基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置及方法与流程

本发明涉及直流电力机车技术领域，尤其涉及一种基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置及方法。

背景技术：

目前部分电力机车执行速度控制时，是通过高压调压方式进行交流调压，再通过整流桥整形成直流电压驱动对应的电机，即由高压调压开关调节变压器的原边电压，实现变压器各次边电压可调，次边交流电再通过整流桥整形成直流电压驱动对应的电机，从而实现机车速度控制。由于高压调压开关具有固有的特性和调节模式，因而上述采用高压调压开关进行电压控制的方式存在以下问题：

1)电压不能线性连续可调，只能按照调压开关设定的固定步进值进行调节；

2)调压开关采用的机械结构，对机加工和材料要求极其严格，生产成本高且机械结构容易出故障，也不便于进行维修；

3)变压器原边侧接入牵引网电压，额定值为AC25kV，调压开关设置在变压器高压侧，调节时可能出现拉弧现象，因而通常还需要额外的灭弧措施，安全性不高；

4)由于机车速度时刻都在调节，使得调压触点动作频繁，因而触点容易损坏，可靠性不高，同时维修成本高。

针对交直机车速度控制，更为常用的是采用变压器固定变压的方式，再将固定的交流电压整形成可调的直流电压驱动机车直流电机。如图1所示，变压器进行变压后，再在变压器次边通过由二极管和晶闸管构成的硅机组变流装置，将固定的交流电压整形成可调的直流电压，从而实现机车速度调节。但是对于采用高压调节方式的交直机车，若将高压调节的方式直接改成如图1所示硅机组直流电压调节的方式，由于电路结构差异较大，不能复用机车原有整流桥、机车变压器次边绕组全波整流桥，而必须更换成晶闸管硅机组，或者更换变压器以将机车轴控模式改为既有直流机车架控模式，因此改造成本大、改造任务量大，且控制模式的改变对机车应用也会造成一定影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够基于原高压调压开关的系统，实现机车速度连续可调，且具有结构简单、所需成本低、安全性及可靠性高的基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置，包括变压器以及用于转换输出可调直流电压的变流装置，所述变压器的原边连接牵引网，次边通过所述变流装置连接直流电机，所述变流装置包括依次连接的交流电调节模块、整流模块以及直流电处理模块，所述交流电调节模块基于柔性控制接入所述变压器输出的交流电进行调节，经所述整流模块、直流电处理模块转换为所需直流电后，提供给直流电机。

作为本发明装置的进一步改进：所述交流电调节模块包括相互连接的晶闸管调节单元以及控制单元，所述控制单元控制所述晶闸管调节单元中晶闸管的开放角度，以基于柔性控制调节输出连续可调的交流电。

作为本发明装置的进一步改进：所述晶闸管调节单元包括两个反向并联的晶闸管或两组反向并联的晶闸管单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述交流电调节模块还包括设置在电机端用于检测电机反馈信号的传感器检测单元以及设置在输入端的同步信号变压器，所述传感器检测单元、所述同步信号变压器分别与所述控制单元连接。

作为本发明装置的进一步改进：所述整流模块为全波整流桥电路；所述整流模块具体为机车中全波整流桥电路。

作为本发明装置的进一步改进：所述变压器的次边绕组包括牵引次边绕组以及励磁次边绕组通过断开所述变压器的牵引次边绕组、接入所述变压器的励磁次边绕组，控制转入制动工况。

作为本发明装置的进一步改进：还包括相互连接的制动控制单元以及用于检测制动工况时励磁电流的励磁电流传感器，所述制动控制单元根据直流电机反馈的信号、所述励磁电流传感器检测的励磁电流，控制所述交流电调节模块的输出电压。

本发明进一步提供利用上述直流电力机车速度控制装置的控制方法，该方法包括牵引控制方法，具体步骤包括：

1)启动所述速度控制装置并获取牵引控制指令，所述速度控制装置输出直流电压驱动直流电机；

2)对机车速度进行控制调节时，实时采集直流电机反馈的信号，根据所述牵引控制指令以及直流电机反馈的信号，通过控制所述交流电调节模块调节直流电机的第一目标量，并对直流电机的第二目标量进行限制。

作为本发明方法的进一步改进，所述交流电调节模块包括相互连接的晶闸管调节单元以及控制单元，以及由直流电机的电压作为第一目标量、直流电机的电流作为第二目标量时，所述步骤2)的具体步骤为：

