《电力机车控制》教学课件—01速度调节.ppt

1、电力机车速度调节 （1）了解整流电流脉动对牵引电动机的影响及其减小措施。（2）熟悉直流传动电力机车的调速方法，会分析三段不等分桥顺序调压。（3）熟悉相控机车磁场削弱方法及其应用，会分析无级磁场削弱。（4）掌握提高电力机车功率因数的方法。（5）掌握交流传动电力机车的调速方法和调速特性。 机车调速是指人为地改变牵引电动机的工作参数使其速度发生变化的运行过程，它有别于因外部扰动（网压变化、线路纵断面变化等）引起的转速变化。 一、机车的运行状态 二、电力机车调速的本质 三、电力机车调速的基本要求第一节 概 述一、直流传动电力机车速度表达式第二节 直流传动电力机车的调速 二、交-直型电力机车调速方法根据

2、公式（1.2）可知交-直型电力机车的调速方案应有下列几种：1改变牵引电动机电枢回路电阻2改变牵引电动机的端电压3改变磁通量第二节 直流传动电力机车的调速 一、磁场削弱系数二、磁场削弱方法1电阻分路法2晶闸管分路法三、磁场削弱的应用第三节 励磁调节 第三节 励磁调节 第三节 励磁调节 一、单相全控桥式整流电路 第四节 相控调压 二、单相半控桥式整流电路三、整流电压（电流）的脉动第四节 相控调压四、机车功率因数 第四节 相控调压一、评价相控调压的两个指标二、提高机车功率因数的方法1多段桥顺序控制2功率因数补偿器 第五节 电力机车功率因数的改善 第五节 电力机车功率因数的改善 第五节 电力机车功率因

3、数的改善 一、交-直-交型电力机车调速方法1改变电动机定子极对数2改变转差率3改变电源频率（1）恒磁通控制。（2）恒功率控制。 第六节 交流传动电力机车的调速 二、交-交型电力机车调速方法 交-交型电力机车采用三相同步牵引电动机，其调速方法和直流电动机的调速原理相似，只要改变同步电动机的端电压就可以改变输入同步电动机的功率，从而调节同步电动机的转速，获得与直流电动机相似的调速特性。同步电动机也可以采用调节励磁磁通的方法来实现调速。第六节 交流传动电力机车的调速 直流电力机车的功率因数直流电力机车的功率因数直流电力机车的功率因数 1 23提高机车功率因数的方法机车功率因数定义评价相控调压的两个指

4、标 在正弦交流电路中，功率因数cos的定义为： 在相控机车的电网中，变压器一次侧电压U1为正弦波，由于平波电抗器的作用使变压器一次侧电流IT畸变成了矩形波，产生了较大的高次谐波。只有与电源电压同频率的基波电流I(1)才产生有功功率，其它高次谐波只能产生无功功率，因此机车功率因数PF定义为：式中：P变压器一次侧有功功率（W)； S变压器一次侧视在功率（V.A)； 电流波形畸变系数 。 1机车功率因数定义 上式表明交-直型电力机车的功率因数PF等于基波功率因数 和电流畸变系数 的乘积。要想提高机车功率因数就要降低高次谐波，减小基波电压与基波电流之间的相位差（也称为延迟角）。 机车的功率因数与整流电

5、路的结构形式有关，图1给出不同整流电路的功率因数。图中，不控整流电路功率因数最高，全控整流电路功率因数最低，半控整流电路介于两者之间。图1 不同整流电路的功率因数 1机车功率因数定义 交-直型电力机车主要采用相控调压。相控调压的电力机车在理想情况下，由于整流和平波电抗器的作用，使变压器二次侧电流为一方波，从而使变压器一次侧电流为非正弦波，造成接触网电流波形发生畸变，产生高次谐波电流，使机车功率数降低，谐波干扰大。 相控调压最大的优点是可以实现无级调速，避免调压过程中的电流冲击，使牵引电动机的力矩变化平缓，充分利用机车的黏着，发挥较大的牵引力。最大的缺陷是功率因数偏低，谐波干扰电流较大，对电网和

6、通信设施产生不利影响。 2评价相控调压的两个指标 评价相控调压性能有两个重要指标，即功率因数和谐波干扰。一般晶闸管相控调压机车的功率因数仅为0.780.80，谐波电流为Ipmax 9.2A（等效干扰电流的最大值），远不能满足PF0.9、I(3)3.9、I(5) 4.0的限制要求。 相控调压电力机车功率数低，会降低设备的利用率，影响电网的供电质量，对电网造成严重污染。此外，国家电力和通信部门对电网用户的功率因数和谐波电流都有明确的要求，并作为强制标准必须贯彻执行。这就需要对机车功率因数进行补偿，对谐波电流加以限制。 2评价相控调压的两个指标 根据机车功率因数表达式 ，可知要想提高机车功率因数就需

7、要增大波形畸变系数 ，尽量减小高次谐波电流，同时减小基波电压与基波电流之间的相位差 。常用的方法为多段桥顺序控制和装功率因数补偿装置。 1多段桥顺序控制 为了改善机车的功率因数，降低谐波干扰，机车上广泛应用多段整流桥顺序控制，即把多段整流桥串联起来供电，常用的有二段半控桥、三段不等分桥和经济四段桥。三段不等分桥整流电路如图2所示。3提高机车功率因数的方法图2 三段不等分半控桥整流电路3提高机车功率因数的方法 不同段数半控桥的功率因数如图3所示。从图中可以看出机车功率因数为：III段桥II段数I段桥，说明半控桥段数越多，机车功率因数越高。但半控桥段数过多会使变压器抽头数增加，整流装置复杂，在一定

