1、針對(duì)鐵路提速的需要,，開(kāi)發(fā)交流電傳動(dòng)工程作業(yè)機(jī)車(chē)是相當(dāng)必要的,。該車(chē)設(shè)計(jì)要求應(yīng)具有兩種運(yùn)行方式：即高速、長(zhǎng)距離牽引運(yùn)行狀態(tài)和超低速穩(wěn)定作業(yè)運(yùn)行狀態(tài),。目前國(guó)內(nèi)使用的工程作業(yè)機(jī)車(chē),，一方面沒(méi)有采用交流電傳動(dòng)，另一方面都不具備這種性能要求,。
2,、牽引電機(jī)的特性
從電機(jī)原理中已知，異步電動(dòng)機(jī)典型的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性,。電機(jī)轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)速時(shí),，轉(zhuǎn)矩為0;當(dāng)轉(zhuǎn)差率很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨速度的減小,，即轉(zhuǎn)差率的增加,，近乎直線變化。當(dāng)轉(zhuǎn)差率S為正時(shí),，為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)差率為負(fù)時(shí),，為制動(dòng)(發(fā)電)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)差頻率(轉(zhuǎn)子電流的頻率)與定子電流頻率F1之比：
S=ΔF/F1(1)
異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率F2,，如果能夠測(cè)量計(jì)算出來(lái),，根據(jù)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)矩的需要，由電機(jī)的控制特性，便能找到其相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率ΔF,，則變頻器輸出的定子電流頻率F1為：
F1=F2±ΔF(2)
式中(2)的()對(duì)應(yīng)于電動(dòng)牽引狀態(tài),，即定子電流的頻率F1大于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率F2;(-)對(duì)應(yīng)于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率F2大于定子電流的頻率F1,。
圖為變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)差頻率ΔF的特性曲線,。該曲線可根據(jù)牽引異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)求出。該特性曲線作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定(轉(zhuǎn)差頻率ΔF)的原始依據(jù),。在變頻器——牽引電動(dòng)機(jī)匹配實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行校正,，在工程作業(yè)機(jī)車(chē)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)速,。
3,、牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
3.1變頻牽引調(diào)速系統(tǒng)的控制方式
由于機(jī)車(chē)本身及所牽引的拖車(chē)重量較大，一般為大慣性負(fù)載,，其啟動(dòng)/停車(chē)時(shí)間均較長(zhǎng),，其轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間無(wú)快速性要求。因此變頻牽引調(diào)速采用轉(zhuǎn)差頻率控制,，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的給定控制和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制,，完全能滿足牽引控制的各種要求。
3.2牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作模式
工程作業(yè)車(chē)在軌道上行駛作業(yè),，通常為“雙車(chē)重聯(lián)工作”,。這樣配置，一方面增加設(shè)備的可靠性;另一方面可適應(yīng)不同的拖車(chē)載重和長(zhǎng)大坡道,、高速長(zhǎng)距離之運(yùn)行要求,。
針對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃作業(yè)機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)以及使用方面的要求，牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)按下述工作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：
?、烹p車(chē)并聯(lián)工作模式：
按轉(zhuǎn)矩給定控制(轉(zhuǎn)差頻率ΔF控制)方式工作;
高速長(zhǎng)距離(重載長(zhǎng)大坡道等)牽引運(yùn)行,。
⑵單車(chē)獨(dú)立工作模式：
按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)或V/F開(kāi)環(huán)頻率控制方式工作;
低速穩(wěn)定作業(yè)運(yùn)行,。
3.2,、1雙車(chē)并聯(lián)工作模式
控制系統(tǒng)計(jì)算牽引電動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)頻率F2。如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只需跟著機(jī)車(chē)一塊運(yùn)行,，只將轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率F2作為牽引變頻器的給出頻率F1(定子繞組上施加的頻率),，即F1=F2。當(dāng)需要施加一定的牽引力(電動(dòng)轉(zhuǎn)矩)時(shí),，控制系統(tǒng)只要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子此時(shí)運(yùn)行的某一頻率F2所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率ΔF′(ΔF′/ΔF=實(shí)際轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)與F2相加,，即F1=F2ΔF′，這樣電動(dòng)機(jī)便輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,。通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),，機(jī)車(chē)便得到相應(yīng)的牽引力,。為了給柴油發(fā)電機(jī)組一定的調(diào)節(jié)時(shí)間，牽引力/制動(dòng)力的施加,，要經(jīng)過(guò)一個(gè)給定的斜坡時(shí)間予以緩沖,。以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)將十分穩(wěn)定,。
結(jié)合上圖如果轉(zhuǎn)矩按(1～15)檔進(jìn)行控制(分檔如按比例),，即轉(zhuǎn)差頻率特性曲線有15條可供用戶(hù)選用。
3.2,、2單車(chē)獨(dú)立工作模式
