针对铁路提速的需要,开发交流电传动工程作业机车是相当必要的。该车设计要求应具有两种运行方式:即高速、长距离牵引运行状态和超低速稳定作业运行状态。目前国内使用的工程作业机车,一方面没有采用交流电传动,另一方面都不具备这种性能要求。
牵引电机的特性
从电机原理中已知,异步电动机典型的转矩——转速特性。电机转子在同步转速时,转矩为0;当转差率很小时,转矩随速度的减小,即转差率的增加,近乎直线变化。当转差率S为正时,为电动转矩;转差率为负时,为制动(发电)转矩。转差率为转差频率(转子电流的频率)与定子电流频率F1之比:
S=ΔF/F1(1)
异步电动机转子的旋转频率F2,如果能够测量计算出来,根据负载对转矩的需要,由电机的控制特性,便能找到其相应的转差频率ΔF,则变频器输出的定子电流频率F1为:
F1=F2±ΔF(2)
式中(2)的()对应于电动牵引状态,即定子电流的频率F1大于转子旋转的频率F2;(-)对应于发电制动状态,此时转子旋转的频率F2大于定子电流的频率F1。
图为变频牵引异步电动机额定转差频率ΔF的特性曲线。该曲线可根据牵引异步电动机设计参数求出。该特性曲线作为转矩设定(转差频率ΔF)的原始依据。在变频器——牵引电动机匹配实验时进行校正,在工程作业机车现场调试时,根据需要进行适当的调速。
牵引变频调速控制系统的特点
变频牵引调速系统的控制方式
由于机车本身及所牵引的拖车重量较大,一般为大惯性负载,其启动/停车时间均较长,其转矩的响应时间无快速性要求。因此变频牵引调速采用转差频率控制,实现转矩的给定控制和转速转差闭环控制,完全能满足牵引控制的各种要求。
牵引变频调速系统的工作模式
工程作业车在轨道上行驶作业,通常为“双车重联工作”。这样配置,一方面增加设备的可靠性;另一方面可适应不同的拖车载重和长大坡道、高速长距离之运行要求。
针对交流传动内燃作业机车设计以及使用方面的要求,牵引变频调速控制系统应按下述工作方式进行设计:
⑴双车并联工作模式:
按转矩给定控制(转差频率ΔF控制)方式工作;
高速长距离(重载长大坡道等)牵引运行。
⑵单车独立工作模式:
按转速转差闭环或V/F开环频率控制方式工作;
低速稳定作业运行。
1双车并联工作模式
控制系统计算牵引电动转子旋转中实际运转频率F2。如果此时电动机的转子只需跟着机车一块运行,只将转子运行频率F2作为牵引变频器的给出频率F1(定子绕组上施加的频率),即F1=F2。当需要施加一定的牵引力(电动转矩)时,控制系统只要将电动机转子此时运行的某一频率F2所对应的转差频率ΔF′(ΔF′/ΔF=实际转矩/额定转矩)与F2相加,即F1=F2ΔF′,这样电动机便输出相应的转矩。通过机械传动机构,机车便得到相应的牵引力。为了给柴油发电机组一定的调节时间,牵引力/制动力的施加,要经过一个给定的斜坡时间予以缓冲。以这种方式进行转矩控制,牵引变频调速系统将十分稳定。
结合上图如果转矩按(1~15)档进行控制(分档如按比例),即转差频率特性曲线有15条可供用户选用。
2单车独立工作模式
在了解转矩给定方式工作原理之后,我们再来讨论转速转差闭环工作原理。在PWM计算方框的输入信号F2同转矩给定控制方式中的F2一样,此处不赘述。速度调节器PI将VG、VF求差并进行PI运算,输出ΔF值受ΔF数据限幅,即当ΔF值在额定值(ΔF)以内,输出其实际值,超过额定的ΔF时,限到F2频率对应的ΔF值,即ΔF不像转矩给定控制方式只有15条曲线,而是在牵引/制动工作区中有无数条任一的曲线。
V/F开环频率(转速)控制,即将速度信号直接作为牵引变频器的输出频率信号F1。当然V/F开环频率控制要将牵引控制所需的特性要求考虑进去,远非一般通用变频器就能胜任的。
来源:佳工机电网