基于永磁电机的内燃调车机车电阻制动系统研究

发布时间：2020-09-30 11:15

　　目前,国内内燃调车机车多采用电励磁同步发电机作牵引发电机,异步电动机作牵引电动机。但是励磁同步发电机结构复杂,需要励磁发电控制系统,而永磁同步发电机外特性硬,可免设电励磁控制系统,所以可以在内燃调车机车上作牵引发电机。永磁同步电动机相较于异步电动机具有体积小、效率高、功率密度大等优点,可以在内燃调车机车上作牵引电动机。本文以某企业小功率、工矿用内燃调车机车的永磁同步电机牵引传动系统开发为背景,研究基于永磁同步电机的内燃调车机车的电阻制动特性及其控制方式,构建完整电阻制动系统,使机车具有良好的电阻制动性能。本文在永磁同步电机的内燃调车机车既有牵引传动系统主电路之上增设电阻制动斩波器、制动电阻,设计驱动电路,构成电阻制动系统的主电路,并研究相关器件的参数确定方法。为使机车充分发挥电阻制动能力,结合机车作业要求、粘着条件限制和永磁同步牵引电动机的特性确定电阻制动特性曲线。对电阻制动系统的控制系统进行硬件设计,因牵引传动控制单元(TCU)模块已包含对电机控制的硬件设计,所以主要对制动斩波器进行硬件设计,选择TMS320F28335作为核心处理器,设计了电压、电流检测电路、CAN通信电路、PWM光纤驱动控制电路等。并对电阻制动控制策略进行仿真,对过压保护斩波电路,采用滞环控制策略;对电阻制动斩波电路采用直接占空比控制策略、PI控制策略和前馈+PI控制策略等控制的工况的工作过程进行仿真,并分析了各种控制控制策略的特点,确定运用直接占空比控制策略实现对电阻制动斩波器的控制。在此基础上对电阻制动控制系统进行软件设计,在TCU主控制板主程序中增设电气制动功能,并完成电阻制动斩波器的控制程序设计,并在该企业试验台架上进行了电阻制动特性实验,实验结果表明本文所确定的控制策略和设计的控制电路能满足电阻制动特性控制的要求。
【学位单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341;U260.93
【部分图文】：

特性图,永磁同步发电机,电励磁,同步发电机

设计方面的负担。而永磁同步发电机结构简单、无需励磁绕组，减少了铜耗，提高了气逡逑隙磁密和功率密度，在同功率等级下，减小了电机体积；外特性较硬，电枢反应较弱逡逑如图１．１８0所示，以本调车机车的永磁同步发电机丫？？５６０－４（丁（：）为例，空载和输出额定逡逑电流工作时相比较，电压变化范围不大，即转速一定，负载电流增大时电压下降不是很逡逑明显。图１．１ｂ）是转速、励磁电流一定时，励磁同步发电机的外特性曲线。在内燃调车逡逑机车牵引发电系统中若采用永磁同步交流牵引发电机，可免设常规电励磁同步牵引发电逡逑机的励磁发电及其控制系统，使得牵引发电系统大为简化。逡逑Ｖ邋Ａ逦邋空载电压曲线逦Ａ逡逑５６８－？逦输出额定电流时电压曲线＾逦Ｖ逡逑５１０—逦ｙ，逦逦逡逑／飞逡逑０邋＾；——？逦０邋逦１逦１——？逡逑１８００邋ｒｐｍ逦１Ｎ逦１逡逑ａ）永磁同步发电机的外特性曲线逦ｂ）励磁同步发电机的外特性曲线逡逑图１．１永磁同步发电机和电励磁同步发电机特性逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｐｅｒｍａｎｅｎｔ邋ｍａｇｎｅｔ邋ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋ａｎｄ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ逡逑ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒ逡逑对牵引传动系统来说，本文采用的是永磁同步电动机。与传统的异步电动机相比，逡逑异步电动机的励磁损耗降低了效率，而永磁同步电动机具有高转矩密度、高效率、高功逡逑率因数

原理图,电阻制动,原理

逑动电阻消耗，能量消耗过程产生的热量，通过强冷方式散入空气，完成了牵引工况到电逡逑阻制动工况的转变ｌ１Ｑｌ。电阻制动原理图如图１．２所示。逡逑￣￣逆变器Ｉ逦ｆ永灥逡逑比义益逦１电动机逡逑逦逦逦逡逑Ｚ逦逦１逦逦｜邋永磁牵引＼丨逡逑逦￣—逦一逆变器１逦１邋‘电动机逡逑柴油机——：流器逦１逦＇逦二：：逡逑ｚ＼邋ｉｓ逦逦—￣邋NB逡逑Ｌｆｇ邋Ｌ—逆变器永电磁：机引逡逑图１．２电阻制动原理基本框图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｉｃ邋ｂｌｏｃｋ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｂｒａｋｉｎｇ逡逑１．３论文的主要研究内容逡逑针对某工矿用永磁同步电机牵引的内燃调车机车，在既有牵引传动系统基础之上，逡逑通过分析扩展了制动电阻、制动斩波器以及制动斩波器的控制系统。机车在电阻制动工逡逑况下，电阻制动的控制包括牵引电机的控制和制动斩波器的控制。电机的控制是由牵引逡逑控制单元（以下简称ＴＣＵ）通过电机控制器完成的，而制动斩波器的控制则是通过以制逡逑动时回馈到中间环节的制动能量与制动电阻消耗的能量相平衡为原则来控制斩波器实逡逑现的。论文工作针对某内燃调车机车永磁牵引系统在电阻制动工况下的控制问题开展研逡逑究，主要完成了以下工作：逡逑（１）

斩波频率,仿真模型,开关损耗

ｂ）ｇ＝０．５７５，b6邋１０００Ｈｚ邋时的电压逦Ｃ）ｇ＝０．５７５，b6２０００Ｈｚ邋时的电压逡逑图２．６不同斩波频率下的直流环节电压变化情况逡逑Ｆｉｇ．邋２．６ＤＣ邋ｌｉｎｋ邋ｖｏｌｔａｇｅ邋ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｃｈｏｐｐｉｎｇ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ逡逑原则上来说斩波频率越大越好，但是斩波频率过大，开关损耗越多。ｉｇｂｔ导通时逡逑有通态损耗，在关断过程，电压、电流不是瞬时变化，存在开关损耗［１９］。频率越高，逡逑损耗越大，根据仿真结合经验，本文确定ＩＧＢＴ的开关频率为２ｋＨｚ，上节仿真己证明逡逑该频率可以满足最大占空比时的调压，并且在实验室做实验室，温度不超过６５°Ｃ。逡逑１７逡逑

【参考文献】