列车电力传动控制

第一篇：列车电力传动控制

内燃机车电力传动控制

内燃机车交流传动及其控制系统

1、概述

电力传动系统的各项功能是通过一定形式的电路驱动各种电气设备得以实现的，电传动内燃机车上的电路，按其作用可以分为主电路、调节电路、辅助电路和控制电路四大系统。

主电路

将产生机车牵引力和制动力的各种电气设备连成一个系统，实现机车的功率传输，是电传动机车最重要的组成部分之一，不但决定电传动机车的类型，而且在很大程度上决定该型机车的基本特性。因此主电路性能的优劣，在很大程度上决定了机车性能的好坏、投资的多少及运行费用的高低等主要技术经济指标。

调节电路

在交-直流传动中通常是内燃机车上保证柴油机发电机组恒功率运行的励磁调节系统，它包括牵引发电机的励磁回路及恒功率励磁调节回路等;在交-直-交流传动中则是指保证柴油机发电机组恒功率运行的牵引发电机励磁调节和逆变器变压变频调节系统。调节电路应尽可能扩大牵引电机的恒功率范围，使机车在宽广的速度范围内都能充分发挥柴油机的功率，获得良好的经济运行特性，满足内燃机车牵引性能的要求。

辅助电路

将机车上的各种辅助电气设备和辅助电源连成一个系统，成为保证机车正常运转不可缺少的电气装置。机车上的辅助电气设备包括：通风机、空气压缩机、油泵等的拖动电机、起动辅助发电机、蓄电池、照明设备等。辅助传动系统通常为直流传动，由辅助发电机在电压调整器(或微机)的控制下向辅助电路提供110V的直流电，再由各种直流电动机驱动辅助装置运转。由于是恒定的110V直流电压供电，各辅助直流电动机基本不能调速，只能按工况以一定的转速运转或停止，使辅助系统并非保持在最佳工况下运转，工作效率不高。另有一部分辅助装置则是由机械或液压驱动，工作效率同样不高。因此，为提高机车整个辅助系统的性能及效率，近年来开始发展辅助交流传动系统，辅助装置的拖动电机为交流电动机，能够根据工况的变化进行变频或变极调速，使辅助系统处于最佳工作状态及工作效率。

控制电路

将控制主电路和辅助电路各电气设备的控制电器、信号装置和控制电源连成一个电气系统，实现对机车的操纵和控制。控制电路包括各种控制开关、继电器和电空阀等。司机通过控制电路的作用，可以控制主电路和辅助电路的各种电器按照一定的顺序动作(接通或断开)，从而使机车按照司机的操作意图运行。现代机车的控制电路已从复杂的继电器逻辑电路开始过渡到可编程逻辑控制器(PLC)或微机逻辑控制系统，使控制电路趋于简单可靠。

随着电子技术、计算机技术的发展，电子控制系统及计算机控制系统已经应用于机车，实现了机车的自动控制。这些现代控制技术的应用提高了机车的牵引性能和运行的安全可靠性，也是提高机车各项技术经济指标的有效措施之一。

2、电力传动控制

通过对机车电传动系统的控制实现机车起动、调速运行、动力制动的全过程。

内燃机车起动控制

由于列车起动时存在较大的摩擦阻力，并且需要较大的起动加速度以保证列车起动加速快、运行平稳，因此，机车应以较大的恒定牵引力起动，对牵引电动机及机车动轮来说称为恒转矩起动。机车的起动牵引力是由司机控制器主手柄位所决定的，每个手柄位的起动牵引力恒定。机车起动时，从低手柄位开始提升手柄，随着手柄位的提高，牵引力也随增大，使列车能够快速平稳地达到正常的运行速度。机车的起动牵引力与其牵引吨位及坡道有关，当牵引重载列车在上坡道上起动时，需要较大的起动牵引力方能起车,但要防止超过轮轨之间的最大黏着牵引力而出现轮对空转现象。

在内燃机车交-直流传动系统中，司机控制器各手柄位的起动恒转矩是通过控制各手柄位的最大起动电流来实现直流牵引电动机的输出转矩恒定。同步牵引发电机经整流装置向牵引电动机供电，控制各手柄位下牵引发电机的励磁电流即可控制输出电流恒定。根据同步发电机的外特性，也可直接控制各手柄位的最大励磁电流恒定来限制最大起动电流，从而近似达到恒转矩控制。按照机车起动加速快及平稳的原则，要求从最低手柄位开始起动，各手柄位的最大起动电流逐位增加，在较低手柄位电流增加幅度较大，而在较高手柄位电流增加较缓。

在内燃机车交-直-交流传动系统中，司机控制器各手柄位的起动恒转矩是通过控制中间直流电压和逆变器输出电压、频率的变化规律来实现的。当手柄位一定时，通过调节牵引发电机励磁电流使中间直流电压恒定(电压源逆变器所要求)，通过脉宽调制控制使逆变器输出的电压与频率近似呈正比变化，并保持转差频率恒定，即可使异步牵引电动机的输出转矩恒定。为了较精确地控制转矩恒定，可加入恒电流控制，根据电流偏差信号对输出电压进行补偿调节。随着手柄位的提高，中间直流电压增加，逆变器输出电压正比于频率的变化率也增加，异步牵引电动机的输出转矩随之增大。

内燃机车恒功率调速控制

为了充分发挥柴油机的功率，并使柴油机按其经济特性运行，司机控制器每给定手柄位都对应柴油机的规定转速及其输出功率，当手柄位一定时，柴油机的转速及输出功率应恒定。机车在起动时，柴油机欠功率工作;机车起动完成后，柴油机应按恒功率工作。机车柴油机一般都装有全制式调速器进行恒转速控制，而其输出功率则取决于负载，因此，只要负载恒功率运行就能保证柴油机恒功率运行，能同时完成柴油机恒转速和恒功率调节任务的控制器通常称为联合调节器。柴油机的直接负载是牵引发电机、变流装置及辅助装置，通过控制牵引发电机或变流装置可实现柴油机恒功率。在恒功率工作状态，机车的速度与牵引力呈反比关系，机车牵引力要随列车运行阻力变化而变化，以达到力的平衡，机车速度也随之变化。当列车阻力小于机车牵引力时，剩余牵引力将对列车加速，使机车速度随之提高，牵引力也随之减少，直到与列车阻力平衡时为止;当列车阻力大于机车牵引力时，将引起机车减速，牵引力也随之增大，直到与列车阻力平衡时为止。

