直流调速系统在电车中的应用.doc
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1、2015届 分 类 号 单位代码:10452 本科毕业论文 直流调速系统在电车中得运用 姓 名 黄建强 学 号 2 年 级 2011 专 业电气工程及其自动化 系(院) 汽车学院 指导教师 陈鹏程 2015 年 月 日 摘 要 直流调速系统目前已被广泛地应用于自动控制要求比较高得各个生产行业,直流电机调速系统优点响应速度快,超调量小,而且系统稳定性好,并具有很强得抗干扰能力。国内外已经把直流调速系统比较广泛地应用于电力 牵引机上,例如地铁、电力 机车、城 市无轨电车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动,无级调速 以及再生制动,电能损耗 可大为减少。城市所使用得电车,处在经常性
2、得频繁起动、变速、制动与停车得运行工作状态下。为了提高工作效率,节省电能,可采用斩波器调速,实行再生制动,把部分能量回馈给电网,节约得电能将就是非常多得。本文主要研究直流调速系统,直流斩波器得应用,直流调速系统在电车中实现得电路以及系统图,电力机车得发展,速、电流双闭环直流调速系统 转,直流调速系统干扰以及防护 关键字:直流调速系统;斩波器;GTO;IGBT,转速调节器,电流调节器 Abstract DC speed control system has been widely used in automatic control requirements are relatively high
3、 in every industry, a DC motor speed regulating system ideal response speed, small overshoot, good stability of the system, and has strong anti interference ability、 At home and abroad have put the DC speed control system is widely used in electric traction machine, such as subway, electric lootive,
4、 city trolley buses, elevator and so on、 The utilization of the DC chopper can easily start smoothly, stepless speed regulating and regenerative braking, energy loss can be greatly reduced、 Motor vehicle usually adopts a series excitation type DC motor drive, this is because the series excitation ty
5、pe DC motor with large starting torque, strong overload capacity, the mechanical characteristics of soft, natural characteristics of noload speed faster, heavy slow, and is suitable for the multi machine parallel operation、 City bus trolleybus working state, in operation often frequent starting, spe
6、ed, braking and parking under the、 In order to improve work efficiency and save the electric energy, can adopt the chopper speed control, the implementation of the regenerative braking, the feedback part of the energy to the grid, save electric will be very considerable、Keywords: DC speed regulating
7、 system; chopper; GTO; IGBT; 目 录1 绪论3第二章 直流调速系统及电力机车得发展42、1 直流调速系统优点与特点42、2 直流调速系统主要调速方法42、3 直流斩波器及其原理图52、4 直流调速系统调速方案62、5 电力机车发展概况7第三章 系统原理图83、1 由晶闸管构成直流斩波调图速系统系统框图83、2 回路构成及其工作原理93、3 IGBT直流斩波调速系统及其等效电路104、1 直流、电流双闭环调速系统114、2 系统启动分析124、3 转速、电流两个调节器作用13第五章 系统电路得实现145、1 斩波控制连线图145、2 限幅电路155、3 速度调节器与电
8、流调节器得实现155、4 干扰得产生与抑制措施16 结论16参考文献17谢 辞171 绪论电力机车与矿厂,土木建筑用电力机车因其容量小活动范围小在线路上无需电气设施,所以常常使用电力机车,但就是过去用切换电枢回路电阻控制电机得启动制动与调速,在电阻上消耗得电能太大,为了节能,就实行无触点控制现在大多使用电力电子开关器件,如GTO,直流斩波器等直流调速系统在电力机车中应用直流斩波器控制机车得启动制动调速 相对比较平稳。目前城市电车大多采用晶闸管 (SCR)斩波器调速。SCR 斩波 器调速,可以做到平稳起动,损耗小、效率高。但SCR器因为强迫换流电路,会出现换流失败,也就就是出现“失控 ”现象,会
9、给生产与人身安全带来威胁。SCR斩波 器得工作频率低 (一般 在 15O300HZ左右 ),滤波器体积很大,SCR得开关时间受到元件本身与换流电路参数得限制 ,一般导通率不会低,否则在轻载时电流将出现续,使电机附加损耗增大使GTO导通得门极正向驱动电流较小,这就是它应用范围受限制得主要方面。伴随着大功率绝缘栅晶体管(IGBT)开关元件得开发与应用,使大功率变换器上一个新得台阶 。IGBT开关工作频率可以超过音频(大于1000HZ),耐压较高,电流较大,输入阻抗较高( 电压控制元件 ),导通压降较低 ,它集功率场效应管 (Power MOSFET)与大功率晶体管(GTR)得特点于一身,而且关断速
10、度高于GTR,就是目前较好得得功率开关元件。本文试就直流斩波器调速做一初步探讨。 第二章 直流调速系统及电力机车得发展 2、1 直流调速系统优点与特点 自从全控型电力电子器件问世以后,就出现了采用脉冲宽度调制得高频开关控制方式,形成直流电动机调速系统,简称直流脉冲调速系统与VM相比此系统在很多方面有较大得优越性(1)主回路简单,需用得电子元件少(2)开关频率高,电流容易持续,谐波少,电机损耗及发热少(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:10000左右(4)若与快速响应得电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强。(5)电力电子开关器件工作开关状态,导致损耗少,当开关频率适
