（4-5），損耗大，二次擊穿問題限于），損耗大，二次擊穿問題限

30、于1-2kHz（吸收電路、觸發和關斷電路是關鍵）（吸收電路、觸發和關斷電路是關鍵）GTR（Gaint Transistor）大功率晶體管）大功率晶體管電流控制雙極型自關斷元件，電流控制雙極型自關斷元件， 通態壓降低通態壓降低目前水平：目前水平：600A/1200V、450A/1300V主要問題：難于突破主要問題：難于突破1500V功率場效應管功率場效應管（Power MOSFET）(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)壓控器件，輸入阻抗高，開關速度高，損耗小壓控器件，輸入阻抗高，開關速度高，損耗小目前水平：目前水平：200A/10

31、00VIGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兼有兼有MOSFET和和GTR的優點：高速（的優點：高速（20-50kHz)、高阻抗，低壓降等混、高阻抗，低壓降等混合器件，電壓控制元件合器件，電壓控制元件國外已發展到第五代：國外已發展到第五代：第第1代（代（1985 ） 500-1000V 25A第第2代（代（1989 ） 600-1200V 400A第第3代代 高頻、低耗、低壓降高頻、低耗、低壓降 1200-2000V第第4、5代代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至至1500A/1600V模塊

32、化、智能化模塊化、智能化IPM（Intelligent Power Module)智能功率模塊智能功率模塊集功率開關、驅動隔離電路以及過流、過壓、過熱保護等于一體集功率開關、驅動隔離電路以及過流、過壓、過熱保護等于一體的智能型模塊的智能型模塊中國機車用大功率半導體器件發展水平中國機車用大功率半導體器件發展水平晶閘管：晶閘管：200-3000A/6500VGTO：600A/2500V（1993），目前研制），目前研制500-2000A/2500-4500V電力電子器件將在下列三個主要方面取得重大進展：電力電子器件將在下列三個主要方面取得重大進展：注：注：SIT(SITH)靜電感應晶體管（晶閘管）

33、；靜電感應晶體管（晶閘管）；MCT(MCTH)MOS控制晶體管（晶閘管）控制晶體管（晶閘管）交流傳動控制裝置及控制技術的發展交流傳動控制裝置及控制技術的發展上世紀上世紀80年代以前年代以前 主要為模擬器件和開關主要為模擬器件和開關邏輯器件控制方式邏輯器件控制方式80年代年代 出現出現16位微機控制，如位微機控制，如MICAS、SIBAS-16等等90年代年代32位微機控制，如位微機控制，如SIBAS-32等等交流傳動控制技術：交流傳動控制技術： 微機數字化，高精度，高可靠性，復雜綜合微機數字化，高精度，高可靠性，復雜綜合和最優控制和最優控制 電機控制策略：轉差頻率控制（控制轉矩）、電機控制策略

34、：轉差頻率控制（控制轉矩）、矢量控制（可與直流調速性能相媲美）、直矢量控制（可與直流調速性能相媲美）、直接轉矩控制（控制轉矩和磁鏈）接轉矩控制（控制轉矩和磁鏈）交流傳動的優點交流傳動的優點由于鼠籠式異步電動機良好的經濟性能和牽引運行性能，采用由于鼠籠式異步電動機良好的經濟性能和牽引運行性能，采用“電壓型交電壓型交-直直-交變流器交變流器+三相鼠籠式異步牽引電動機三相鼠籠式異步牽引電動機”系統是系統是目前發展的交流傳動機車主要結構形式。主要優點：目前發展的交流傳動機車主要結構形式。主要優點：l 異步電動機陡峭的自然外特性利于抑制機車空轉和打滑，可異步電動機陡峭的自然外特性利于抑制機車空轉和打滑，

35、可大幅度提高機車的粘著性能（最大粘著系數：交流機車可達大幅度提高機車的粘著性能（最大粘著系數：交流機車可達45%，交，交-直機車直機車25%）l 牽引電機結構簡單、可靠，電機熱利用率高，維護、維修方牽引電機結構簡單、可靠，電機熱利用率高，維護、維修方便，運用維護費用低（無換向器和電刷或勵磁整流器等滑動便，運用維護費用低（無換向器和電刷或勵磁整流器等滑動接觸部件）接觸部件）l 單機容量大（不受換向限制），轉速范圍寬，重量輕體積小單機容量大（不受換向限制），轉速范圍寬，重量輕體積小（交流與交（交流與交-直流傳動比較：在相同重量和體積下，功率可大直流傳動比較：在相同重量和體積下，功率可大幅度提高。單

