机车电传动系统建模应用.DOCVIP

第5章 机车电传动系统建模应用 火车的不断提速要求机车的性能不断提高，这为机车电传动系统建模与仿真研究提供了实际需要。用模型仿真后再试验，可以缩短试验的周期，从而节约试验经费及避免因停产而造成的损失。因机车经常在其极限值附近运行，组成机车电传动系统的各发电机及电动机的非线性严重，故机车电传动系统建模采用实验和物理结构数学推导相结合的方法。 5.1 机车电传动系统结构 内燃机车电传动系统是一个由同步发电机、同步励磁机、牵引电动机、控制器以及有关电器组成的电气系统。系统运行时，根据它的运行状态又可分为牵引工况和制动工况。 牵引工况时，由柴油机提供动力，驱动发电机和励磁机，再由发电机经过整流装置驱动若干台并联的串励牵引电动机，带动整列机车运行。牵引电动机的调速不仅可以通过控制励磁发电机供给主发电机的励磁电压来实现，而且改变柴油机的油门大小也同样可以通过控制主发电机的输出功率来实现。励磁发电机本身的励磁电压通过另一控制回路按内定的控制规律由励磁发电机的输出供给。 在制动工况时，串励的牵引电动机改为并接的他励发电机，通过电阻能耗制动。此时主发电机供给他励发电机的励磁电压。 机车电传动系统框图如图5.1.1所示。 图5.1.1 机车电传动系统原理框图 由此看来，该系统是一个多输入单输出多工况的大系统。输入变量为柴油机油门给定手柄和主发电机的励磁电压。输出变量为机车速度。两个自闭合反馈控制回路：柴油机调速器和励磁发电机的输出电压调节器；多种能量转换：机械能－电能－机械能。 图5.1.2给出机车电传动系统物理连接示意图。 图5.1.2 机车电传动系统物理连接示意图 5.2 电机基本数学方程 如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f满足，p为电机的极对数，这种电机称为同步电机。同步电机主要用做发电机，其功率因数高，体积小。 (1)电机励磁形式 电机分他励、串励、并励和复励4种励磁形式，如图5.2.1所示。在机车电传动系统中励磁发电机和主发电机都采用他励形式，而电动机在牵引工况时采用串励形式，在制动工况时变成他励的发电机。 图5.2.1 电机的励磁方式 (2)发电机的等效电路及基本方程 发电机经整流电路与电动机相联的结构如图5.2.2所示，发电机本身的等效结构如图5.2.3所示。 图5.2.2 发电机经整流电路与电动机相联的结构图 图5.2.3 发电机等效电路 1)发电机的相电压 2)发电机的线电压 3)整流后电压＝线电压×1.35，整流后电流＝电流×1.283。 4)直流发电机方程 (5-2-1) 其中:为电枢内阻，分两部分，一部分是电枢回路绕组电阻，另一部分是两组电刷和换向器的接触电阻，；，为电势常数。 5)电磁感应定律 (5-2-2) 为匝数。负号表明感应电流产生的磁通起反对磁通变化的作用。 6)一般通过实验获得，输入为励磁绕组的电压，有 (5-2-3) 其中:为实验曲线的气隙线斜率，为等效的励磁电感。 7)发电机的电枢电压和电流发生变化时，励磁电流也会发生变化，而这一变化是非线性的。 8)励磁绕组的轴线称直轴，超前直轴(/2弧度的称交轴。 (3)电动机的等效电路及基本方程 1)串励电动机可等效为如图5.2.4所示电路。 图5.2.4 串励电动机等效电路 其中：为励磁电压(主发电机输出直流电压)，为励磁电流，为感应电势，R为电动机的励磁电阻和电枢电阻之和，L为电动机的励磁电感和电枢电感之和。 2)电动机的数学公式 其中：为转矩常数，且＝9.55。 5.3 机车电传动系统数学模型 以5.2节发电机和电动机的基本数学方程为基础建立数学模型，同时考虑励磁发电机、主发