在内燃机车交-直流传动系统中，其变流装置一般为不可控的硅整流装置，只能通过调节牵引发电机的励磁电流使其输出外特性U= f(I)按恒功率的要求变化，向牵引电动机提供按此规律变化的电压和电流。当柴油机负载功率增加时，控制系统根据功率偏差信号使励磁电流减小，牵引发电机输出功率随之减小;当柴油机负载功率减小时，则励磁电流增大，牵引发电机输出功率随之增大，从而维持柴油机输出功率恒定。因此，该系统又被称为恒功率励磁控制系统。由于牵引发电机的功率较大，其励磁电流也较大，因此一般由专门的励磁发电机(简称励磁机)提供励磁电流，通过控制励磁机来实现牵引发电机恒功率。励磁机一般为交流发电机，其输出的交流电需整流为直流电。有的励磁调节装置采用可控整流装置，通过调节晶闸管的导通角进行整流和调节，也可先经二极管整流器整流，再采用斩波器来进行励磁调节。这种直接调节牵引发电机励磁电流的方式称为直接控制的励磁方式，其调节过程的时间常数较小，动态调节性能较好，但对调节元件的容量要求较大。为了减小调节元件的容量，有的励磁调节装置采用间接控制的励远方式，对励磁机的励磁电流进行调节，甚至还加入中间放大环节，但调节过程的时间常数相对较大，不利于提高系统动态调节性能。

在内燃机车交-直-交流传动系统中，当司机手柄位一定时，中间直流回路电压恒定，即牵引发电机经不可控整流装置输出的直流恒定，不可能通过道节牵引发电机励磁电流来达到恒功率运行，而是通过牵引逆变器对异步牵引电动机进行变频调速来实现恒功率运行。当柴油机负载功率增加时，控制系统根据功率偏差信号使牵引逆变器输出电压频率降低，异步牵引电动机的转速及功率随之降低;当柴油机负载功率减小时，则牵引逆变器输出电压频率提高，异步牵引电动机的转速及功率随之增大从而维持柴油机输出功率恒定。因此，该系统又被称为恒功率变频调速控制系统。

扩大恒功率调速范围的方法

作为机车恒功率调速系统，它有两个主要问题需要解决：①在机车运行时(即速度、牵引力变化时)充分利用柴油机功率的问题。②如何扩大这种恒功率运行速度范围的问题。我们知道，机车在一定功率(即一定的司机手柄位)下运行时，机车运行速度主要取决于外界阻力，它不能人为控制。因此当外界阻力变化，使机车速度超出恒功率范围时，柴油机功率将得不到充分利用，此时机车牵引功率下降，牵引效能减低。为此，我们必须设法扩大机车恒功率的运行速度范围，以满足运行要求。除机车起动的低速范围内所必需的恒转起动外，核心的问题就是如何扩大高速运行的恒功率范围。

在内燃机车交-直流传动系统中，扩大牵引发电机恒功率区段电压范围，可以扩大机车恒功率速度范围，但是采用这种方法会提高牵引力发电机容积功率，从而增加牵引电机制造成本和体积，因而牵引发电机恒功率电压调节范围受到限制。目前采用扩大机车恒功率速度范围的方法有两种：牵引电动机磁场削弱的方法和牵引电动机串-并联换接或牵引发电机电枢绕组并-串联换接的方法。

在机车上对牵引电动机一般采用磁场分路的有级磁场削弱方法来提高恒功率速度范围，即在牵引电动机励磁绕组的两端并联一级或数级分路电阻，当分别接通各级分路电阻时，部分电流从分路电阻流过，使励磁电流减少，从而达到磁场弱的目的，该方法虽然单，但在磁削瞬间会引起电流冲击，因此，级数越多，越有利于减小这种冲击，但电路则相对复杂，目前一般不超过三级。有的机车是先降低牵引发电机功率输出，再进行磁场削弱，以免电流冲击引起柴油机短时过载。防止电流冲击的最佳方式是无级磁削弱。另外值得注意的是，磁场削弱不利于电机换向，因此，为了保证电机换向的磁场稳定性，磁场削弱的深度受到限制。

在牵引发电机容积功率的范围内，通过牵引电动机串-并联换接或牵引发电机电枢绕组并-串联换接，可以增加牵引电动机的恒功率调压范围，从而达到增大机车恒功率调速范围的目的。在牵引电动机串-并联换接方式中，主电路中每条支路的电机串联台数和并联支路数可以通过换接来加以改变。当机车在较低速度下运行时，需发挥的牵引力较大，此时牵引电动机应处于低压大电流工作状态，因此电动机串联台数较多，并联支路数较少(如3串2并);当机车运行到较高速度时，牵引力相对较小，此时牵引电动机应处于高压小电流工作状态，通过牵引电动机串-并联换接，使电动机串联台数减少，并联支路数增多(如2串3并)。这样，在保证牵引发电机的输出电压和电流不超出容积功率所允许的范围内，对每台牵引电动机来说，增大了其电压和电流的恒功率调节范围。在牵引发电机电枢绕组并-串联换接方式中，牵引发电机有两组电枢绕组。当机车在较低速度下运行时，两组电枢绕组并联，其输出电压等于一组电枢绕组的电压，而输出电流等于两组电枢绕组输出电流之和，牵引发电机向牵引电动机提供低电压大电流;当机车运行至较高速度时，进行电枢绕组并—串联换接，使牵引发电机两组电枢绕组串联，其输出电压将增加一倍，输出电流相应减少一倍，牵引发电机向牵引电动机提高电压小电流。这样将使牵引发电机输出电压的调压比增加一倍。ND5型机车即采用这种方式。但对于换接的主电路，其电气线路较复杂，换接过程中存在牵引力的中断和冲击现象，而且在主电路中有串联工作的牵引电动机，当机车动轮发生空转后，空转电机端电压未受到限而随之升高，使空转现象不易消失，因此这种连接方式在中国内燃机上基本未采用。

