摘 要：針對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃作業(yè)機(jī)車的使用要求，設(shè)計(jì)了一套具有兩種工作模式的牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，即雙車并聯(lián)工作模式與單車獨(dú)立工作模式。并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，最后對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的性能要求。
      關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩，逆變器，轉(zhuǎn)差頻率 

Design of Diesel locomotive VVVF Traction Control System

LIU Guang-peng, QI Xiang-dond

（School of Electronic Information，Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024,China）

ZHAO Rui-ling

(Anyang County the first vocational high schools, Anyang 455112, China)

       Abstract ：According to demand specifically for AC drive Diesel locomotive. Having designed a VVVF Traction Control System that is provided with two kinds of operating modes, which are the double car parallel operation mode and individual car independent operation mode. And then design and analyze Frequency Control System’s main circuit and Control System. Finally, the system is Carried out experiments testing, and the test result proves that it has reached the expected performance requirements。
      Keywords：Frequency Control System，Torque，Inverter，Slip frequency

      1 引言
      針對(duì)鐵路提速的需要，開發(fā)交流電傳動(dòng)工程作業(yè)機(jī)車是相當(dāng)必要的。該車設(shè)計(jì)要求應(yīng)具有兩種運(yùn)行方式：即高速、長距離牽引運(yùn)行狀態(tài)和超低速穩(wěn)定作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)。目前國內(nèi)使用的工程作業(yè)機(jī)車，一方面沒有采用交流電傳動(dòng)，另一方面都不具備這種性能要求。
      2  牽引電機(jī)的特性
 

圖1 某一頻率／電壓下異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩／速度特性 

       從電機(jī)原理中已知，異步電動(dòng)機(jī)典型的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩為0；當(dāng)轉(zhuǎn)差率很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨速度的減小，即轉(zhuǎn)差率的增加，近乎直線變化。當(dāng)轉(zhuǎn)差率S為正時(shí)，為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差率為負(fù)時(shí)，為制動(dòng)（發(fā)電）轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)差頻率（轉(zhuǎn)子電流的頻率）與定子電流頻率f1之比：

S = Δf / f1                                            (1)

        異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率f2，如果能夠測(cè)量計(jì)算出來，根據(jù)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)矩的需要，由電機(jī)的控制特性，便能找到其相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率Δf，則變頻器輸出的定子電流頻率f1為：

f1 = f2 ±Δf                             (2)

式中(2)的（+）對(duì)應(yīng)于電動(dòng)牽引狀態(tài)，即定子電流的頻率f1大于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率f2；（-）對(duì)應(yīng)于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率f2大于定子電流的頻率f1。[4] 

圖2 變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)差頻率特性曲線
 

       圖2為變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)差頻率Δf的特性曲線。該曲線可根據(jù)牽引異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)求出。該特性曲線作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定（轉(zhuǎn)差頻率Δf）的原始依據(jù)。在變頻器——牽引電動(dòng)機(jī)匹配實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行校正，在工程作業(yè)機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)速。[1]

      3 牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
      3.1 變頻牽引調(diào)速系統(tǒng)的控制方式
      由于機(jī)車本身及所牽引的拖車重量較大，一般為大慣性負(fù)載，其啟動(dòng)/停車時(shí)間均較長，其轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間無快速性要求。因此變頻牽引調(diào)速采用轉(zhuǎn)差頻率控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的給定控制和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制，完全能滿足牽引控制的各種要求。[2]
      3.2 牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作模式
      工程作業(yè)車在軌道上行駛作業(yè)，通常為“雙車重聯(lián)工作”。這樣配置，一方面增加設(shè)備的可靠性；另一方面可適應(yīng)不同的拖車載重和長大坡道、高速長距離之運(yùn)行要求。
      針對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃作業(yè)機(jī)車設(shè)計(jì)以及使用方面的要求，牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)按下述工作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：[2]
      ⑴雙車并聯(lián)工作模式：
      按轉(zhuǎn)矩給定控制（轉(zhuǎn)差頻率Δf控制）方式工作；
      高速長距離（重載長大坡道等）牽引運(yùn)行。
     ⑵單車獨(dú)立工作模式：
      按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)或V/F開環(huán)頻率控制方式工作；
      低速穩(wěn)定作業(yè)運(yùn)行。     
    3.2.1 雙車并聯(lián)工作模式

