1、北方交通大學 電氣工程學院電力牽引控制技術相控機車電子控制系統2021/9/121機車控制系統主要作用調節（分配）機車牽引力、制動力；調節速度；故障檢測與診斷；輔助系統的控制；防空轉、防滑行；無功功率補償；各種保護等。2021/9/1226G電子控制系統6G：恒流單閉環自動控制系統PI被控對象電機電流IREF6G：轉向架控制 牽引制動控制2021/9/123+24Ve0給定積分器比例調節器電流限制環節IRefPIMAXM RM1 RM2移相及脈沖形成相位差1800UC1移相及脈沖形成相位差1800UC2eCeC基本電路原理晶閘管觸發系統：一、交直疊加移相電路Uc 移相 脈沖形成 功放阻容移相單

2、結晶體管移相功率不大的整流裝置觸發系統不經脈沖變壓器直流與交流疊加移相鋸齒波與直流疊加移相大功率電力機車觸發系統經脈沖變壓器2021/9/125交直流電壓串聯疊加移相u網u1LRCR2urur+-uc+24VT12021/9/126R、L、C串聯諧振：u L和u C相互抵消 u R = uuLRCuLuRuCuLuCu R = u結論：電流可以用改變電阻R值的方法來調節 電流改變了，電容的端電壓也變化 1. 同步電路 串聯諧振電路 6G2021/9/127u網 = umsintu網同步變壓器tu網uc(ur)u網u1tu1(反相)串聯諧振電路uc(滯后u190)ur(實際超前網壓90)R、L、

3、C兼有濾波作用同步電路2021/9/128采用同步電壓和可調直流電壓相疊加改變輸出電壓“0”態相位改變脈沖相位ur：同步余弦電壓uc：直流控制電壓ub = ur + uc = Urmcost + Uc6G：ur = 7.5costuc = +7.5 -7.5V2. 交直疊加移相電路2021/9/129u網urttub7.5Vtubtub-7.5V18090 當 u c= 7.5V u b= 7.5cost + 7.5 = 0 cost = 1 t = 180 當 u c= 0 u b= 7.5cost + 0 = 0 cost = 0 t = 90 當 u c= - 7.5V u b= 7.5

4、cost 7.5 = 0 cost = 1 t = 0結論：當u c從7.5V變到7.5V時，u b= 0的相位從180變到0 0交直疊加移相電路的特點：優點：ur和uc相交時：Urmcos = Uc cos = Uc / Urm半控：Ud = Ud0 ( 1 + cos ) / 2 全控：Ud = Ud0 cos Ud = Ud0UrmUc Ud = Ud02UrmUc+Ud02缺點：D3T2R20T4R22R26R24T6R28C9R30R32+24V12 脈沖形成電路二、脈沖形成及整形電路2021/9/1212 脈沖整形電路 單穩觸發電路D9R34T8R38T10R40C15R44R46

5、+24VR36D11R481.5ms2021/9/1213T1T2D1D2防止換流期間，晶閘管不導通，造成整流電壓中斷換流期間： D1、D2、T1同時導通 T2的陽極電壓為零6G：換相角限制環節 正限制電壓發生器三、換相角限制環節2021/9/1214換相角限制電路R2T1R3R4R5T2R6C1R8R7+24VT3D1312R10R11R1C2R12D276AB具有脈沖信號足夠的電流電壓觸發脈沖寬度觸發脈沖與主電路電源電壓同步觸發脈沖的移相范圍應滿足要求晶閘管觸發脈沖的基本要求：四、脈沖功率放大電路窄脈沖 6G8K寬脈沖 連續脈沖 雙脈沖 脈沖列 組合脈沖 2021/9/1216脈沖放大電路

6、T12T14+24V24Vu110V1.5ms16V2.9V通道輸入通道輸入輸出橋臂輸出橋臂給定積分器 限制電流上升率與下降率 上升時間6S 下降時間1S比例調節器 避免大電流指令區機車發生空轉 e0 : 0 50% IREF 0 75% 1.5 e0 : 50% 1 IREF 75% 1 0.5電流限制環節 Ud : 0 900V Id : 1650A 1400A 五、基準電流形成電路2021/9/1218 基準電流變化率調節環節e0+A01+15V-15V+A02+A04R11 10K R13 10K R7 3K3 R9 1M R6 47K R1010K R2 4K7 R34K7 C147

7、 D4D3R15 47KR1410K R16 1MR17 3K3C2 47D11D12P1P2I0-7.5V4K7 非線性環節-15VeC+A05R35 22KR31 44K2 R30 47K5 R32100K C3220 D8D10P3 2K2R34 4K7R37 10K-15V+15V+A03R20 66K7 10K R23 100KCD6R38IREFR25 49K9 R24 49K9 DI0R21 4K7R27 1KP4 470R26 680D9D7T1六、兩段橋連續控制eC+A03R40100K R30 33K2+A04R41100K UC2R31 33K2 UC1R32100K R