36、位重量功率：直流電動機幅度提高。單位重量功率：直流電動機0.33kw/kg，同步電動，同步電動機機0.5kw/kg，異步，異步電動機電動機0.68kw/kg或更高）或更高）l 交流傳動機車功率因數高，等效干擾電流小，節能，環保交流傳動機車功率因數高，等效干擾電流小，節能，環保l 三相鼠籠式異步牽引電動機造價低三相鼠籠式異步牽引電動機造價低二、電力牽引交流傳動基礎二、電力牽引交流傳動基礎 三相交流電機的旋轉磁場三相交流電機的旋轉磁場1. 三相異步電動機的工作原理及結構三相異步電動機的工作原理及結構iiuiviwiu0t33三相電流波形U UUV VVW WW111222t =Iu=Im0U UU

37、V VVW WW111222t =Iv=ImU UUV VVW WW111222t =Iw=Im逆時鐘方向旋逆時鐘方向旋轉轉 三相異步電動機的轉動原理三相異步電動機的轉動原理 旋轉磁場的磁力線被旋轉磁場的磁力線被轉子導體切割，轉子導體轉子導體切割，轉子導體產生感應電動勢。轉子繞產生感應電動勢。轉子繞組是閉合的，則轉子導體組是閉合的，則轉子導體有電流流過。設旋轉磁場有電流流過。設旋轉磁場按順時針方向旋轉，且某按順時針方向旋轉，且某時刻為上北極時刻為上北極N下為南極下為南極S。根據右手定則，在上。根據右手定則，在上半部轉子導體的電動勢和半部轉子導體的電動勢和電流方向由里向外電流方向由里向外 ，在，

38、在下半部則由外向里下半部則由外向里 。按。按左手定則知，導體受電磁左手定則知，導體受電磁力作用形成電磁轉矩，推力作用形成電磁轉矩，推動轉子以轉速動轉子以轉速n順順n0方向方向旋轉。旋轉。pfn600三相交流電通入定子繞組后形成的旋轉磁場，轉速為三相交流電通入定子繞組后形成的旋轉磁場，轉速為轉子導體感應電動勢頻率：轉子導體感應電動勢頻率：)p60nn(f02異步電動機轉差率異步電動機轉差率s=(n0-n)/n0 0s1電機旋轉磁場同步轉速電機旋轉磁場同步轉速n0=60f1/p (r/m) 三相異步電動機結構三相異步電動機結構 封閉式三相籠型異步電動機結構圖封閉式三相籠型異步電動機結構圖1軸承；軸

39、承；2前端蓋；前端蓋；3轉軸；轉軸；4接線盒；接線盒；5吊環；吊環；6定子鐵心；定子鐵心；7轉子；轉子；8定子繞組；定子繞組；9機座；機座；10后端蓋；后端蓋；11風罩；風罩；12風扇風扇三相籠型異步電動機結構圖三相籠型異步電動機結構圖定子鐵心及沖片示意圖定子鐵心及沖片示意圖 （b）鑄鋁轉子）鑄鋁轉子 籠形式轉子繞組籠形式轉子繞組（a）銅排轉子）銅排轉子定子繞組的聯結定子繞組的聯結 定子三相繞組由三個彼定子三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組即為一相，每相繞每相繞組在空間相差組在空間相差1

40、20電角度。電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中、小型三相電導線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定或扁鋁線繞制后，再按一定規律嵌入定子鐵心槽內。定規律嵌入定子鐵心槽內。定子三相繞組的六個出線端都子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，一般首端分引至接線盒上，一般首端分別標為別標為U1, V1, W1 ，末端分，末端分別標為別標為U2, V2, W2 。這六個。這六個出線端在接線盒里的排列如出線端在接線盒里的排列如