圖3 雙車并聯(lián)、轉(zhuǎn)矩給定方式控制原理示意圖
 

      雙車并聯(lián)、轉(zhuǎn)矩給定方式原理如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算牽引電動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)頻率f2。如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只需跟著機(jī)車一塊運(yùn)行，只將轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率f2作為牽引變頻器的給出頻率f1（定子繞組上施加的頻率），即f1 = f2 。當(dāng)需要施加一定的牽引力（電動(dòng)轉(zhuǎn)矩）時(shí)，控制系統(tǒng)只要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子此時(shí)運(yùn)行的某一頻率f2所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率Δf′（Δf′/Δf = 實(shí)際轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）與f2相加，即f1 = f2 +Δf′，這樣電動(dòng)機(jī)便輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)車便得到相應(yīng)的牽引力。為了給柴油發(fā)電機(jī)組一定的調(diào)節(jié)時(shí)間，牽引力/制動(dòng)力的施加，要經(jīng)過一個(gè)給定的斜坡時(shí)間予以緩沖。以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)將十分穩(wěn)定。[3]
       結(jié)合圖2如果轉(zhuǎn)矩按（1～15）檔進(jìn)行控制（分檔如按比例），即轉(zhuǎn)差頻率特性曲線有15條可供用戶選用。
3.2.2 單車獨(dú)立工作模式 

圖4 單車獨(dú)立轉(zhuǎn)速閉環(huán)／V/F開環(huán)頻率方式控制原理示意圖

       在了解轉(zhuǎn)矩給定方式工作原理之后，我們?cè)賮碛懻撧D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)工作原理。如圖4所示，在PWM計(jì)算方框的輸入信號(hào)f2 同轉(zhuǎn)矩給定控制方式中的f2一樣，此處不贅述。速度調(diào)節(jié)器PI將Vg、Vf求差并進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出Δf值受Δf數(shù)據(jù)限幅，即當(dāng)Δf值在額定值（Δf）以內(nèi)，輸出其實(shí)際值，超過額定的Δf時(shí)，限到f2頻率對(duì)應(yīng)的Δf值，即Δf不像轉(zhuǎn)矩給定控制方式只有15條曲線，而是在牽引/制動(dòng)工作區(qū)中有無數(shù)條任一的曲線。[3]
       V/F開環(huán)頻率（轉(zhuǎn)速）控制，即將速度信號(hào)直接作為牽引變頻器的輸出頻率信號(hào)f1。當(dāng)然V/F開環(huán)頻率控制要將牽引控制所需的特性要求考慮進(jìn)去，遠(yuǎn)非一般通用變頻器就能勝任的。

      4 牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)
      4.1 牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的特殊要求
      根據(jù)此變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，因此主電路設(shè)計(jì)需要考慮一下幾點(diǎn)因素：
     ⑴柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)低抗擾的突出性；
     ⑵牽引電動(dòng)機(jī)供電要求的特殊性；
     ⑶牽引變流器免維護(hù)要求的必要性。[5]
     4.2 牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路分析