在了解轉(zhuǎn)矩給定方式工作原理之后,，我們?cè)賮?lái)討論轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差閉環(huán)工作原理。在PWM計(jì)算方框的輸入信號(hào)F2同轉(zhuǎn)矩給定控制方式中的F2一樣,，此處不贅述。速度調(diào)節(jié)器PI將VG,、VF求差并進(jìn)行PI運(yùn)算,，輸出ΔF值受ΔF數(shù)據(jù)限幅，即當(dāng)ΔF值在額定值(ΔF)以?xún)?nèi),，輸出其實(shí)際值,，超過(guò)額定的ΔF時(shí)，限到F2頻率對(duì)應(yīng)的ΔF值,，即ΔF不像轉(zhuǎn)矩給定控制方式只有15條曲線,，而是在牽引/制動(dòng)工作區(qū)中有無(wú)數(shù)條任一的曲線。
V/F開(kāi)環(huán)頻率(轉(zhuǎn)速)控制,，即將速度信號(hào)直接作為牽引變頻器的輸出頻率信號(hào)F1,。當(dāng)然V/F開(kāi)環(huán)頻率控制要將牽引控制所需的特性要求考慮進(jìn)去，遠(yuǎn)非一般通用變頻器就能勝任的,。
4,、牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)
4.1牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)的特殊要求
根據(jù)此變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，因此主電路設(shè)計(jì)需要考慮一下幾點(diǎn)因素：
?、挪裼桶l(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)低抗擾的突出性;
?、茽恳妱?dòng)機(jī)供電要求的特殊性;
⑶牽引變流器免維護(hù)要求的必要性,。
4.2牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路分析
牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路電路原理及操作控制主電路由：進(jìn)線回路,、整流器、預(yù)充電回路,、濾波器,、動(dòng)能制動(dòng)和逆變器等組成。其各部件功能簡(jiǎn)述如下：
?、胚M(jìn)線回路
進(jìn)線回路由刀開(kāi)關(guān)K,、進(jìn)線電抗器LP和熔斷器RD組成,，各電器元件的作用為：
刀開(kāi)關(guān)K：將牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)(裝置)與機(jī)車(chē)柴油—發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)隔離。
進(jìn)線電抗器LP：使整流器交流出入電流連續(xù)平滑,，減輕整流電路對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)的干擾,。
熔斷器RD：對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組提供保護(hù)。
?、普髌?/p>
由三只晶閘管和三只整流二極管組成三相橋半控整流電路,。此處晶閘管不采用相控方式而用電平觸發(fā)，即晶閘管工作時(shí)等效為一個(gè)整流二極管,。
?、穷A(yù)充電電路
牽引變頻調(diào)速系統(tǒng)，為“交—直—交電壓型變頻器”,，中間支流電壓環(huán)節(jié)由多個(gè)大容量的電解電容器串/并組成,，以此來(lái)保護(hù)整流器和電容器不因大的充電電流而損壞。
電電流而損壞,。
預(yù)充電電路由三相橋式整流器ZL和充電限流電阻2R1,、2組成。
?、葹V波器
濾波器主要由多個(gè)大容量的電解電容器通過(guò)串/并聯(lián)連接組成,，用均壓電阻1R1、2,，進(jìn)行強(qiáng)制均壓,，使串聯(lián)電容器上的電壓近乎一致。
此處濾波電容器的功能有三種：1,。將支流電壓紋波濾平;2,。為異步電機(jī)提供無(wú)功電流;3。為動(dòng)能制動(dòng)和逆變器中的全控型電力電子開(kāi)關(guān)元件換流時(shí),，提供低阻通路,。
⑸動(dòng)能制動(dòng)回路
牽引電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)時(shí),，其輸出電壓與電流反向,。在逆變器中，IGBT晶體管通過(guò)電流的時(shí)間,，在一個(gè)輸出頻率周期時(shí)間內(nèi),，小于其通過(guò)續(xù)流二極管電流的時(shí)間。借助二極管的作用,，逆變器將電動(dòng)機(jī)由負(fù)載動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電能,，送到濾波電容器上。此能量又不能通過(guò)整流器回送到交流電網(wǎng),，結(jié)果電容器上的能量不斷增加,，電壓不斷增高,，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)(如700V)，由控制系統(tǒng)開(kāi)通下面的IGBT晶體管,，這樣直流電源的()極通過(guò)放電制動(dòng)電阻RB和開(kāi)通的晶體管,，與電源的(-)極接同，流過(guò)電流IB=VDC/RB,。釋放電容器所儲(chǔ)存的電能,。逆變器不斷回送電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能，從而使機(jī)車(chē)產(chǎn)生一定的制動(dòng)力,。
?、誓孀兤?/p>
逆變器由6個(gè)IGBT晶體管開(kāi)關(guān)和與1GBT反并聯(lián)的6個(gè)快恢復(fù)續(xù)流二極管組成，以實(shí)現(xiàn)電流的雙向流通,。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)為二電平控制方式,，借助PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電壓/頻率(V/F)協(xié)調(diào)控制(VVVF控制),。
當(dāng)牽引異步電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)牽引運(yùn)行時(shí),，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組端的電壓/電流同向(有一相角差)，逆變器將直流電源的電能逆變?yōu)榻涣麟娔?，?duì)電動(dòng)機(jī)供電。當(dāng)牽引異步電動(dòng)機(jī)作制動(dòng)運(yùn)行時(shí),，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組端的電壓/電流反向(有一相位差),，逆變器將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的交流電能，整流變?yōu)橹绷?，回送到濾波電容器上,。交流到直流的整流變換，其原理如⑸動(dòng)能制動(dòng)中所述,。
除了主電路各組成部分外還有輔助電源控制回路,、信號(hào)檢測(cè)元件以及控制系統(tǒng)弱電控制單元。
5,、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)采用INTEL公司16位單片機(jī)作為主控芯片,，采用空間電壓矢量波控制方式實(shí)現(xiàn)適于單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)聯(lián)動(dòng)的全數(shù)字式轉(zhuǎn)差頻率控制模式。
控制系統(tǒng)通過(guò)軟件和硬件結(jié)合具有如下特點(diǎn)：
?、诺皖l(啟動(dòng))大轉(zhuǎn)矩;
?、?00%過(guò)載能力及軟件反時(shí)限特性;
⑶為防止動(dòng)態(tài)過(guò)電壓,、過(guò)電流增設(shè)自動(dòng)失速控制;
?、溶浖蛇x擇的柔性PWM能耗制動(dòng);
⑸克服電網(wǎng)波動(dòng)維持輸出電壓的自動(dòng)電壓控制(AVC);內(nèi)燃機(jī),、電機(jī),、變頻器