在内燃机车交-直-交流传动系统中，由于异步牵引电动机的结构和性能的优越性，其功率容量比直流牵引电动机高得多，直流牵引电动机一般不超过1000kW，而异步牵引电动机功率可达1600 kW～1800kW，其输入压等级可以在1500V以上，电机转速也可达4 000r/min以上。应该说交-直-交流传动系统可比交-直流传动系统的恒功调速范围做得大，特别在高速区，不会出现像直流牵引电动机的诸如高电压限制、磁场削弱深度限制等问题，因此现代高速机车一般均采用交流传动。但是，扩大内燃机交-直-交流传动系统的恒功率调速范围并不是仅靠增加异步牵引电动机的电源频率就可达到的，而是要综合考虑柴油机、同步牵引发电机、牵引逆变器及异步牵引电动机的最佳匹配问题，如中间直流电压值的选择、恒功率运行调节方式的选择、各装置容量和结构尺寸的确定等，以期使各部分的功率能得到充分、合理的利用。但随着恒功率区的扩大，各装置的充分利用程度都会随之下降，所以应根据实际运用需要来合理地选择恒功率区的宽度。由于变流器的价格相对较为昂贵，目前大都考虑按小逆变器的方式进行系统优化。

内燃机车变功率迅速控制

恒功率调速是机车的基本操作，此时机车速度随着列车运行阻力而变化。然而在列车运行过程中，从列车起动加速、平稳运行、线路坡道的变化、线路的限速区段到列车减速、进站停车，均需要司机合理地操纵主手柄来改变车引功率(牵引力)调节速度，从而达到“超车加速快，途中速度高，利用惰力好，进站减速稳，停车位置准”的目的，使列车能安全、正点、优质高效地运行。

司机控制器主手柄位的改变即改变了柴油机的转速和输出功率。一般当需要增加机车速度时，要提升手柄位，便柴油机的转速和输出功率增加;当需要机车减速时，应降低手柄位，使柴油机的转速和输出功率减小。传动系统的输出功率应随着柴油机功率的改变而改变。在内燃机车交一直流传动系统中，随着柴油机功率的改变来调节牵引发电机的励磁电流增加，输出功率增加，从而使直流牵引电动机的输出转矩增加，机车牵引力增加，引起机车加速，以达到较高的速度平衡点。在内燃机车交-直-交流传动系统中，随着柴油机功率的改变来调节牵引逆变器的输出电压及频率，使其输出功率改变。例如柴油机功率增加，控制系统调节牵引发电机的励磁电流使中间直流电压增加，同时使牵引逆变器的输出电压及频率增加，从而使异步牵引电动机的输出转矩及转速增加，即机车牵引力和机车速度增加。

内燃机车电阻制动控制

电阻制动是电传动内燃机车的重要工况。在电阻制动工况时，列车的惯性力驱动牵引电动机旋转，根据电机可逆原理，此时的电动机进入发电机工况，产生制动转矩，从而产生与机车运行方向相反的制动力，制动列车。其发电所产生的电能消耗在制动电阻上，转换成热能，散失于大气中。运用情况表明：实施电阻制动可以提高列车的制动能力(特别在长大下坡道上尤为明显);可最小限度地使用空气制动，从而大大降低机车车辆轮箍的磨耗，减小轮箍和闸瓦或摩擦片的发热，因而也提高了空气制动的效果;同时，由于列车上配备了两套制动系统，因而更能保证列车安全运行。

在电阻制动工况下，机车电路要进行必要的转换，要按照机车电阻制动特性进行控制，既要充分发挥电阻制动的能力，尽可能扩大电阻制动调速范围，又要避免超过制动系统的容量，造成设备过载而引发故障，同时要避免因制动力过大，超过轮轨黏着力而引起车轮打滑。

3、微机控制

微机控制包括以CPU为核心的微型计算机、存储器以及将微机与机车设备相连接的数字量和模拟量接口装置等硬件和采样、数据处理、控制程序等软件所组成的车载微机系统。它与模拟电子控制的本质区别在于，许多复杂的控制功能都可以通过计算机的数字运算来实现，从而大大简化了电路结构，即所谓用编程软件代替硬件。微机控制能更方便地综合多种信号，实现各种复杂的逻辑控制及各种特殊规律的控制，微机能完成各种控制算法从而实现系统的最优控制。采用微机控制，不仅可使控制系统结构简化、调试容易、成本降低、抗干扰能力增强，而且能获得更多更复杂的控制功能，更好的调节品质及控制精度。此外，采用微机控制还能方便地实现机车运行参数的自动显示、存储及故障报警等功能。特别是微机系统的功能改变及功能扩展十分容易，通常仅需改变软件设计即可达到。由于微机控制的优越性能，它的功能范围已远远超出了人们最初的想像力。在机车上采用的微机系统往往已不仅限于恒功率控制，它还包括柴油机控制、辅助功率控制、站着(防空转和防打滑)控制、优化操纵以及故障诊断等功能。可以说，内燃机车装备微机系统是现代化机车的重要标志。

1977年，前联邦德国开始把微机系统应用到电传动内燃机车的控制上。随后，美国、英国、澳大利亚、加拿大、芬兰、丹麦、荷兰、匈牙利、前苏联、奥地利、西班牙等国家也陆续将微机系统用到内燃机车上来。中国从20世纪80年代开始了这方面的研究，并于1985年前后把微机应用到车载上，从比较简单的或功能单一的微机装置发展到较复杂的或多功能的微机系统。1989年制造出第一台装备较完备的微机多功能控制系统的东风6型内燃机车;此后又有微机系统装于东风5 型、东风4 型内燃机车;1992年开始生产的东风1 1型准高速客运内燃机车，1994年生产的东风10 D型重载货运内燃机车及1997年生产的东风8B型重载货运内燃机车均装备了功能较完备的微机控制系统。中国内燃机车采用微机技术已经有了一个良好的开端。

