龙源期刊网http:/www.qikan.com.cn交流传动电力机车动力性能控制作者：王芳兰来源：《环球市场信息导报》2016年第15期文章通过对机车动力控制方式，交流电机的特性，及电机工作参数控制的方法，对机车牵引变流器的原理、结构、控制进行了细致的分析和论述。机车的控制是通过动态调整交流牵引电机实际工作点，以适应机车牵引特性的要求，四象限整流器调节的是输入电压与电网电压的相位关系，牵引逆变器调节的是输出电压与交流牵引电机转速的匹配关系，调节的主线是保持能量传输的动态平衡。使机车性能控制满足重载牵引运输的需要，并最大限度地利用了电网的牵引供电能力。和谐系列大功率交流传动电力机车现在已经成为我国重载牵引的主力机型，到现在我段配属机车中，和谐1型、和谐2型大功率交流传动电力机车占到配属机车的80%以上。而现有技术资料有限，且由于知识产权和技术保密等原因，至今还没有一种技术资料对其控制方式进行系统解释和说明。为了方便广大职工学习和掌握和谐型重载机车的理论知识，结合和谐1型、和谐2型、和谐3型大功率交流传动电力机车的控制方式不同和本人的理解，现对和谐系列大功率交流传动机车性能控制理论进行进一步的探讨。机车动力控制概况分析机车性能参数的控制主要是由机车司机通过司机控制器来控制机车的工作状态和参数，以达到控制机车动力输出的工作状态。从内燃机车、交直流传动电力机车到交直交传动机车，其控制方式和控制原理是有较大的区别的。内燃机车由于机车自带全部动力系统，其动力控制是通过控制发动机的转速和输出功率以及机车的牵引制动工况，实现完全控制机车的动力性能。交直流传动电力机车，由于其馈电电源来自交流电网，无法对线路上的每台机车单独控制，在电源动力转换时，主变压器采用有级控制的方式。通过控制主变压器工作时的变比，控制传动装置输出的电压和功率。对于以上两种类型的机车，由于传动装置输出能在较大速率范围内符合牵引动力的牛马特性，利用传动装置的自然特性，不需要对传动装置进行专门控制，只需要把司机控制器手柄信号转换为发动机转速控制信号或主变级数控制信号，就完全可以实现机车牵引动力和状态的控制。对于交直交流传动的和谐系列大功率电力机车，由于采用了交流牵引电机作为机车动力驱动单元，而交流电机的工作特性自适应的工作范围比较窄，只有在电源工作频率下方很小的范龙源期刊网http:/www.qikan.com.cn围内电机才能稳定工作，所以必需对传动装置进行相对复杂的动态控制，使其在机车全部工作状态的范围内，输出使交流电机能够稳定工作的可控制电源。和谐系列机车的牵引特性分析由和谐1型、和谐2型及和谐3型大功率交流传动电力机车的牵引特性（如图）可以看出，机车的全部工作范围按速度可以分为3个阶段：即恒牵引力工作区段、线性控制工作区段和恒功率控制工作区段三个限制工作区段。在牵引工况下，分为机车恒牵引力（转矩）启动阶段、线性控制加速阶段和恒功率调速牵引工作区段。在启动阶段，机车速度低于5km/h(和谐3型机车为10kmh)时，机车牵引力恒定不变，在机车速度达到65kh(25吨轴重机车为70kmh)时，机车进入恒功率调速控制模式，在5kmh到65k/h之间的区间采用线性调速控制模式。和谐1型和和谐2型机车控制采用无级调速恒速控制方式，而和谐3型机车采用分级调速控制方式，在机车手柄级数较低时(5级以下)不会进入力矩限制工作区段，机车从恒牵引力工作状态直接进入准恒速工作状态；在机车手柄级数较高(7级以上)时，机车经过恒牵引力控制、线性控制和恒功率控制三个限制工作区段进入准恒速工作状态，当机车速度进入较高速度范围，电机工作电压和工作电流都达到最大值时，只能改变输出频率进行调速，机车进入限制特性工作区。在机车动力制动工况下，在机车运行速度较高时，机车工作在恒功率制动控制模式，在机车运行速度较低接近停车区域时，机车工作在线性控制工作模式，在中间区段，机车工作在恒制动力的限制工作模式。在参数设计上，和谐1型机车23吨轴重和25吨轴重机车工作区段转折点相同，都是5km/h和75kh。