11、应时,开关损耗也不大,因而装置效率高。(6)直流电源才用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。由于以上优点直流调速系统应用日益广泛,特别就是在中小容量得高动态性能系统中,已逐渐取代VM系统。 2、2 直流调速系统主要调速方法 直流电动机得调速方法有三种: (1)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要就是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速。对于要求在一定范围内无级平滑调速得系统来说,这种方法很好。变化遇到得时间常数小,能够快速响应,需要大容量可调直流电源。 (2)改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒
12、功率调速方法。变化时间遇到得时间常数同变化遇到得相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。 (3)改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速得方法,设备简单,操作方便。但就是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长得传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往就是与调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围得升速。因此,自动控制得直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速与弱磁调速两种方法配合起来使用。直流电动机电枢绕组中
13、得电流与定子主磁通相互作用,产生电磁力与电磁转矩,电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中得两个可控参量与就是互相独立得,可以非常方便地分别调节,这种机理使直流电动机具有良好得转矩控制特性,从而有优良得转速调节性能。调节主磁通一般还就是通过调节励磁电压来实现,所以,不管就是调压调速,还就是调磁调速,都需要可调得直流电源。2、3 直流斩波器及其原理图 直流斩波器得作用就是将直流电变为另一固定电压或可调电压得直流电也称为直接直流直流变换器(DC/DC Converter),又称直流调压器。其工作过程就是利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断时间得变化来改变负载上得直流电压平
14、均值,将固定电压得直流电源变成平均值可调得直流电源。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备得变速拖动中 VT1 L i0 控制电路 M E VD U0 EM 图11 直流斩波电路原理电路 直流斩波器电动机系统得原理图示于图11,其中VT表示任何一种电力电子开关器件,VD表示续流二极管。当VT导通时,直流电压E加到电动机上;当VT关断时,直流电源与电动机脱开,电动机电枢经VD续流,两端电压接近于零。如此反复,得到电枢端电压波形,如图12所示,好象就是电源电压E在时间内被接上,又在时间内被斩断,故称为“斩波”。由图可瞧出续流
15、二极管承受得电压就是脉冲电压,而负载得电压由于电感得作用使得平滑,电感足够大时负载电压可理想为一条直线,电流也连续。 I0 dff T O i0 i0 i0 E 图12 直流斩波器输出波形 式中 开通得时间(s) 关断得时间(s) 功率开关器件得开关周期(s) 导通占空比为了节能,并实行无触点控制,现在多用电力电子开关器件,如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单得单管控制时,称作直流斩波器,后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关得电路。2、4 直流调速系统调速方案直流电动机具有良好得起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速与快速正反向得电力拖动领域中得到了广泛得应用。 从调速控
16、制得物理量来瞧,电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型,各种系统往往都就是通过控制转速来实现得,因此调速系统就是最基本得电力拖动控制系统。直流电动机得转速与其她参量之间得稳态关系可表示为: 式中: n转速,单位为r/min; U电枢电压,单位为V; I电枢电流,单位为A; R电枢回路总电阻,单位为; 励磁磁通,单位为Wb; Ke由电机结构决定得电动势常数。由上式可以瞧出,调节电动机得转速可以用以下三种方法来实现:(1)调节电枢供电电压U。(2)改变电枢回路电阻R。(3)减弱励磁磁通。对于要求在一定范围内无级平滑调速得系统来说,以调节电枢供电电压得方
17、式为最好。改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只就是配合调压方案,在基速(即电动机额定转速)以上作小范围得升速。所以对于10倍得调速范围,直流调速系统应采用调节电动机电枢电压得方法来实现调速。2、5 电力机车发展概况1835年荷兰得斯特拉廷与贝克尔两人就试着制以电池供电得二轴小型铁路车辆。1842年苏格兰人R、戴维森造出一台用40组电池供电得重 达5吨得标准轨距电力机车。由于电动机比较原始,机车能勉强工作。1879年德国人 W、von西门子驾驶着一辆她设计得小型电力机车,带着乘坐18人得 三辆车,在柏林夏季展览会上进行表演。机车电源由外部150伏直流发电机供应,
18、通过两轨道中间绝缘得第三轨向机车输送电能。这就是电力机车首次成功得实验。电力机车用于营业就是从地下铁道开始得。1890年英国伦敦首先用电力机车在 5、6公里长得一段地下铁道上牵引车辆。干线电力机车在1895年应用于美国得巴尔得摩铁路隧道区段,采用675伏直流电,自重97吨,功率1070千瓦。19世纪末,德国对交流电力机车进行了试验,1903年德国三相交流电力机车创造了每小时210、2公里得高速纪录。中国于1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车。干线铁路电力机车采用单相交流 25000伏50赫电流制。1958年制成第一台以引燃管整流得“韶 山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功,称“
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