东风11型内燃机车的微机控制系统具有代表性，见下图。整个微机控制系统按功能模块设计，通过FE总线(包括电源线、数据线、地址线和控制线)与各功能模块之间相连接。各功能模块主要包括：以16位机80C186CPU为核心的主控制板，存储器/串行口输入输出板，(开关信号)数字量输入板，(继电器/接触器)数字量输出板，(传感信号)模拟量输入板，(转速脉冲)频率输入板，脉宽调制(PWM)励磁控制板。完成的主要功能有：①牵引特性控制，包括各手柄位下恒功率励磁控制、功率加载/减载的速率控制、主发电机电流上升/下降的速率控制;②电阻制动特性控制，包括各手柄位下恒流制动特性和恒励磁制动特性控制、牵引电动机换向条件的限流控制以及励磁电流的加载率控制;③空转/滑行保护控制，包括牵引工况的空转保护和电阻制动工况的滑行保护控制;④故障诊断与保护，包括柴油机系统与电气系统的监测参数和故障信息的显示与记录及相应的保护控制。

国际上典型的内燃机车微机系统有：德国BBC公司开发的MICAS车载微机系统;德国西门子公司开发的SIBAS车载微机系统;德国 KRAUSS-MAFFEI公司开发的KM车载微机系统;美国GM公司开发的EM 2000车载微机系统;美国GE公司开发的车载微机系统;法国阿尔斯通公司开发的AGATE车载微机系统。这些系统的中央处理单元(CPU)都由16位发展到32位，存储容量由千字节扩展到兆字节，微机处理的功能、速度、实时多任务的能力均大大增强。有的是单机系统，有的是分式多机系统。按功能模块化、标准化设十，设计成对各种传动系统都适用的模块式结构的控制系统，只要添加不同功能的组件及相应的软件(程序模块)，就能满足各种不同的功能需要。值得一提的是，这些系统中有的不仅可用于内燃机车，还可用于电力机车;不仅可用于交一直流传机，还可用于交流传动，具有很强的通用性及兼容性。

东风11型内燃机车微机控制系统原理框图

现代机车控制已发展到了以整列车为目标的三级控制，即列车控制级、机车控制利传动控制级。列车控制级：对列车总线进行控制，处理来自机台或列车控制装置的信息并进行显示，实施列车优化操纵，产生与整个列车(包括多台机车或动车)有关的控制变量，最重要的输出量是牵引力或制动力给定值。机车控制级：根据列车控制级传来的控制指令和给定值，实现对本机车的优化控制功能，主要包括限制牵引力和制动上的变化速率以提高运行的平稳性与舒适性，向传动控制级提供所需的输入信号，进行防空转防滑行控制以提高黏着利用率,进行电空联合制动以达到将制动力接经济和安全的原则分配给各制动系统，对辅助装置进行优化控制以达到降低铺助功率消耗的效果，对主要设备进行状态监测、故障诊断与自我保护。传动控制级：根据机车控制级传来的控制指令和给定值，实现对动力装置和传动系统的优化控制功能，主要包括对油机进行控制并采用电子调速器和电控燃油喷射系统以提高柴油机的调速性能和经济性，对主发电机进行恒功率励磁控制以保证柴油机按经济特性运行，对牵引变流器(包括各种整流器、四象限变流器、逆变器)进行控制，以达到控制牵引电动机的转矩和转速的目的。

4、交流传动的恒功调速控制

内燃机车交流恒功率调速系统(AC-DC-AC constant power speed regulating system for diesel locomotive)满足交—直—交流电传动内燃机车牵引性能要求，实现恒功率调速的变压变频(VVVF)控制系统。交—直—交流传动机车通常由异步牵引电动机驱动。根据异步电动机的转速公式

可知，改变电机磁极对数p只能有级地改变电机的转速n，因此为满足机车平滑调速的要求就必须连续地调节电源频率f1 ，并控制转差频率f2。

在机车上，交流牵引机发电机的频率正比于柴油机的转速，而柴油机在功率恒定时其转速是不变的，所以在恒功率条件下发电机的频率也是不变的。因此，由柴油机驱动交流牵引发电机所发出的三相交流电经硅整流装置整流为直流电，再经过逆变器(可设一台或数台逆变器)，将直流电转变为电压和频率可变(VVVF)的交流电，供给数台异步牵引电动机。通过这样的间接变频，使逆变器输出的三相交流电的频率与牵引发电机发出的三相交流电的频率没有任何关系。在机车起动和调速的整个工作范围内，逆变器输出的三相交流电压和频率的平滑调节应使异步牵动机的机械特性和电气特性满足机车恒转矩起动、恒功率运行的牵引性能要求。

由异步牵引电动机稳定工作的机械特性可知，转差率S(S=f2/f1)极小，电机电流可近似表示为 (1)

式(1)中R′2 为转子等效电阻，对于给定的电机R′2 一般为常数。电机转矩可近似表示为

(2)

或写成

(3)

式(2)和式(3)中C为常数。在机车恒转矩起动的低速区，要保证M为常数，由式(2)可知,应当控制U1/f1恒定(即磁通恒定)并保指挥持转差率f2为常数，即端电压 U1随着电源频率f1 线性增长。实际上在低频时，电机定子电阻不容忽略，此时电压U1相对有所提高。由式(1)可知，电机电流I1保持恒定，在机车恒定功率运行区，要求Mf1为常数，由式(3)可知，可有不同的控制方式。为了扩大机车恒功率的调速范围，可在开始阶段采用U21 /f1=常数、f2不变的恒功率控制方式，即端电压超压U1 仍随频率f1 增加而增加，保持磁通近似恒定，电流I1则随着U1的增加呈反比减小，从而使机车牵引力(电机转矩)随机车速度(供电频率)的增加成反比下降，机车保持恒功率运行;当电压U1升高到受逆变器输出电压的限制时，采用U1不变、f1/f2=常数的恒功率控制方式，即转差频率f2随电源频率f1的增加而线性增长，电流I1也保持恒定。在恒电压下，随着供电频率f1的增加使牵引电动机产生磁场削弱的效果，同样使机车牵引力随机车速度的增加呈反比下降而保持恒功率运行。当f2增大到受电机倾覆转矩所限制的最大转差频率时，f2保持不变，此时M f1随着f1的增加呈反比下降，机车入降功率运行。机车牵引运行的电气与机械特性曲线见图1。