8、程度上降低了机车运行的可靠性，故干线电力机车一般不超过四段半控桥。图3 不同段数半控桥的功率因数3提高机车功率因数的方法 2装功率因数补偿器 功率因数补偿装置兼作滤波器，简称PFC装置，一般常用的形式有LC、RC、RLC，如图4所示。功率因数补偿装置跨接于机车主变压器二次侧绕组的两端，其工作原理如图5所示。 图5 常用滤波电路图6 机车滤波器工作原理 谐波电流主要是3、5、7次谐波，加上功率因数补偿装置后，将R、L、C连接成某一频率的谐振电路（一般在靠近3次或5次谐波频率处）。 在基波网压的作用下对基波呈容性，提供容性无功电流，减少滞后的负载电流，从而提高机车的功率因数。同时对3、5次谐波呈低

9、阻性，使绝大部分3次、5次谐波电流通过功补装置被吸收掉，以减少流向电网的3次或5次谐波电流，也减少了等效干扰电流。 机车加装了功率因数补偿装置以后，提高了机车的功率因数，降低了接触网和机车主变压器的损耗，同时也减少了接触网对沿线通信线路的干扰。3提高机车功率因数的方法变频调速的牵引特性变频调速的牵引特性变频调速的牵引特性 1 2 45CRH2型动车牵引特性HXD1型机车牵引特性 HXD3型机车牵引特性变频调速控制特性 3CRH5型动车牵引特性 1变频调速控制特性 一、变频调速原理 变频调速，就是连续改变加在异步电动机定子上的供电电源频率 ，从而改变旋转磁场的同步转速，达到平滑调节转子转速的目的

10、。变频调速的首要条件是需要一套调节范围较大的变频电源，在一定频率范围内，能够连续改变输出频率供给牵引电动机，实现无级调速。 电力牵引交流传动系统对交流电源进行交-交变频不能满足机车牵引调速的要求。只能采用交-直-交变频的方法，首先将交流电源整流成直流电源，通过中间环节储能和滤波后，获得平直的直流电压（电流），再将其逆变为三相变压变频的等效正弦交流电，供给牵引电机使用。 二、异步牵引电动机的变压变频调速特性 异步牵引电动机的变压变频（VVVF）调速特性如图1所示。对于不同的负载，变频调速分为恒磁通控制和恒功率控制两种。 （1）恒磁通控制 变频调速时为了使励磁电流和功率因数基本保持不变，希望磁通保

11、持不变，电动机的过载能力也保持不变。机车启动阶段采用恒磁通控制，能够产生恒定的牵引力，启动过程平稳，可获得较大的启动加速度。在基频(50Hz）以下，当电源电压一定时，如果降低定子频率 f1，则气隙磁通 m将增大，使磁路过饱和，励磁电流增加，铁芯损耗增加，这是不允许的，因此调频时一定要调节电势，保持感应电势与频率的比值不变，以保持气隙磁通不变。由于感应电势难以检测，当电动势较高时，可忽略定子绕组中的漏阻抗压降，用定子电压U1代替定子电动势E1。 1变频调速控制特性 （2）恒功率控制 在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，定子电压U1也相应提高，异步电动机的输出功率增大，但电压的提高受到电动机功率

12、或逆变器最大电压的限制。通常调节频率大于基频（f1 f1N）时，即当电压提高到一定数值后维持不变或不再正比于f1上升，此后电动机磁通开始减小，将进入恒功率控制方式。 1变频调速控制特性图1 异步牵引电机的VVVF调速控制特性 2CRH2型动车牵引特性 CRH2型动车采用黏着控制与恒功率控制，其牵引特性如图2所示。 在额定频率点转入恒压恒功率高速区段运行。这种牵引特性的显著特点是启动牵引力大、加速快，是目前普遍采用的一种控制方式，不仅适用于客运、货运电力机车，而且也适用于高速电动车组。 在低速区，牵引力随着机车速度的升高而下降，牵引力采用与黏着限制曲线相近的变化趋势，以充分利用轮轨之间的黏着条件

13、，机车按照准恒转矩运行。图2 CRH2型动车组牵引特性 CRH5型动车就采用恒转矩和恒功率控制其牵引特性特性曲线如图3所示。 3CRH5型动车牵引特性 在低速区段特性曲线平直，机车按照恒转矩启动，牵引电机工作在恒压频比供电方式下，启动电流大。恒压频比控制结束后，进入恒压恒功率区段运行。 这种牵引特性具有恒功率运行范围大，加速性能好的特点，适合于动车组。图3 CRH5型动车牵引特性 4HXD1型机车牵引特性 HXD1型电力机车采用恒转矩、黏着控制与恒功率控制的牵引特性，如图3所示。 特性曲线由三段组成，在低速启动区采用恒转矩/恒牵引力控制，可获得较大的牵引力；当机车速度上升到低速时的一定值后，按照黏着限制条件的斜线进行控制，以充分利用轮轨之间的黏着条件，牵引力随速度的提高而下降，直到持续速度点；从持续速度点开始进入恒功率运行区，按照恒功率输出。 图3 HXD1型电力机车牵引特性 HXD3型电力机车就采用恒牵引力与准恒速特性控制，其牵引特性如图4所示。 机车牵引力由恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力三部分组成。牵引力按照特性控制时，对恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力进行比较，取最小值做为输出牵引力的控制值送入变流器。图4 HXD3型电力机车牵引特性 5HXD3型机车牵引特性谢谢！