8、3333K2 R345K6 R355K6 R364K7 R374K7 P2P34K7 4K7 直流負偏壓6G：RM1 RM2 UC1和UC2決定 晶閘管的觸發角 -7.5V +7.5V工作原理分析： ec = 0 5V 牽引電 機端壓0 450V 第一段半控橋工作UC1 = 7.5V - 7.5V 1 = 180 0UC2 = 7.5V 2 = 180 閉鎖510eCUC7.5-7.50UC1UC2 ec = 5 10V 牽引電機端壓450V 900V UC1 = - 7.5V 1 = 0 滿開放 UC2 = 7.5V -7.5V 2 = 180 02021/9/1222工作原理分析：R32

9、= 3 R33UP2 = UP3 = -7.5V A03：- 7.5V100K+eC33K2=- UC1100KUC1 = 7.5 3 eCA04：- 7.5V33K2+eC33K2=- UC2100KUC2 = 3 (7.5 eC )換相重疊角： 第二段半控橋提前投入工作 UP2 = -7.5V UP3 = - 6.5V510eCUC7.5-7.50UC1UC242021/9/12238K機車電子控制系統2021/9/12248K機車控制系統8k機車的引進，使我國電力機車設計技術水平上了一個新的臺階2021/9/1225電子控制插件板2021/9/1226SS4型電力機車控制系統兩手柄： 電

10、壓指令手柄 給定電機端壓 電流指令手柄 給定電機電流 可實現恒流和恒壓控制 司機電壓給定 電壓延時 電壓參考值UREF PI調節器電流給定 電流延時粘著限制 電流參考值IREF PI調節器MAX單雙邊變換電路移相控制電壓ecRM1RM2RM32021/9/1227電壓延時司機電壓給定電流延時司機電流給定粘著限制PI調節器PI調節器MAX單雙邊變換ec電流反饋電壓反饋UREFIREF0-10VRM2RM1RM3T1T2T3T4T5T6D1D2D3D4123RM1RM233RM3ec移相檢測電機端壓網壓過零ABCABC開關檢測觸發系統180或0偏壓控制連續控制器-1010VUd1Ud2控制電壓8K

11、型電力機車控制系統8K機車控制系統：雙閉環控制系統 內環是電流環恒流無靜差調速系統 外環是速度環準恒速控制系統 控制流程：司機手柄指令器 特性控制器 牽引制動轉換開關 給定積分器 調制器 傳輸總線 解調器 最大值限制器 防空轉滑行裝置 PI調節器 移相觸發系統 整流電路兩級控制：機車控制 轉向架控制2021/9/1230vF牽引制動給定積分器調制總線解調限制器防空轉PI網壓電流反饋速度反饋速度反饋+15V15VIssIssIsIrefUE一、特性控制：單手柄特性控制器024681011牽引1086420制動11順時針轉動： 牽引工況 分011級逆時針轉動： 制動工況 分011級單手柄級位：n電

12、流指令 ：I = 200 n (A)速度指令 ：v = 10 n (km/h)2021/9/1232F(kN)600400200400A800A1200A2468-200246810%0184+4000t+ 9%0v(km/h)20406080手柄在4位：起動電流為800A平直道 ：牽引力 阻力V= 38km/h 牽引力=阻力 穩定運行9%0 ：牽引力 阻力手柄必須在第6位才能起動牽引特性曲線形成電路假設A處斷開：A1： IA1 = K1I0 K2v IAvIA12468IA28642+A1+A2I0-VIS1+15VR161R171V162V455R163R164V456R154R156R1

13、65R151R167V457V458R15910K10KA-15VA2： IA2 = I0V456 、 V458 最小值選擇器制動特性曲線形成電路假設A處斷開：A3： IA3 = K3v K4I0 + C1A4： IA4 = C2V584 、 V591 最大值選擇器IAvIS1+A3+A4I0-V-15VR220V472V584R217R253V476V591R251A+15VR216R212IA4IA3二、積分延時電路IS1+A5+A6R177-15VV467R173+15VR174R176R216IS2220K56KR184560KR180100K1M47K547K5R1751MC7410

14、R187100KV460V461V462V463-15V+15V2021/9/1236三、晶閘管觸發系統 信號形成電路tUNtUotd0tRU700stdstd0tdtUF -Utd全波整流積分器UFU移相器Ued濾波器比較器Uo延時d0RUd0 ddsUN控制過程：注意：d0 d保證晶閘管承受正向陽極電壓才允許獲得觸發脈沖1. 保證移相電路有足夠的復位時間2. 在網壓過零附近，晶閘管正向陽極電壓太低或有不穩定的毛刺時不應施加觸發信號網壓同步信號UN進行兩方面的處理：1. UN 全波整流 Uo 積分器 同步余弦信號U UF UF -U 直流控制電壓Ue d2. UN 濾波器比較器 d0 延時電