圖5 牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路原理及操作控制原理框圖

       牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路電路原理及操作控制原理框圖如圖5所示。由圖可知，主電路由：進(jìn)線回路、整流器、預(yù)充電回路、濾波器、動(dòng)能制動(dòng)和逆變器等組成。其各部件功能簡述如下：[6]
      ⑴進(jìn)線回路
      進(jìn)線回路由刀開關(guān)K、進(jìn)線電抗器Lp和熔斷器RD組成，各電器元件的作用為：
      刀開關(guān)K：將牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)（裝置）與機(jī)車柴油—發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)隔離。
      進(jìn)線電抗器Lp：使整流器交流出入電流連續(xù)平滑，減輕整流電路對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)的干擾。
      熔斷器RD：對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組提供保護(hù)。
      ⑵整流器
      由三只晶閘管和三只整流二極管組成三相橋半控整流電路。此處晶閘管不采用相控方式而用電平觸發(fā)，即晶閘管工作時(shí)等效為一個(gè)整流二極管。
      ⑶預(yù)充電電路
      牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)，為“交—直—交電壓型變頻器”，中間支流電壓環(huán)節(jié)由多個(gè)大容量的電解電容器串/并組成，以此來保護(hù)整流器和電容器不因大的充電電流而損壞。
      預(yù)充電電路由三相橋式整流器ZL和充電限流電阻2R1、2組成。
      ⑷濾波器
      濾波器主要由多個(gè)大容量的電解電容器通過串/并聯(lián)連接組成，用均壓電阻1R1、2，進(jìn)行強(qiáng)制均壓，使串聯(lián)電容器上的電壓近乎一致。
此處濾波電容器的功能有三種：1. 將支流電壓紋波濾平；2. 為異步電機(jī)提供無功電流；3. 為動(dòng)能制動(dòng)和逆變器中的全控型電力電子開關(guān)元件換流時(shí)，提供低阻通路。[3]
      ⑸動(dòng)能制動(dòng)回路
      牽引電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其輸出電壓與電流反向。在逆變器中，IGBT晶體管通過電流的時(shí)間，在一個(gè)輸出頻率周期時(shí)間內(nèi)，小于其通過續(xù)流二極管電流的時(shí)間。借助二極管的作用，逆變器將電動(dòng)機(jī)由負(fù)載動(dòng)能轉(zhuǎn)換來的電能，送到濾波電容器上。此能量又不能通過整流器回送到交流電網(wǎng)，結(jié)果電容器上的能量不斷增加，電壓不斷增高，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)（如700V），由控制系統(tǒng)開通下面的IGBT晶體管，這樣直流電源的（+）極通過放電制動(dòng)電阻RB和開通的晶體管，與電源的（-）極接同，流過電流IB = Vdc / RB。釋放電容器所儲(chǔ)存的電能。逆變器不斷回送電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能，從而使機(jī)車產(chǎn)生一定的制動(dòng)力。
       ⑹逆變器
       逆變器由6個(gè)IGBT晶體管開關(guān)和與1GBT反并聯(lián)的6個(gè)快恢復(fù)續(xù)流二極管組成，以實(shí)現(xiàn)電流的雙向流通。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)為二電平控制方式，借助PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電壓/頻率（V/F）協(xié)調(diào)控制（VVVF控制）。
       當(dāng)牽引異步電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)牽引運(yùn)行時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組端的電壓/電流同向（有一相角差），逆變器將直流電源的電能逆變?yōu)榻涣麟娔?，?duì)電動(dòng)機(jī)供電。當(dāng)牽引異步電動(dòng)機(jī)作制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組端的電壓/電流反向（有一相位差），逆變器將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的交流電能，整流變?yōu)橹绷鳎厮偷綖V波電容器上。交流到直流的整流變換，其原理如⑸動(dòng)能制動(dòng)中所述。[2]
       圖5除了主電路各組成部分為還有輔助電源控制回路、信號(hào)檢測(cè)元件以及控制系統(tǒng)弱電控制單元。

       5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
       控制系統(tǒng)采用INTEL公司16位單片機(jī)作為主控芯片，采用空間電壓矢量波控制方式實(shí)現(xiàn)適于單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)聯(lián)動(dòng)的全數(shù)字式轉(zhuǎn)差頻率控制模式，[2]如下圖： 

圖6 機(jī)車牽引控制框圖
 

     控制系統(tǒng)通過軟件和硬件結(jié)合具有如下特點(diǎn)：
     ⑴低頻（啟動(dòng)）大轉(zhuǎn)矩；
     ⑵200%過載能力及軟件反時(shí)限特性；
     ⑶為防止動(dòng)態(tài)過電壓、過電流增設(shè)自動(dòng)失速控制；
     ⑷軟件可選擇的柔性PWM能耗制動(dòng)；
     ⑸克服電網(wǎng)波動(dòng)維持輸出電壓的自動(dòng)電壓控制（AVC）；
     ⑹防堵轉(zhuǎn)限幅特性（挖土機(jī)特性）；
     ⑺適合坡道電停車或急電剎車自然轉(zhuǎn)換的零制動(dòng)功能；
     ⑻動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤可保證系統(tǒng)在車輛運(yùn)行中進(jìn)行電投入；
     ⑼過載保護(hù)、峰值過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)及故障記憶，故障自恢復(fù)功能；
     ⑽適于車輛重載牽引的S型加速曲線。

      6 結(jié)論分析
      此系統(tǒng)屬于傳動(dòng)控制級(jí)。主整流器采用三相橋式半控整流電路；電機(jī)控制策略為矢量控制，這是一種高性能異步電機(jī)控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良。諧波含量低。
      內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的整體完全可以滿足工礦作業(yè)機(jī)車的性能要求，是滿足國內(nèi)國際市場(chǎng)需要的方向所在，具有較好的應(yīng)用前景。
      近幾年，隨著工礦機(jī)車使用增多，機(jī)車廠加大了對(duì)工程作業(yè)車的研制與開發(fā)。與機(jī)車廠的合作積累了不少牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。相信今后隨著合作的深入會(huì)研制開發(fā)出性能更高的牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

      參考文獻(xiàn)
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      第一作者：劉廣朋  出生年：1980 性別：男 籍貫：河南省許昌市襄城縣麥嶺鎮(zhèn)劉莊村
太原科技大學(xué)電子信息學(xué)院07級(jí)研究生    專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 
     研究方向：計(jì)算機(jī)控制
     聯(lián)系方式：13834568337
     聯(lián)系地址：山西省太原市太原科技大學(xué)電子信息學(xué)院07級(jí)研究生  郵編：030024
Email：liugp1980@163.com