2.1)实时采集直流电机反馈的电压值，根据所述牵引控制指令转换得到的电压目标值以及所述直流电机反馈的电压值，通过PID控制调节直流电机的电压；

2.2)实时采集直流电机反馈的电流值，根据采集到的直流电机反馈的电流值对直流电机的电流进行限制处理，输出限制处理后电流；获取在所述交流电调节模块输入端设置的同步变压器所输出的同步信号，根据获取的所述同步信号以及所述限制处理后电流，产生所需的脉冲序列发送至对所述晶闸管调节单元进行触发，以控制调节机车速度，返回执行步骤2.1)，直至退出控制。

作为本发明方法的进一步改进，所述交流电调节模块包括相互连接的晶闸管调节单元以及控制单元，以及由直流电机的电流作为第一目标量、直流电机的电压作为第二目标量时，所述步骤2)的具体步骤为：

2.1)实时采集直流电机反馈的电流值，根据所述牵引控制指令转换得到的电流目标值以及所述直流电机反馈的电流值，通过PID调节所述直流电机的电流；

2.2)实时采集直流电机反馈的电压值，根据采集到的直流电机反馈的电压值对直流电机的电压进行限制处理，输出限制处理后电压；根据所述限制处理后电压产生所需的脉冲序列发送至对所述晶闸管调节单元进行触发，以控制调节机车速度，返回执行步骤2.1)，直至退出控制。

作为本发明方法的进一步改进，还包括制动控制方法，具体步骤包括：将所述速度控制装置所述变压器的牵引次边绕组、接入所述变压器的励磁次边绕组以及断开直流电处理模块，转入执行制动工况；实时采集直流电机反馈的信号，根据反馈的信号控制所述交流电调节模块的输入侧电压，以控制励磁电流。

与现有技术相比，本发明基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置的优点在于：

1)本发明基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置，在原高压调节方式的电力机车系统的基础上，去除高压调节开关，通过在变压器次边设置交流电调节模块对交流电进行柔性控制调节，使得变压器次边交流电压连续可调，交流电再通过整流模块、直流电处理模块转换为所需的直流电驱动直流电机，实现机车电机直流电压连续可调，从而使得机车速度连续可调，相比于传统的高压调压开关调节的方式，维护成本低，不存在触点容易损坏以及触点拉弧等问题，无需更改机车轴控模式，能够直接复用原系统中整流电路等结构，且实现所需的成本低、可靠性高；

2)本发明基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置，交流电调节模块进一步通过晶闸管调节单元实现交流电柔性控制调节，通过对晶闸管开放角度的控制可以实现交流电的连续可调，因而相比于直流电调节方式，能够实现电机电压的连续调节，从而实现电机速度可连续调节，且可靠性更高；

3)本发明基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置在原系统电路逻辑及原保护控制的基础上，通过设置传感器检测单元，结合交流电调节模块的控制可根据电机电流、电压的反馈信号实现防空转保护、窜车保护以及针对货运机车的轴重转移等。

与现有技术相比，本发明直流电力机车速度控制装置的控制方法的优点在于：本发明直流电力机车速度控制装置的控制方法，由实时采集直流电机反馈的信号以及当前牵引控制指令，对交流电调节模块输出量进行调节，实现对直流电机的第一目标量闭环控制，以及对第二目标量进一步限制，可以实现机车速度连续可调，同时可避免电压或电流调节超出正常范围，保证调节的安全及可靠性。

附图说明

图1是传统的基于硅机组直流电压调节方式的交直机车主电路的结构示意图。

图2是本实施例基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置的结构原理示意图。

图3是本发明具体实施例(六轴车)中直流电力机车速度控制装置的具体结构示意图。

图4是本发明具体实施例(六轴车)中电机制动控制的结构原理示意图。

图5是本实施例基于电压闭环控制的牵引控制方法的实现流程示意图。

图6是本实施例基于电流闭环控制的牵引控制方法的实现流程示意图。

图例说明：1、变压器；2、变流装置；21、交流电调节模块；22、整流模块；23、直流电处理模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例基于柔性交流调压的直流电力机车速度控制装置，包括变压器1以及用于转换输出可调直流电压的变流装置2，变压器1的原边连接牵引网，次边通过变流装置2连接直流电机，变流装置2包括依次连接的交流电调节模块21、整流模块22以及直流电处理模块23，交流电调节模块21接入变压器1输出的交流电进行柔性控制调节，经整流模块22、直流电处理模块23后转换为所需直流电后，提供给直流电机。