41、圖所示。圖所示。三相繞組可接成星三相繞組可接成星形或三角形。形或三角形。 星形連接三角形連接二、電力牽引交流傳動基礎二、電力牽引交流傳動基礎 異步牽引電動機的調速特性及控制規律異步牽引電動機的調速特性及控制規律異步牽引電動機的基本特性異步牽引電動機的基本特性電磁轉矩特性電磁轉矩特性電磁轉矩公式電磁轉矩公式M=CmI I2cos2 =CmE2(r2/(X2s+r2) =CmE20(sr2/(sX2s0)+r2) (3-2-1)式中：式中： Cm 電機結構常數電機結構常數 電機內旋轉磁場每極磁通電機內旋轉磁場每極磁通(Wb) E2 =4.44f2k2w2 轉子感應電勢轉子感應電勢(v) f2 轉子

42、感應電勢頻率轉子感應電勢頻率(Hz) r2 轉子電路中等效電阻轉子電路中等效電阻() X2s=2f2L2s 轉子等效漏抗轉子等效漏抗() L2s 轉子等效漏感轉子等效漏感(H) cos2= r2/(X2s+r2) 轉子電路功率因數轉子電路功率因數 I I2= E2/(X2s+r2) 轉子電流轉子電流(A)s=(n1-n)/n1 轉差率轉差率 0s1 (3-2-2)n1=60f1/p 電機旋轉磁場同步轉速電機旋轉磁場同步轉速(r/m) (3-2-3)f1 電機定子繞組輸入電源頻率電機定子繞組輸入電源頻率(Hz)n 電機實際轉速電機實際轉速(r/m)由轉差率定義有：由轉差率定義有：n=(1-s)n

43、1=(1-s)60f1/p (3-2-4)以及由以及由n1-n=n2=60f2/p得：得：s =(n1-n)/n1 =f2/f1 (3-2-5)f2=sf1 (3-2-5a)E20=E2/s當電機當電機f2=f1時的轉子感應電勢時的轉子感應電勢(v)X2s0=X2s/s當電機當電機f2=f1時的轉子漏抗時的轉子漏抗()電磁轉矩特性曲線電磁轉矩特性曲線Mmax 臨界臨界(最大最大) 轉矩轉矩Sk 臨界轉差率臨界轉差率Me 額定轉矩額定轉矩Se 額定轉差率額定轉差率MQ 啟動轉矩啟動轉矩（對應（對應s=1)由異步電機扭矩公式，可得電磁轉矩特性曲線。由異步電機扭矩公式，可得電磁轉矩特性曲線。臨界轉矩

44、、轉差率與電機其它參數的關系臨界轉矩、轉差率與電機其它參數的關系由由(3-2-1)式，令式，令dM/ds=0得：得：sk=r2/X2s0=r2/(2f1L2s) (3-2-6)代入代入(3-2-1)式得：式得：Mmax=CmE20/X2s0 =Cm(4.44f1k2w2)/(2f1L2s) =Cm (3-2-7)因此：因此：Mmax與與r2無關無關sk與與f1成反比成反比,與與r2成正比成正比若忽略定子漏抗時，定子輸入電壓近似等于定子感應電勢：若忽略定子漏抗時，定子輸入電壓近似等于定子感應電勢： U1E1= 4.44f1k1w1(3-2-8)當當f1不變，則不變，則 與與U1正比，此時有：正比

45、，此時有：Mmax=Cm=CmU1(3-2-9)當當U1不變，則不變，則與與 1/f1正比，此時有：正比，此時有：Mmax=Cm=Cm(1/f1)(3-2-10)sk與與f1成反比成反比,與與r2成正比成正比當當f1不變時，不變時， 與與U1正比正比Mmax=Cm=CmU1當當U1不變時，不變時，與與 1/f1成正比成正比Mmax=Cm=Cm(1/f1)機械特性機械特性M=f(n)可由可由M=f(s)求得：求得：n =(1-s)n1=60f1(1-s)/pS=1 n=0S=0 n=n1穩定運行區穩定運行區nknn1非穩定運行區非穩定運行區0nnk過載系數過載系數kMkM=Mmax/Me =1.