图1 机车牵引运行的电气与机械特性

基于机车牵引运行电气与机械特性的要求，可采用如图2的转差频控制系统方案，由司机手柄位控制，通过f2 函数发生器、I1 函数发生器和功率函数发生器分别发出各手柄位的二转差频率给定值f20 、电流给定值I1g和功率给定值Pg 。在机车恒转矩起动阶段，转差频率实行开环控制，△f2不起作用，f20=f2 =常数，牵引电动机转子频率fn与f2相加得到电源频率控制信号f1，即f1 =fn+f2;按照起动阶段电压U1变化的规律，f1/U1变换器发出U10信号;由于f1/U1=常教，只能近似保持磁通恒定，因此加入恒电流闭环调节，将电流检测到信号I1 与给定值I1g比较，其偏差值比功率偏差值为小，由它发出电压调节的补偿信号△U1;将△U1与U10相加得到电源电压控制信号U1;将f1信号和U1信号送入脉宽调制(PWM)控制器，控制逆变器输出频率f1和电压U1，使机车恒转矩运行。机车进入恒功率运行阶段后，开始仍保持f2恒定，按照恒功率阶段电压U1变化的规律，f1/U1变换器发出U10信号，同时加入恒功率闭环调节，将功率检测信号P与给定值Pg比较，其偏差值比电流偏差值为小，由它发出电压调节的补偿信号△U1 ,当U1增大到一定值时保持恒定，转差频率闭环控制起作用，一方面按照恒功率运行的要求f2函数发生器发出与f1成正比的f20信号，另一方面加入功率闭环调节，根据功率偏差值发出转差频率补偿信号△f2 ，f20与△f2相加得到f2，从而得到电源频率信号f1 ,即f1 =f20+△f2+fn。可见在恒功率阶段是先调节电压U1后调节转差频率f2，尽可能地扩大恒功率调速范围，直到f2增大到最小转矩裕量所允许的转差频率时为止，f2保持不变，机车进入降功率运行区段。

图2 交—直—交电传动内燃机车的转差频率控制系统方案

交流异步电动机是一个复杂、非线性、多变量的控制对象，而且在鼠笼结构中无法直接检测转子电流。因此，交流传动不像直流电动传动系统那样只是直接对磁通、电枢电流和电压进行控制，有一种标准的控制结构，而是先后开发出各种各样的控制方法。除了上述较早开发的转差频率控制方法外，后来开发的磁场定问矢量控制方法和直接转矩控制方法在交流传动址车和动车组上得到普遍应用。应当注意的是，无论控制结构如何复杂，或采用什么样的反馈环和反馈量，逆变器只有两个控制变量，即电压和频率，故一般通称为VVVF(变压变频)逆变器。

第二篇：电力电子与电力传动专业考研院校排名

来源： 2011-01-20 10:07:58 编辑：sunrain 浏览次数：8329 网友评论 0 条转播至:我很喜欢这篇文章!收藏到网摘:

对电力电子与电力传动专业的介绍电力电子与电力传动学科主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论技术和应用。它是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科，对电气工程学科的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的作用。学科研究范围:电力电子器件的原理、制造及其应用技术;电力电子电路、装置、系统及其仿真与计算机辅助设计;电力电子系统故障诊断及可靠性;电力传动及其自动控制系统;电力牵引;电磁测量技术与装置;先进控制技术在电力电子装置中的应用;电力电子技术在电力系统中的应用;电能变换与控制;谐波抑制与无功补偿。研究方向:1 )谐波抑制与无功补偿2 )电力电子电路仿真与设计3 )计算机控制系统4 )电气系统智能控制技术5 )现代控制理论及其电气传动中的应用6 )系统故障诊断技术及应用7 )现代交、直流电机调速技术8 )功率变换技术的研究该学科对实践动手能力要求很高，难度较大。本科是电气工程、自动化、电子信息工程的适合报考这个专业。该专业需要的基础是电路基础，模拟电路与数字电路，电机学，单片机技术，计算机控制技术，电力电子技术，电力拖动自动控制系统，数字信号处理。电力电子与电力传动

排名学校名称等级排名学校名称等级排名学校名称等级

1清华大学A+7哈尔滨工业大学A13中国矿业大学A

2西安交通大学A+8华北电力大学A14山东大学A

3华中科技大学A+9西北工业大学A15合肥工业大学A

4浙江大学A+10上海交通大学A16天津大学A

5南京航空航天大学A11西安理工大学A17北京交通大学A

6华南理工大学A12西南交通大学A

B+等(26个)： 武汉大学、上海海事大学、河北工业大学、大连交通大学、武汉理工大学、江苏大学、燕山大学、东南大学、湖南大学、南京理工大学、沈阳工业大学、上海大学、东北大学、辽宁工程技术大学、河海大学、江南大学、西华大学、大连海事大学、北京航空航天大学、兰州交通大学、西安电子科技大学、湖北工业大学、同济大学、中南大学、电子科技大学、东华大学

B等(25个)：哈尔滨理工大学、大庆石油学院、中国农业大学、北方工业大学、江苏科技大学、长春工业大学、东北电力大学、辽宁工学院、郑州大学、安徽理工大学、兰州理工大学、安徽工业大学、黑龙江科技学院、西安科技大学、南昌大学、湘潭大学、石家庄铁道学院、上海理工大学、贵州大学、哈尔滨工程大学、北华大学、广东工业大学、西安工程大

