基于整流- 有源逆變電路的電力機車節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)

黃圓明 徐 澤

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 電力機車節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的問題背景

如今，在電氣控制系統(tǒng)中，電動機已被廣泛用于生產(chǎn)、運輸、電力、國防和日常生活中等領(lǐng)域。如安裝在電力機車中的電動機提供驅(qū)動機車運行的動力。在電力機車實際運行中如何使電力機車的運行速度最優(yōu)化、效率實現(xiàn)最大化、能耗實現(xiàn)最小化成為了現(xiàn)今需要研究的問題。一方面假如其中的電機突然出現(xiàn)故障，將對整個生產(chǎn)的流水線產(chǎn)生嚴重的影響。另一方面如果其中的電機對電能的利用效率很低，就需要從電網(wǎng)大量消耗輸送的電能，造成能源的浪費，很不經(jīng)濟。因此對電力機車的速度進行控制，并且對電力機車的節(jié)能方面做出改變具有十分重要的意義。

1.2 節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計在三相橋式整流電路基礎(chǔ)上進行設(shè)計，如圖1 所示為Matlab 模擬總體設(shè)計圖，采用晶閘管全控整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電給直流電動機供電，通過改變觸發(fā)角度α的大小的方式，從而改變直流電動機的通入的直流電壓Ud的大小，對直流電動機的速度進行調(diào)控。

電路將電動機M接在電路中相當于一個反電動勢負載，本電路可以將整個運行過程看作三相橋式全控整流電路帶動反電動勢阻感負載工作的情況。本系統(tǒng)對于三相橋式全控整流電路來說，只要滿足以下兩個條件：（1）電路中有直流電動勢，極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流器直流側(cè)的平均電壓。（2）觸發(fā)角度α＞π/2，使Ud為負值兩個條件就可以工作在逆變狀態(tài)，此狀態(tài)可以將直流電進行逆變，使其變?yōu)榻涣麟姡斪儔浩鞯慕涣饕粋?cè)接入電網(wǎng)當中時，該電路變?yōu)橛性茨孀冸娐窢顟B(tài)，這時的電動機運行于發(fā)電的過程，此時將電動所產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ嫫饋恚闺娔艿南臏p少。

1.3 節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計仿真

根據(jù)設(shè)計要求，我們對電力機車在工作于逆變狀態(tài)時進行仿真，使用Matlab 軟件中的simulink 模塊仿真系統(tǒng)的主電路：三相橋式全控整流電路。仿真圖如圖2 所示。

2 系統(tǒng)工作在逆變狀態(tài)時的波形及相關(guān)計算

我們計算并仿真晶閘管逆變角為β=30°時的電壓電流波形，并分析輸出波形。

圖1 總體設(shè)計圖

圖2 主電路仿真圖

當α=120°時，即β=30°時，假設(shè)機車下坡時反電動勢負載EM為-500V，電樞電阻為1.5Ω。

圖3 逆變角β=30°時電路仿真波形

Ud平均值：

輸出直流電流的平均值：

每個晶閘管導(dǎo)通角度為2π/3，即120 度，所以流過各個晶閘管的電流的有效值為：

從變壓器的交流一側(cè)的電源端送到直流側(cè)負載端的電能，即有功功率為：

在三相橋式電路中，每個周期內(nèi)流經(jīng)電源的線電流的導(dǎo)通角度為4π/3，是每個晶閘管導(dǎo)通角2π/3 的兩倍，因此變壓器的二次側(cè)產(chǎn)生的線電流的有效值為：

3 結(jié)論

本文通過Matlab/simulink 仿真模擬了電力機車內(nèi)部的晶閘管觸發(fā)角改變時，機車的運行狀態(tài)不同的情況。在上面的仿真中，我們調(diào)節(jié)觸發(fā)角可以使電力機車的速度改變，從而改變了電機中的電樞電壓的大小，使其運行在一個更適合的狀態(tài)；在上面的計算中，我們可以看到工作在逆變狀態(tài)的電力機車節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)可以將能量回送到電網(wǎng)，將電能儲存起來，以便于電力機車工作在正常運行狀態(tài)時消耗電能，這樣實現(xiàn)了電力機車的節(jié)能。