本实施例基于原高压调节方式(高压调压开关调节)的电力机车系统，去除高压调节开关，通过在变压器1次边设置交流电调节模块21对交流电进行柔性控制调节，使得变压器次边交流电压连续可调，交流电再通过整流模块22、直流电处理模块23转换为所需的直流电驱动直流电机，实现机车电机直流电压连续可调，从而使得机车速度可连续调节，相比于传统的高压调压开关调节的方式，维护成本低，不存在触点容易损坏以及触点拉弧等问题，无需更改机车轴控模式，能够直接复用原系统中整流电路等结构，且实现所需的成本低、可靠性高。

本实施例中，交流电调节模块21包括相互连接的晶闸管调节单元以及控制单元，控制单元控制晶闸管调节单元中晶闸管的开放角度，以柔性控制调节输出连续可调的交流电。通过晶闸管调节单元实现交流电柔性控制调节，可以实现交流电的连续可调，相比于针对于直流电的调节方式，能够实现电机电压的连续可调，从而可连续可调电机速度，且可靠性更高。

本实施例中，晶闸管调节单元包括两个反向并联的晶闸管，或根据所采用的晶闸管容量大小由两组反向并联的晶闸管单元构成。通过调节晶闸管的开放角度，即可调节输出的交流电。

本实施例中，交流电调节模块21还包括设置在电机端用于检测电机反馈信号的传感器检测单元以及设置在输入端的同步信号变压器，传感器检测单元、同步信号变压器分别与控制单元连接。控制单元接收传感器检测单元检测都电机反馈信号、以及同步信号变压器输出的同步信号，根据电机反馈信号、同步信号产生脉冲序列，驱动直流电机，能够实现电机速度的闭环调节。

本实施例在原系统电路逻辑及原保护控制的基础上，通过设置传感器检测单元，结合交流电调节模块21的控制可根据电机电流、电压的反馈信号实现防空转保护、窜车保护以及针对货运机车的轴重转移等。

本实施例中，整流模块22为全波整流桥电路；整流模块22具体为机车中全波整流桥电路，即整流模块22可直接复用原系统中的全波整流桥电路，提高系统的利用率，同时减少实现成本。

本实施例中，变压器1的次边绕组包括牵引次边绕组以及励磁次边绕组，通过接入变压器1的牵引次边绕组、接入变压器1的励磁次边绕组，控制转入制动工况。本实施例通过变压器1的励磁次边绕组，当接入变压器1的励磁次边绕组，使得可以复用上述装置构成电机他励励磁供电回路，由变压器1的励磁次边绕组给电机建立磁场，电机从电动机模式转换为发电机模式，电机制动回路保持与原机车不变，电机发出的能量则通过制动电阻消耗，电机转入执行制动工况。

本实施例中，还包括相互连接的制动控制单元以及用于检测制动工况时励磁电流的励磁电流传感器，制动控制单元根据直流电机反馈的信号、励磁电流传感器检测的励磁电流，控制交流电调节模块21的输出电压。