和谐2型机车线性限制工作区与恒制动力限制工作区的转折点是1Okh,恒功率制动限制工作曲线在机车不同轴重情况下，进入恒制动力限制工况转折点的速度和制动力是不同的，轴重越大，其制动力越大，转折点速度越低。和谐3型机车采用有级控制准恒速控制模式，机车采用25吨轴重时在恒制动力区和恒功率区的制动力都要比23吨轴重机车的制动力要大，而各个手柄位的限制曲线不变，手柄位越高，其限制制动速度越高，当机车运行速度低于限制速度时机车动力制动力会迅速下降，机车失去动力制动的作用，在操纵中司机要根据机车运行速度的变化及时调整手柄位置，保证机车处于正常动力制动的工作状态。和谐系列机车牵引电机特性分析和谐系列大功率交流传动电力机车牵引电机采用感应式三项异步电动机。根据交流电机的扭矩特性（如图4）可以看出，交流电机在电源电压和频率不变的情况下，其工作范围可分为三个部分，从电机启动点A到最大扭矩点B之间，电机的扭矩随着转速的增加而增大，电机处于加速启动状态，在电机转速超过最大制动扭矩B'点以后，制动扭矩随转速的增大而减小，在这两个工作区段，电机处于不稳定的工作状态；从电机最大扭矩点B到同步转速点C之间，电机输出扭矩随着转速的增加迅速减小至零，超过同步转速点C之后，电机进入动力制动状态，变为按照发电机工作状态运行，到最大制动扭矩B'点之间，制动扭矩随转速的增大龙源期刊网http:/www.qikan.com.cn而增大，电机输出特性与负载特性相匹配，电机处于稳定的工作状态。当机车由于负载变化，速度增加时，电机通过减小输出扭矩或增加制动扭矩，使机车速度回复稳定的工作速度，达到新的工作平衡点。同样，当机车由于负载变化，速度减小时，电机通过增大输出扭矩或减小制动扭矩，使机车速度回复稳定的工作速度，达到新的工作平衡点。在从B点到B'点的全部工作区段中，电机在每一点都可以通过动态调整是电机自动处于稳定的工作状态。交流电机稳定状态工作转速范围很小，当电机转速与旋转磁场一致达到同步转速时，电机的输出扭矩降为零。也就是说要使电机一直保持稳定的工作状态，必须把电机的转差率控制在一个很小的范围内，使电机转速稳定工作在同步转速附近。交流牵引电机的电磁转矩T可用公式T=K①2COS02表示，其中：K为常数，①为每极磁通量，2为转子电流，COSφ2为转子功率因数。转子电流I2和转子功率因数COSφ2可用公式2=SE20W(R22+(SX20)2),COS02=R2W(R22+(SX20)2)表示，带入转矩公式后，公式可变换为：T=KDE20SR2/(R22+(SX20)2)E20为电机静止时转子自感电动势，S为转差率，R为转子内阻，X20为电机静止时转子感抗。额定工况工作时电机转差率S很小，与转子阻抗R2相比SX20可以忽略不计，而D、E20都与电压U成正比，交流电机的扭矩公式可以变换为T=K(Uf)2fs,fs为转差频率。从公式可以看出电机输出扭矩与电源电压与频率的比值的平方成正比，与电机的转差频率成正比。根据交流电机特性曲线（如图4）、和谐系列机车的牵引制动特性曲线（如图1-3）及和谐1型、和谐2型及和谐3型机车牵引电机特性曲线（如图5-7）要求可以看出，只要分别控制变流器输出的频率、电压，就可以控制交流牵引电机同步转速和输出扭矩，按机车设计的牵引和制动特性曲线，控制机车按设定的参数运行。和谐系列机车牵引变流器性能控制的分析与探讨根据交流牵引电机的特性分析，通过调整主变流器输出电压的频率，可以调控交流牵引电机的同步运行转速。在变流器输出电压不变时，随着电机运行转速的增加，电机输出扭矩与电源频率的平方成反比例下降。为了使变流器的输出与交流电机的工况相匹配，需要单独控制变流器的输出的电压和频率。分析和谐1型、和谐2型、和谐3型大功率交流传动机车主变流器，虽然其所选原件和控制参数有所差异，其控制原理都是一样的。机车主牵引变流器分为四象限整流器、中间直流环节和四象限逆变器三个部分，整流器和逆变器的核心原件都是采用的IGBT模块。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，有输入阻抗高和导通压降低两方面的优点。驱动功率小，非常适合应用于变频