学、广西大学、太原理工大学

C等(18个)：名单略

第三篇：【机电传动控制】机械手控制

实验二

搬运机械手的控制

一、实验目的

掌握应用PLC技术设计工艺生产控制系统的思想和方法，掌握PLC的编程技巧和程序调试方法，训练解决工程实际控制问题的能力。

二、实验仪器设备

1、 THPLC-2型可编程序控制器模拟实验箱。

其中配备的主机为日本三菱FX1N-40MR型可编程序控制器，实验面板中设有多个实验区，本实验对应的实验区为“机械手动作的模拟”实验区。

2、 个人计算机。

3、 FX-422CAB型RS-422缆线或FX-422CAB-150型RS-422缆线。

4、 FX系列PLC编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C。

三、控制要求

有一搬运工件的机械手，其操作是将工件从左工作台搬到右工作台，工艺流程示意图如下面附图所示。

机械手通常位于原点。SQ1为下限位开关， SQ2为上限位开关， SQ

3、SQ4分别为右限位开关和左限位开关。机械的上下左右移动以及工件的夹紧，均由电磁阀驱动气缸来实现。电磁阀YV1控制机械手下降，YV2负责夹紧工件，YV3使机械手上升，YV4控制机械手右移，YV5控制机械手左移。

搬取工件时，按下启动按钮1SB，则：

① 机械手先由原点下降，碰到下限位开关SQ1后，停止下降;

② 夹紧电磁阀YV2动作将工件夹紧，为保证工件可靠夹紧，机械手在该位置等待3s; ③ 待夹紧后，机械手开始上升，碰到上限位开关SQ2后，停止上升; ④ 改向右移动，移到右限位开关SQ3位置时，停止右移; ⑤ 改为下降，至碰到下限位开关SQ1时，停止下降;

⑥ 机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，机械手在该位置停留2s; ⑦ 然后上升，碰到上限位开关SQ2后，停止上升;

⑧ 改为左移，回到原点，压在左限位开关SQ4和上限位开关SQ2上，各电磁阀均失电，机械手停在原位。

再按下启动按钮时，又重复上述过程。

四、系统配置

根据控制要求画出PLC的I/O分配表或I/O分配图;

由于所采用的实验箱中，已将PLC输入输出端外接的开关、按钮和信号灯的部分线路连接好，放置于实验模板内，因此，实验时只要将PLC主机与“机械手动作的模拟”实验模板两者的外接插孔用连接线按需要插接好即可。

五、程序设计

要求采用两种编程方法进行程序设计：

1、设计梯形图(用基本指令和移位功能指令)，列写出相应的指令表;

2、设计状态转移图，画出相应的梯形图(用步进指令和基本指令)，写出相应的指令表。 参考程序如附图。

六、程序的写入、运行与调试

采用FX系列PLC编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C进行程序的写入。

用基本指令编程的梯形图，采取梯形图的程序写入方法;用步进指令编程的状态转移图，采取梯形图或指令表的程序写入方法。

运行并调试程序，记录运行调试过程，分析控制效果。

七、思考与练习题

在上述内容的基础上，修改系统配置及控制程序，从而实现以下要求：

1、系统启动工作后，自动运行5个工作循环，即机械手连续完成了5次搬运过程时，才使搬运停止;

2、搬运停止时使系统发出闪光报警信号，该信号为亮、灭各0.5秒，持续30秒后熄灭。

八、实验报告要求

要求“实验预习报告内容”填写第一至四项的内容和第五项中的状态转移图，“实验原始记录”填写指令表，“实验报告内容”填写第五项中的两种梯形图和第

六、七项的相关内容。

附图：

第四篇：液压传动与控制（精选）

液压传动与控制

1. 液压传动的工作原理

以液体作为工作介质，并以其压力能进行能量传递的方式，即为液压传动。

2. 液压传动的特征

⑴力(或力矩)的传递是按照帕斯卡原理(静压传递定律)进行的

⑵速度或转速的传递按容积变化相等的原则进行。“液压传动”也称“容积式传动”。

3. 液压传动装置的组成

⑴动力元件

即各种泵，其功能是把机械能转化成压力能。 ⑵执行元件

即液压缸(直线运动)和马达(旋转运动)，其主要功能是把液体压力能转化成机械能。

⑶控制元件

即各种控制阀，其主要作用是通过对流体的压力、流量及流动方向的控制，来实现对执行元件的作用力、运动速度及运动方向等的控制;也用于实现过载保护、程序控制等。

⑷辅助元件

上述三个组成部分以外的其他元件，如管道、接头、油箱、过滤器等，它们对保证系统正常工作是必不可少的。

⑸工作介质

是用来传递能量的流体，即液压油。

4.液压油的物理性质

⑴密度

⑵可压缩性

表示液体在温度不变的情况下，压力增加后体积会缩小、密度会增大的特性。

⑶液体的膨胀性

液体在压力不变的情况下，温度升高后其体积会增大、密度会减小的特性。

⑷粘性

液体受外力作用而流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，由此产生一种内摩擦力。液体内部产生摩擦力或切应力的性质，称为液体的粘性。

①动力粘度(绝对粘度) 根据牛顿摩擦定理(见流体力学)而导出的粘度称为动力粘度，通常以μ表示。

②运动粘度

同一温度下动力粘度μ与密度ρ的比值为运动粘度，用v表示。 ③相对粘度

(条件粘度)

粘压特性

在一般情况下压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5Mpa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。

粘温特性

液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。

5. 液压泵的主要性能参数

⑴压力

①工作压力P

液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。

②额定压力Ps 液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力。

③峰值压力Pmax 在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力值，称为液压泵的峰值压力。

⑵排量和流量

①排量V 液压泵每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得出的排出液体的体积称为液压泵的排量。

②理论流量qt 在不考虑液压泵泄漏的情况下，在单位时间内所排出的液体体积的平均值称为理论流量。

③实际流量q 液压泵在某一具体工况下单位时间内所排出的液体体积称为实际流量。 ④额定流量qn 液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出的流量称为额定流量。

⑶功率和效率

①液压泵的功率损失

容积损失

液压泵流量上的损失 机械损失

液压泵在转矩上的损失 ②液压泵的功率

输入功率Pi 作用在液压泵主轴上的机械功率

输出功率Po 液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Δp和输出流量q的乘积

③液压泵的总效率

液压泵的实际输出功率与其输入功率的比值。

6. 齿轮泵的工作原理

当齿轮泵的主动齿轮由电动机带动不断旋转时轮齿脱开啮合的一侧，由密封容积变大则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，由于密封容积减小则不断地排油，这就是齿轮泵的工作原理。