46、82.5以確保電機穩定運行以確保電機穩定運行諧波電流（磁場）引起的諧波轉矩（附諧波電流（磁場）引起的諧波轉矩（附加轉矩）對機械特性的影響加轉矩）對機械特性的影響 高次諧波電流（磁場）使電機啟動階段轉矩發生較大幅波動，高次諧波電流（磁場）使電機啟動階段轉矩發生較大幅波動，惡化了起動性能，并可使電機轉速不穩定或大幅波動。惡化了起動性能，并可使電機轉速不穩定或大幅波動。異步牽引電動機調速異步牽引電動機調速調速方法調速方法由式由式 n=60f1(1-s)/p可知調速三種途徑：可知調速三種途徑：改變定子繞組磁極對數改變定子繞組磁極對數p繞組換接，有級調速繞組換接，有級調速改變轉差率改變轉差率ss=f(u

47、1,r1,x1s,x2s,r2)改變電機輸入頻率改變電機輸入頻率f1需要變頻電源，可經濟地獲得寬廣平滑的調速需要變頻電源，可經濟地獲得寬廣平滑的調速性能性能變頻調速對機械特性的影響變頻調速對機械特性的影響當取當取U1E1= 4.44f1k1w1時有：時有： = E1/( 4.44f1k1w1) = U1/f1 ( 4.44k1w1) 代入式代入式(3-2-7)： Mmax=CmE20/X2s0 =Cm = CmU1/f1 (3-2-11)可見：可見：l 保持保持u1=c調速，調速，Mmax正比于正比于1/f1；f1 ，u1/f1 ， ，電機工作在磁場削弱狀態。電機工作在磁場削弱狀態。-適合軟負

48、荷特性。適合軟負荷特性。l 改變改變f1調速，且保持調速，且保持U1/f1不變，不變，=const.，電機電機 工作在額定磁通，則工作在額定磁通，則Mmax=const.。-適合硬特性負載適合硬特性負載問題：問題：當采用不同的調頻控制方式時，當采用不同的調頻控制方式時，可以得到牽引電機不同的機械可以得到牽引電機不同的機械特性，用于機車牽引時應當采特性，用于機車牽引時應當采用什么控制方式呢？用什么控制方式呢？異步牽引電動機控制規律的選擇異步牽引電動機控制規律的選擇異步牽引電動機牽引特性的形成異步牽引電動機牽引特性的形成機車理想特性有三部分組成機車理想特性有三部分組成啟動加速階段啟動加速階段-近似

49、恒牽引力近似恒牽引力正常牽引工況正常牽引工況-恒功率恒功率限速階段限速階段 -恒速運行恒速運行實現機車牽引特性必須施行兩方面控制：實現機車牽引特性必須施行兩方面控制： 實行變頻調速，以滿足機車速度不斷變化的要求實行變頻調速，以滿足機車速度不斷變化的要求 實行多種規律控制，以滿足牽引特性在不同階段實行多種規律控制，以滿足牽引特性在不同階段的要求的要求,如：如：啟動階段啟動階段-恒牽引力恒牽引力恒轉矩恒轉矩Mmax不變不變牽引工況牽引工況-恒功率恒功率FV=CMmax與與f1成反比成反比恒功率運行階段異步牽引電機機械特性的控制調節恒功率運行階段異步牽引電機機械特性的控制調節 (阻力矩阻力矩Mz1M

50、z2)(引起工作點引起工作點gg1，欠功率，欠功率) (恒工恒工控制系統發出控制系統發出“增加功率增加功率”信號信號變換成變換成“增頻增頻”信號信號) (f1f1) (轉矩轉矩M1M2)(工作點工作點g1h)恒功率牽引特性形成恒功率牽引特性形成B-C控制規律的選擇控制規律的選擇 啟動階段啟動階段控制使控制使Mmax=C，故應使：，故應使：U1/f1=C (3-2-11) 恒功階段恒功階段控制使控制使Mmax與與f1成反比例變化。可有兩種成反比例變化。可有兩種控制方式：控制方式： 最小電動機、最大逆變器匹配最小電動機、最大逆變器匹配使牽引電動機在各使牽引電動機在各f1下的穩定工作點落在額定下的穩

