电力牵引控制系统牵引特性的研究
1152104 刘森轶
一、实验电路及实验原理
电动机车如今多采用VVVF变频器供电的三相变频异步电动驱动，电动机车的牵引特性主要是指电动机车在不同速度下的牵引力（F）或牵引转矩（T）、电动机电压Ul、频率f与速度v之间的关系。即F?f(v)、Ul?f(v)、f?f(v)等。典型的牵引特性曲线如图1-1和图1-2所示（参见谢维达编著《电力牵引与控制》中的图2.7与图2.9）
图1-1 南京地铁南北线的牵引特性曲线
图1-2 北京地铁10号线的牵引特性曲线
IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统
图1-3为采用模拟电路的IGBT- SPWM-VVVF交流调速系统原理框图。 由图可见，系统主电路为由三相二极管管整流器-IGBT逆变器组成的电压型变频电路。供电对象为三相异步电动机。IGBT采用专用驱动模块驱动。SPWM生成电路的主体是由正弦波发生器产生的正弦信号波，与三角波发生器产生的载波，通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制波（SPWM波）。
图1-3 模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图
1)开通延时器（死区）
它是使待导通的IGBT管在换相时稍作延时再驱动（待桥臂上另一IGBT完全关断）。这是为了防止桥臂上的两个IGBT管在换相时，一只没有完全关断，而另一只却又导通，形成同时导通，造成短路。 2）V/f函数发生器
由《电力电子技术》课程中工作原理中的分析已知，SPWM波的基波频率取决于正弦信号波的频率，SPWM的基波的幅值决于正弦信号波的幅值。V/f函数发生器的设置，就是为了在基频以下，产生一个与频率f1成正比的电压，作为正弦信号波幅值的给定信号，以实现恒压频比（V/f?恒量）的控制。在基频以上，电压UV?恒量，则实现恒压弱磁升速控制。 3)给定积分电路
它的主体是一个具有限幅的积分环节，以将正、负阶跃信号，转换成上升和下降，斜率均可调的，具有限幅的，正、负斜坡信号。正斜坡信号将使起动过程变得平稳，实现软起动，同时也减小了起动时的过大的冲击电流。负斜坡信号将使停车过程变得平稳。
4)图中，S1为正、反向运转选择开关。电位器RP1调节正向转速；RP2调节反向转速。S2为起动、停止开关，停车时，将榆入端接地，防止干扰信号侵入。 5)其他环节
此系统还设有过电压、过电流等保护环节以及电源、显示、报警等辅助环节，图中未画出（可参见下例分析）。但此系统未设转速负反馈环节，因此是一个转
速开环控制系统。
综上所述，此系统的工作过程大致如下（见图1-2）；
由给定信号（给出转负及转速大小）?起动（或停止）信号?给定积分器（实现平稳起动、减小起动电流）?V/f函数发生器（基频发下，恒压频比控制；基频以上，恒压控制?SPWM）控制电路（由体现给定频率和给定幅值的正弦信号波与三角波载波比较后产生SPWM波）?驱动电路模块?主电路（IGBT管三相逆变电路）?三相异步电动机（实现了VVVF调速）。 微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统简介
图1-4为单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的原理框图。
图1-4 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图
此系统的特点是采用单片机微机来进行控制，主要通过软件来实现变压变频
控制、SPWM控制和发出各种保护指令（包含着上例中各单元的功能）。SPWM发生器可采用专用的集成电路芯片，也可由微机的软件来实现。它的主电路也是由二极管整流器、IGBT逆变器和中间的（电压型）直流电路组成。它也是一个转速开环控制系统。此系统的控制思路与上例是相同的，此处不再重复。现再对系统中的其他环节做一简单的介绍。
1)限流电阻R0和短接开关S
由于中间的直流电路并联着容量很大的电容器，在突加电源时，电源通过二极管整流桥对电容充电（突加电压时，电容相当于短路），会产生很大的冲击电流，会使元器件损坏。为此在充电回路上，设置R0电阻（或电抗器）来限制电流。待电源合上，起动过渡过程结束以后，为避免R0上继续消耗电能，可延时以自动开关S将R0短接。 2)电压检测与泵升限制
当异步电动机减速制动时，它相当一个感应发电机，由于二极管不能反向导通，电动机将通过续流二极管向电容器充电，使电容上的电压随着充电而不断升高（称泵升电压），这样的高电压将使元器件损坏，为此，在主电路设置了电压检测电路，当电压过高时，通过泵升限制保护环节，使开关管VF导通，使电机制动时释放的电能在电阻Rb上消耗掉，Rb通常为功率较大的外接电阻。
3)进线电抗器
由于整流桥后面接有一个容量很大的电容，在整流时，只有当整流电压大于电容电压时，才会有电流，从而造成电流断续，这样电源供给整流电路的电流中便会含有较多的谐波载分，对电源造成不良影响（使电压波形畸形，变压器和线路损耗增加），因此在进线处增设进线电抗器Lin，以减小电流波动（抑制谐波成分）（本实验进线经过隔离变压器，同样可起减少谐波作用）。
4)温度检测
主要是检测IGBT管壳的温度，当通过电流过大，壳温过高时，微机将发出指令，通过驱动电路，使IGBT管迅速截止（本实验由于通过的电流不大，所以未设温度检测环节）。
5)电流检测
由于此系统未设转速负反馈环节，所以通过在交流侧（或直流侧）检测到的电流信号，来间接
反映负载的大小，使控制器（微机）能根据负载的大小，对电动机因负载而引起的转速变化，给予一定的补偿。此外，电流检测环节还用于限制电流过大和过电流保护。
三相SPWM型逆变器的主电路和三相SPWM调制电压波形
上面通过典型的单相逆变器，介绍了SPWM控制的工作原理。但实际上，通用的变频器多为三相逆变器，对三相逆变器，它的工作原理与单相逆变器相同。