7. 齿轮泵的困油现像

当齿轮啮合后，啮合的两齿间的液压油由于齿的封闭无法排出而形成的现象。

危害 当容积有大变小时，油液受到挤压，造成油液发热，产生振动噪声，功耗增大，轴与轴承受到一附加负荷。当容积由小变大时，封闭空间的压力降低，造成气穴或气蚀，并使容积效率下降。

措施 在齿轮泵啮合部位侧面的泵盖上铣出两个困油卸荷凹槽。

8. 内泄漏

三条途径泄漏

①通过齿轮啮合处的间隙

②通过泵体内孔和齿顶圆的径向间隙 ③通过齿轮两侧面和侧盖板间的端面间隙

9. 径向力不平衡

现象

齿轮泵是吸油，压油区对称的非平衡式液压油泵。从吸油腔到压油腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递减，因此，齿轮和轴受到径向不平衡力的作用。

危害

径向不平衡力很大时能使轴弯曲，齿顶与壳体接触(扫膛现象)，同时加速轴承的磨损，降低了轴承的寿命。

措施

①采用压缩压油口的办法，以减少液压力对齿顶部分的作用面积来减小径向不平衡力;②采用开油槽的办法。

10. 高压齿轮泵的特点

⑴浮动轴套式

⑵浮动侧板式

⑶挠性侧板式

11. 叶片泵

⑴单作用叶片泵 (多为变量泵)

在转子转一周的过程中，每个工作腔完成一次吸油和压油。

⑵双作用叶片泵 (均为定量泵)

在转子转一周的过程中，每个工作腔完成两次吸油和压油。

12. 液压缸的分类

按结构形式的不同可分为活塞泵、柱塞泵、摆动式、伸缩式等。

⑴活塞式液压泵

①单活塞杆式

②双活塞杆式 ③无活塞杆式

差动连接 当单活塞杆液压缸无杆腔和有杆腔同时接通压力油时，称为“差动连接。”

差动连接时的推力比非差动连接时小，但速度比非差动连接时大。因此，差动连接是一种减小推力而获得高速的方法。

⑵柱塞式液压缸 ⑶伸缩式液压缸 ⑷摆动式液压缸 ⑸增压缸

⑹齿轮齿条式液压缸

13. 液压缸组件的构造

一般来说，液压缸的结构主要包括缸体结构、活塞杆导向部分结构、活塞连接结构、密封装置、液压缸安装连接结构、缓冲装置及排气装置等。

14. 液压阀的分类 ⑴按功能分类

①压力控制阀

用来控制液压系统中液流压力的液压控制元件。

②流量控制阀

用来控制液压系统中液流流量的液压控制元件。

③方向控制阀

用来控制液压系统中液流的流动方向的液压控制元件。 ⑵按控制方式分类

①定值或开关控制阀

②比例控制阀

③伺服控制阀 ⑶按连接方式分类

①管式 ②板式

③叠加阀

④二通插装阀

⑤螺纹插装阀

15. 方向控制阀

⑴单向阀

单向阀类似电路中的二极管，在液压系统中单向阀只允许液流沿一个方向流过，反向流动则被截止，因此也称为止回阀。

作用

保压、锁紧和消除油路干扰

⑵换向阀

换向阀借助于阀芯与阀体之间的相对运动来改变连接在阀体上各管道的通断关系，使油路接通、断开或改变油液的流动方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的起动、停止或变换运动方向。

根据换向时的操纵方式不同，换向阀可分为电磁换向阀、手动换向阀、机动换向阀、液动换向阀、电液换向阀等。

16. 压力控制阀

⑴溢流阀

溢流阀在液压系统中主要起定压或安全保护的作用。

直动式溢流阀

先导式溢流阀

⑵减压阀

直动式减压阀 先导式减压阀

⑶顺序阀

顺序阀在液压系统中的主要作用是控制执行机构的先后顺序动作，以实现系统的自动控制。

直动式顺序阀 先导式顺序阀

⑷压力继电器 压力继电器是一种将油液的压力信号转换成电信号的小型电液控制元件。

17. 流量控制阀

⑴节流阀(最基本的控制阀)

⑵调速阀

⑶分流阀

18. 过滤器的作用

液压传动系统中的液压油不可避免地含有各种杂质，杂质混入液压油后，随着液压油的循环作用，进入液压元件内部，严重妨碍液压系统的正常工作。清除混入液压油中的杂质的最有效办法，除利用油箱沉淀一部分大颗粒杂质外，主要是利用各种过滤器来滤除。 19. 过滤器的分类

⑴表面型过滤器 (粗过滤)

①网式过滤器 ②线隙式过滤器

⑵深度型过滤器 (精过滤) ①纸质过滤器 ②烧结式过滤器

⑶吸附型过滤器

20. 过滤器在液压系统中的安装位置

(过滤器只能单向使用)

⑴安装在液压泵的吸油管路上

保护液压泵免遭较大颗粒的杂质的直接伤害

⑵安装在压油管路上

保护液压泵以外的其他液压元件

⑶安装在回油路上

保证流回油箱的油液是清洁的

⑷安装在辅助泵的输油路上

保证杂质不会进入主油路的各液压元件中

⑸安装在支流管路上

滤除混入油液中的杂质

⑹单独过滤

滤除油液中的全部杂质

21. 油箱的作用

油箱的作用主要是储存油液，此外还起着散热、分离油液中的气体及沉淀污染物等作用。

22. 蓄能器的工作原理与功用

蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置。其主要作用如下：

⑴作辅助动力源

⑵补偿泄漏和保持恒压用

⑶作紧急动力源

⑷消除脉动与降低噪声

⑸吸收液压冲击

23. 蓄能器的使用和安装

⑴充气式蓄能器应使用惰性气体(一般为氮气)，允许工作压力视蓄能器结构形式而定。

⑵不同的蓄能器各有其适用的工作范围。

⑶囊式蓄能器原则上应垂直安装(油口向下)，只有在空间位置受限制时才允许倾斜或水平安装。

⑷装在管路上的蓄能器必须用支板或支架固定。

⑸蓄能器与管路系统之间应安装截止阀，供充气、检修时使用。蓄能器与液压泵之间应安装单向阀，以防止液压泵停车时蓄能器内储存的压力油液倒流。

24. 密封装置

密封装置的作用是用来防止压力工作介质的泄漏和阻止外界灰尘、污垢和异物的侵入，是解决液压系统泄漏问题的最关键、最有效的手段。液压系统如果密封不良，可能会出现不允许的内、外泄漏。