15、路 各種 控制信號RU 、d0、d、ds2021/9/1238A：全波整流電路UNUo+A2+15VLM12422K22K+A150KUo50KUND1D22021/9/1239B：積分電路RU+LM139+15V68n10K22K+LM124U78KUo15V10K+5VSDGttUUoRUtC：網壓峰值記憶回路C+LM124Uds+LM139+15V10K15V10K+5VDSGUF2021/9/1241D：d形成電路tUF -Udt+LM139+15VU15V100K+5V+LM124UFUed100K100K15V2021/9/1242E：有源濾波do+LM139+15VUN15V39

16、2K+5V+A714392K5K768n68nUNUdo2021/9/1243F：d0 d ds RU 形成電路U+5V+ A7+5VABQQ+5VABQQC147C149R347R352d0dRUdsD1D2 脈沖移相控制電路連續控制器UE1UE2UE3UE4Ue1Ue2Ue3Ue4d1d2d3d4全控橋半控橋削磁橋1d1Ue1UF11d2Ue2UF11d3Ue3UF21d4Ue4UF21232021/9/1245 脈沖形成與放大電路V147V160V161V162C10324V12V+24VV163GDSC107R126脈沖輸入脈沖封鎖CDC104R130V144V145R1292021/

17、9/1246微機控制系統 SS92021/9/12471987年：開始研究1991年底：SS40038機車試運行1993年底：通過部級技術審查1996年底：部級鑒定1997年：批量生產我國發展概況微機控制交直傳動電力機車： SS8 SS9 SS7D SS7E TM1 DDJ1 春城號電動車組 SS3B2021/9/1248主CPU脈沖控制脈沖放大串行總線接口數字信號接口繼電器/光耦隔離模擬信號調整A/D D/A人機對話保護監控電源RS485列車總線其它總線基本結構車載微機的發展歷程車載微機的發展可分為三個階段：以單一功能或單一設備的測控為目標的初級階段；以一節車廂（機車、車輛）內的全部可編程設

18、備為對象（例如一臺機車的全部控制設備）的中級階段；集整列列車內部測控任務和信息處理任務為一身的高級階段。2021/9/1250SS9機車控制系統簡介SS9型6軸客運電力機車采用微機控制，SS9型微機控制系統是在SS8基礎上設計的；微機柜的外形尺寸：771(長)486.5(寬)1000(高)mm；微機控制裝置采用柜體、插件箱、插件的三層結構；SS9微機柜的控制方式類同SS8，實現機車的牽引/制動特性控制、空轉/滑行保護、列車供電控制、空電聯合制動控制等基本功能，具有初步的故障監控、故障記錄和高、低壓自檢功能。2021/9/12512021/9/1252硬件特點微機控制裝置以插件箱為基本單元，每個

19、插件箱獨立控制1個轉向架，即一層插件箱控制端轉向架，二層插件箱控制端轉向架，一層與二層插件箱布線稍有不同，不能互換。一、二層中對應位置的插件相同，插件可以互換，但同一插件箱中的數字輸入輸出A、B插件由于內部跨接矩陣不同而不能互換。2021/9/1253插件箱中的插件配置 2021/9/1254控制插件箱的硬件框圖 2021/9/1255模擬信號輸入輸出 模擬輸入信號：司機控制器的給定電位器指令信號、電壓/電流傳感器的反饋信號、速度傳感器反饋信號、制動缸壓力傳感器反饋信號等，分別經相應的信號調整(或處理)電路，送A/D采樣；模擬輸出信號：計算機輸出的數字控制量，經D/A轉換輸出8路模擬信號，如機

20、車速度表信號(V0)。2021/9/1256數字量輸入輸出外部數字輸入信號：經帶過壓吸收的光電隔離數字輸入電路送CPU的內部數據總線；內部數字信號：通過無隔離的通用數字輸入/輸出通道用于插件箱內部各插件間的連接。既可以用作輸入，又可以用作輸出，根據不同的應用通過跨接矩陣靈活設置，大大增強了數字量輸入/輸出的通用性；數字輸出信號：經繼電器隔離輸出數字控制信號，如過載跳主斷等；脈沖輸出信號：脈沖控制器根據SBC送來的移相控制信號控制晶閘管的觸發時刻和觸發位置，實現牽引/制動的調速控制。2021/9/1257采用三級分級結構人機對話級：主CPU為80486，實現人機對話功能，采用TFT彩色液晶顯示屏；特性控制級：主CPU為80C186，實現機車特性控制、各種保護功能和