51、定工作點落在額定工況點工況點上上(s=se)，電機電磁參數在整個恒功范，電機電磁參數在整個恒功范圍均得到充分圍均得到充分利用，具有最小的設計容積利用，具有最小的設計容積功率。功率。令令過載系數過載系數kM=Mmax/Me為常數，可得恒功控制條為常數，可得恒功控制條件：件：Me1=Mmax (1/kM )1 = ( Cm/kM ) (2f1) (U1/f1) =Ckm(U1/f1) =const.即有：即有：U1/f1 =const. (3-2-12)此時：此時： Mmax = Cm (U1/f1) =(Cm U1/f1 )(1/f1)=K(1/f1) (3-2-13) 以上各式中以上各式中Cm

52、，Ckm， K均為常數均為常數圖圖3-2-11 最小電動機匹配控制規最小電動機匹配控制規律律逆變器輸出電流和電壓逆變器輸出電流和電壓電動機轉矩特性電動機轉矩特性 最小逆變器最大電動機匹配最小逆變器最大電動機匹配 在整個恒功運行工況范圍，保持逆變器輸在整個恒功運行工況范圍，保持逆變器輸出電流出電流I I1和電壓和電壓U1恒定，可使逆變器設計恒定，可使逆變器設計容量最小。容量最小。U1I I1=const.此時有：此時有： Mmax = Cm (U1/f1) =(Cm U1) /f1 =K(1/f1 ) (3-2-14) 此時，為保證在整個恒功范圍有足夠的過載能力，此時，為保證在整個恒功范圍有足夠

53、的過載能力，必須按最高定子頻率來設計電機電磁參數，必須按最高定子頻率來設計電機電磁參數，結果是在結果是在恒功低頻段，電機過載能力過剩，導致設計容量要增恒功低頻段，電機過載能力過剩，導致設計容量要增大。大。圖圖3-2-12 最小逆變器匹配控制規律最小逆變器匹配控制規律牽引電動機轉矩特性牽引電動機轉矩特性逆變器輸出電流電壓逆變器輸出電流電壓三、交三、交-直直-交牽引逆變器原理交牽引逆變器原理概述概述交交-直直-較牽引變流器組成結構較牽引變流器組成結構變流器：整流器變流器：整流器+逆變器逆變器整流器整流器-用于將輸入交流電源變為直流，用于將輸入交流電源變為直流，構成交構成交-直直-較系統的直流環節（

54、恒壓或恒流）。較系統的直流環節（恒壓或恒流）。逆變器逆變器-將中間直流環節電源變換成電將中間直流環節電源變換成電壓和頻率均可按一定規律平滑調節的交流電輸壓和頻率均可按一定規律平滑調節的交流電輸出。出。逆變器按中間直流環節特性可分為兩類逆變器按中間直流環節特性可分為兩類電壓型電壓型-中間直流環節電壓維持恒定中間直流環節電壓維持恒定電流型電流型-中間直流環節電流維持恒定中間直流環節電流維持恒定逆變器實質上是以一定聯結方式和控制規逆變器實質上是以一定聯結方式和控制規律工作，從而實現直流電律工作，從而實現直流電交流電變換的交流電變換的可控電子開關陣列。控制規律可分為：可控電子開關陣列。控制規律可分為：

55、矩形波法控制矩形波法控制分諧波法控制（脈寬調制分諧波法控制（脈寬調制PWM）矩形波法控制逆變器組成與逆變原理矩形波法控制逆變器組成與逆變原理逆變器正負主開關狀態在逆變輸出頻率逆變器正負主開關狀態在逆變輸出頻率的每一個周期內轉換一次，使負載電位按的每一個周期內轉換一次，使負載電位按正負兩個正負兩個180（或（或120）寬的矩形波變化。）寬的矩形波變化。基本原理基本原理單相逆變電路及其輸出波形單相逆變電路及其輸出波形（矩形矩形波法控制波法控制）三相逆變電路及其輸出波形三相逆變電路及其輸出波形基本電路模型基本電路模型180導電型輸出電壓波導電型輸出電壓波形形若：若： ZA=ZB=ZC則在則在 0-6

