串励电机做发电机性能分析.docx

《电力牵引控制技术》课程作业串励电机作发电机的稳定性分析以及实现稳定的控制措施小组成员：田野杨才伟朱龙胜指导老师：王立德日期：2014年6月7日串励电机作发电机的稳定性分析以及实现稳定的控制措施摘要：由于串励电机制动工况时是作为发电机工作，制动转矩随着转速的下降而下降，所以在制动工况时，串励电机制动不能制停，本文主要分析了串励电机牵引工况的工作原理、串励电机制动工况时的电气稳定性和机械稳定性，通过分析证明了串励电机制动工况时的不稳定性，最后我们提出一种基于斩波器控制的改进串励电机再生制动时稳定性的措施，经过查阅文献我们发现，基于利用斩波器对串励电机进行调速的措施前人已经提出，受到这个启发，我们经过小组讨论，提出了基于斩波器的串励电机再生制动控制方案，这种方案最大的优势是可以充分将牵引电机制动时的能量回馈电网，达到节能的效果，同时克服了串励电机作为牵引电机在制动工况时的不稳定性。一、牵引原理因为最近总在学电，关于牵引的力学问题已经忘的差不多了，所以在此首先复习牵引原理。对于一辆机车，其受到的力包括：牵引力F，总阻力W和制动力B，所以合力其中F和B的产生都是由牵引电机产生的，如果牵引电机工作于电动状态，那产生的就是力F，如果是发电状态，就是力B，而且这两个值都是正的。如果是牵引工况时但是现在对于机车来说，轮子是转动的，所以这个式子需要改成转动方程其中为拖动转矩(N·m)，为阻力转矩(N·m)，J为转动惯量(kg·m2)，是旋转物体的机械角速度(rad/s)。由于，以及，可以得到同理，制动工况时：二、电磁原理首先，对直流电机的内部电磁结构分析，我们可以得到这两个公式是本分析的基础。其中的与的关系本应该是符合磁化曲线的关系，但是为了分析的简便，现将其简化成两段，如下图红色线段：Figure 1磁化曲线其中当时，；当时，，在本文中，绝大多数的分析都是在的情况下，即。三、电路原理串励电机电路如图Figure 2串励电机电路图其中，。列出电路方程为:四、转速与电流关系分析根据公式当，有假设变化率不计，可以得到，即当，有由上述两个式子画出曲线Figure 3电流转速曲线五、电气稳定性即串励电机作发电机是不稳定系统判定1、制动前的分析在串励电机制动之前，电流电压关系如图：Figure 4制动前电流电压曲线当时，,根据公式，可知，所以电流要减小，系统是电气稳定的。在稳定时，以下关系式应该是成立的= （）= （）2、制动后励磁不反接分析当电机制动后电路图如图：Figure 5串励电机制动后电路图因为机械惯性，假定n在进入制动时是基本不变的，但是变为，再根据稳定时的电压方程关系，推断电流电压关系如图：Figure 6不反接稳定性分析现在不管有什么样的扰动，是一定满足的，电流总会趋向于0，所以串励电机是没有办法持续做为发电机来工作的，也可以说串励电机做发电机是不稳定的。3、制动后励磁反接分析根据对Figure 6的分析，我们知道了励磁不反接时是一定不稳定的，但是大部分串励电机在制动时肯定是要将励磁反接的，所以现在考虑对励磁电路反接后的情况，因为反接的一个最重要的特点就是没变，所以E曲线还是在第一象限的，带着各种假设，画出了Figure 7：Figure 7因为，制动前两式相加是常数U（），运行时E肯定是要远大于的，所以假定额定运行点是虚线上，在此基础上转为制动，先假定，此时，电流增大，但是因为负向转矩使转速减小，再加上磁路饱和的问题，所以曲线是往下弯的。根据上图可以知道，电路可能会稳定在A点。另外，在制动后电路如Figure 8：Figure 8制动后电路图电路方程为：另外转矩与转速的方程：其中，根据他人研究，（k和c都是常数），所以，这时不能再考虑电流与转速之间的关系了，因为U不存在了，之前的公式推导前提条件已经改变了。通过转矩公式可以分析，现在的电磁电压电流的乘积提供的是一个减速转矩，而随着转速的降低，电压降低，转矩下降，也就越来越小，减速也就越来越慢。现在再次回到电气稳定性上，可以画出在减速过程中的考虑转速变化的电压电流曲线如Figure 9：Figure 9由于转速的下降使得E减小，所以之前分析的平衡破坏，,所以，电流下降，与相比，E受电流下降的影响更大，所以电流一直在下降而没有一个稳定点，最后的结果就是回到原点，所以此时也是没有电气稳定性的。至此电气稳定性分析结束。（一开始就有的情况我没有再分析，因为根据上述分析的后半步骤可知这个情况也是不稳定的。）六、稳定方案根据上面对转矩的分析，即对公式的分析可知串励制动曲线如下图：Figure 10串励制动机械特性曲线从上图串励电机的能耗制动曲线可以看出，在制动前期，串励电机的制动力矩过大，而在制动后期力矩却很小，为了对其进行改善，所以采用带有