25. 基本液压回路 ⑴压力控制回路

①调压回路

使液压系统整体或一部分的压力保持恒定或不超过某个数值。 ②减压回路

使系统中的某一部分油路具有较低的稳定压力。

③增压回路

通过增压缸来实现提高液压系统中的某一支路的工作压力。 ④卸荷回路

⑤保压回路

在执行元件停止运动，而油液需要保持一定的压力时，需要用到保压回路。 ⑥平衡回路

为防止立式液压缸和垂直运动的工作部件因自重而自行下滑，或在下行运动中由于自重而造成失控、失速的不稳定运动，常采用平衡回路。

⑦卸压回路

对容量大的液压缸和高压系统，应在保压与换向之间采取卸压措施。 ⑵速度控制回路

①节流调速回路(效率低) 工作原理是通过改变回路中流量控制阀通流面积的大小来控制进去执行元件的流量，以调节其运动速度。

②容积调速回路

容积调速回路是通过改变泵或马达的排量来实现调速的。

主要优点 没有节流损失和溢流损失，因而效率高，油液温升小，适用于高速、大功率调速系统。

缺点

变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。

③增速回路

使液压执行元件获得所需要的高速，缩短机械的空程运动时间，从而提高系统的工作效率。

④速度换接回路

使液压执行机构在一个工作循环中从一种运动速度换到另一种运动速度。

⑶方向控制回路

①换向回路

②锁紧回路

通过切断执行元件的进油、出油通道来使它停在规定的位置上。

③缓冲回路

防止执行元件起动、停止时的冲击。

④回转回路

提高工作效率和整机机动性。 ⑷多执行元件控制回路

①顺序动作回路

实现多个执行元件按预定的次序动作的液压回路。

②同步动作回路

实现多个元件以相同的位移或相等的速度运动的液压回路。

③互不干扰回路

防止液压系统中的几个液压执行元件因速度快慢的不同而在动作上互相干扰的液压回路。 ⑸液压马达控制回路

①液压马达串、并联回路

适应行走机械的不同工况。

②液压马达制动回路

使液压马达迅速停转。

第五篇：《机电传动控制》课程教学大纲

Electric Drive & Control

课程代码：M004114 总学时：62 (其中讲课54学时，实验8学时)

一、课程的地位和任务

《机电传动控制》是机械设计制造及其自动化专业的一门专业方向选修课程，它是机电一体化人才所需电知识结构的躯体。由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以本课程的任务是使学生了解机电传动控制的一般知识，掌握电机、电器等的工作原理、特性、应用和选用的方法，掌握常用的控制系统工作原理、特点、性能及应用场所，了解最新控制技术在机械设备中的应用。

二、课程的基本内容

第一章

概述

3学时

1、机电传动的目的和任务

2、机电传动及其控制系统的发展概况

3、课程的内容安排

4、预备知识

第二章

机电传动系统的动力学基础

2学时

学分：3.5

1、机电传动系统的运动方程式

2、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算

3、生产机械的机械特性

4、机电传动系统稳定运行的条件

第三章

直流电机的工作原理及特性

1、直流电机的基本结构和工作原理

2、直流发电机

3、直流电动机的机械特性

4、直流他励电动机的启动特性

5、直流他励电动机的调速特性

6、直流他励电动机的制动特性

第四章

机电传动系统过渡过程

1、研究机电传动系统过渡过程的实际意义

2、机电传动系统过渡过程的分析

第五章

交流电动机的工作原理及特性

8学时2学时学时

12

1、三相异步电动机的结构和工作原理

2、三相异步电动机的定子电路和转子电路

3、三相异步电动机的转矩与机械特性

4、三相异步电动机的启动特性

5、三相异步电动机的调速特性

6、三相异步电动机的制动特性

7、单相异步电动机

8、同步电动机的工作原理、特点及应用

第六章

控制电机

1、交流伺服电动机

2、直流伺服电动机

3、力矩电动机

4、小功率同步电动机

5、测速发电机

6、自整角机

7、直线电动机

第七章

机电传动控制系统中电动机的选择

1、电动机容量选择的原则

4学时2学时

2、电动机的发热与冷却

3、不同工作制下电动机容量的选择

第八章

继电器—接触器控制系统

8学时

1、常用控制电器与执行电器

2、继电器—接触器控制的常用基本线路

3、继电器—接触器控制线路举例

4、继电器—接触器控制线路设计简介

第九章

直流传动控制系统

1、电传动控制系统的组成和分类

2、机电传动控制系统调速方案的选择

3、直流传动控制系统

第十章

交流传动控制系统

1、交流调压调速系统

2、变频调速系统

第十一章

步进电动机传动控制系统

1、步进电动机

2、步进电动机的环形分配器

3、步进电动机的驱动电路

4学时 3学时 6学时

4、步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题

三、课程的基本要求

1、通过本课程学习，使学生了解机电传动控制系统的组成，掌握机电传动的基本规律;掌握常用电机、常用电器、及其基本电路的基本工作原理、主要特性，了解其应用与选用;掌握继电器—接触器控制的基本工作原理，学会用它们来实现生产过程的控制;理解常用控制系统的基本工作原理和特点，了解其性能和应用场所;学会分析机电控制系统的基本方法。

2、课内外学时比例：1∶1.5

3、课外习题：

12次左右

四、课程的实践环节安排

实验1：三相异步电动机

实验2：单相异步电动机

实验3：直流伺服控制系统 实验4：交流伺服控制系统

五、先修课程及推荐教材

先修课程：《大学物理》，《电工电子学》，《电子技术》。 推荐教材：《机电传动控制》

邓星钟

华中科技大学出版社。

六、面向对像

2学时 2学时 2学时 2学时

5 机械设计制造及其自动化专业本科生

七、开课教研室

机械设计制造及其自动化教研室