56、0階段內階段內有：有：uA0=ud(ZA/ZC)/(ZB+(ZA/ZC)=ud/3其余各段可類推。其余各段可類推。電流波形電流波形-電機為電感性負載，低頻時諧波分量增大。電機為電感性負載，低頻時諧波分量增大。矩形波法控制三相逆變電路工作特點矩形波法控制三相逆變電路工作特點 相電壓為六階梯波，線電壓為矩形波。相電壓為六階梯波，線電壓為矩形波。 主開關器件工作頻率較低，開關損耗較主開關器件工作頻率較低，開關損耗較小。小。 若負載為感性，在高頻輸出時，電感作若負載為感性，在高頻輸出時，電感作用使電流接近正弦波；但在低頻工作狀用使電流接近正弦波；但在低頻工作狀態下，電流與電壓波形相似，為六階梯態下，電

57、流與電壓波形相似，為六階梯波，高次諧波電流分量較大；波，高次諧波電流分量較大； 此類逆變器在低頻工作區段，將由于存此類逆變器在低頻工作區段，將由于存在較大的高次諧波電流引起牽引電動機在較大的高次諧波電流引起牽引電動機附加轉矩，惡化電機啟動和正常運行性附加轉矩，惡化電機啟動和正常運行性能，同時還將引起繞組發熱以及電磁波能，同時還將引起繞組發熱以及電磁波干擾等。故不能滿足機車低速運行牽引干擾等。故不能滿足機車低速運行牽引工況要求。工況要求。分諧波法（脈寬調制分諧波法（脈寬調制PWM）控制）控制基本思路：基本思路： 克服矩形波控制法在低頻輸出時諧波電流克服矩形波控制法在低頻輸出時諧波電流成分大的缺點

58、；成分大的缺點； 使各相正負主開關狀態在逆變器輸出頻率使各相正負主開關狀態在逆變器輸出頻率的每一個周期內進行多次轉換，從而將的每一個周期內進行多次轉換，從而將“大矩形波大矩形波”分割成多個分割成多個 等效等效“小矩形小矩形波波”， 在要求輸出正弦電壓時，上述矩形波的寬在要求輸出正弦電壓時，上述矩形波的寬度按如下要求進行控制：使輸出電壓的平度按如下要求進行控制：使輸出電壓的平均值隨時間按正弦規律變化。均值隨時間按正弦規律變化。PWM逆變器輸出電壓波形逆變器輸出電壓波形雙極性控制雙極性控制PWM逆變器輸出電壓波形逆變器輸出電壓波形單極性控制單極性控制PWM逆變器輸出電壓波形逆變器輸出電壓波形逆變器

59、逆變器PWM輸出時交流電動機相電輸出時交流電動機相電壓電流波形壓電流波形控制規律的形成（控制規律的形成（SPWM模式）模式）uR 為正弦波為正弦波(調制波調制波)參參考電壓：考電壓： uR=Umsint (3-3-1)Um 為正弦波幅值為正弦波幅值(可調可調)=2f1 為輸出角頻率為輸出角頻率f1 為輸出頻率為輸出頻率(可調可調)u 為三角波為三角波(載波載波)f 為三角波頻率為三角波頻率U為三角波幅值為三角波幅值相電壓相電壓合成合成關于調制比關于調制比m和輸出電壓的調節和輸出電壓的調節 調制比調制比mm=f/f1 (3-3-2) m的選擇的選擇m應為整數應為整數-消除差拍調制；消除差拍調制；

60、m應為應為3的整數倍的整數倍-使三相電壓對稱；使三相電壓對稱；m在高頻時應取小些在高頻時應取小些-開關速度限制；開關速度限制；m在低頻時應取大些在低頻時應取大些-減小諧波。減小諧波。 不同調制比時的電壓波形不同調制比時的電壓波形m=1時即為矩形波控制法時即為矩形波控制法 輸出電壓的調節輸出電壓的調節令令 ：km=Um/U由上圖可知，由上圖可知，km值增大時，輸出電壓脈值增大時，輸出電壓脈沖缺口寬度減小；反之，輸出電壓脈沖沖缺口寬度減小；反之，輸出電壓脈沖缺口寬度增大。缺口寬度增大。因此，當保持因此，當保持U不變，改變不變，改變Um可調節可調節逆變器輸出電壓幅值，從而可實現輸出逆變器輸出電壓幅值