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内燃机车牵引变频调速控制系统设计

1、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。

 2、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。

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 3、牵引变频调速控制系统的特点

 3.1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。

 3.2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。

 3.2、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

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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。

 3.2、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