本实施例中，直流电处理模块23包括用于平滑输入直流电流的直流侧电抗器、以及用于平滑输入直流电压的直流侧支撑电容。

本实施例中，交流电调节模块21的输入端还设置有过流监测传感器，以在监测到过流状态时控制执行过流保护。

以下以应用于六轴车为例进一步说明本发明。

如图3所示，本实施例电力机车包括六个直流电机，各直流电机的电机励磁绕组通过开关(S1.5～S6.5)进行串联，每个直流电机连接一个变流装置2，由变流装置2输出直流电驱动直流电机，构成一路电机驱动回路；变压器1为多绕组变压器，每个变流装置2连接变压器1的一组次边牵引绕组。每个变流装置2包括晶闸管调节单元(mc1+\mc1-～mc6+\mc6-)、全波整流桥电路(S1.12～S6.12)以及DCU传动控制单元，由晶闸管调节单元控制基于柔性控制对输入交流电压进行调节，以实现电机电压的控制；全波整流桥电路的输出端设置直流侧电抗器(L1～L6)、直流侧支撑电容(S1.13～S6.13)；电机端还设置有检测电机电流反馈信号的电流传感器(A)、检测电机电压反馈信号的电压传感器(V)，电流传感器、电压传感器分别与DCU传动控制单元连接，由DCU传动控制单元根据检测到的电机反馈信号控制晶闸管调节单元中晶闸管都开放角度，晶闸管调节单元的输入端还设置有过流监测传感器(T9.1～T9.6)。在第四路电机驱动电路同时通过开关S4.19连接变压器1的次边励磁绕组T1.11，通过开关S4.19控制接入励磁绕组T1.11，开关S4.1控制接入变压器1的牵引次级绕组；在第四路电机驱动电路中同时设置励磁电流传感器，励磁电流传感器在制动工况时检测励磁电流，根据实时励磁电流控制调节输出晶闸管调节单元的电压，从而实现励磁电流的控制。

以第一电机M1电路为例，牵引工况时，断开电机励磁绕组(S1.5～S6.5)串联，每个电机励磁绕组单独与本电机电枢绕组串联构成电机回路，进一步还可通过改变励磁电流方向来实现机车方向的控制，如图4所示，通过S1.14开关的触点按照不同短接可实现机车方向控制；闭合开关S4.1、断开S4.19以及闭合S4.2，即接入变压器1次级绕组、断开变压器励磁绕组，第四路电机驱动回路从变压器次边牵引绕组T1.7取电，驱动第4电机M4。

制动工况时，闭合他励绕组(S1.5～S6.5)，将全车电机励磁绕组串联在一起；断开开关S4.1、闭合S4.19以及断开S4.2，即断开变压器1次级绕组、接入变压器励磁绕组，第四路电机驱动回路从变压器励磁绕组T1.11取电，供给全车所有电机励磁绕组，电机进入制动工况，电机制动回路保持原车不变，采用电阻制动模式执行制动，如图4所示，其中S9.1为制动电阻，制动工况时闭合开关S1.4，以接入制动电阻S9.1执行电阻制动。

本实施例通过DCU传动控制单元提供12对驱动脉冲，以控制每个直流电机所对应的晶闸管调节单元中各晶闸管，可保证每个直流电机力发挥的均衡，并能实现机车轴控，即能够基于脉冲分配单独控制每个电机的力。

本实施例利用上述直流电力机车速度控制装置的控制方法，该方法包括牵引控制方法，具体步骤包括：

1)启动上述速度控制装置并获取牵引控制指令，上述速度控制装置输出直流电压驱动直流电机；

2)对机车速度进行控制调节时，实时采集直流电机反馈的信号，根据牵引控制指令以及直流电机反馈的信号，通过控制交流电调节模块21调节直流电机的第一目标量，并对直流电机的第二目标量进行限制。

本实施例第一目标量、第二目标量具体可分别为电压、电流，通过控制电机的电压、电流即可调节机车速度。本实施例由实时采集直流电机反馈的信号以及当前牵引控制指令，对交流电调节模块21输出量进行调节，实现对直流电机的第一目标量(电压或电流)闭环控制，以及对直流电机的第二目标量(电压或电流)进一步限制，可以实现机车速度连续可调，同时可避免调节超出正常范围，保证调节的安全及可靠性。

本实施例中，交流电调节模块21包括相互连接的晶闸管调节单元以及控制单元时，具体可按照以下两种方式实现对机车速度进行控制调节：

第一种方式：结合电压闭环控制与电流限制环节方式

如图5所示，由直流电机的电压作为第一目标量时、直流电机的电流作为第二目标量，步骤2)的具体步骤为：

2.1)实时采集直流电机反馈的电压值，根据所述牵引控制指令转换得到的电压目标值以及所述直流电机反馈的电压值，通过PID控制调节直流电机的电压；

2.2)实时采集直流电机反馈的电流值，根据采集到的直流电机反馈的电流值对直流电机的电流进行限制处理，输出限制处理后电流；获取在交流电调节模块21输入端设置的同步变压器所输出的同步信号，根据获取的同步信号以及限制处理后电流，产生所需的脉冲序列发送至对晶闸管调节单元进行触发，以控制调节机车速度，返回执行步骤2.1)，直至退出控制。

直流电机反电动势公式可表示为：

E＝Ce·Ф·n (1)

其中Ce为常数且与电机结构有关，n为电机转速，由电机转速n即可确定机车的速度v，Ф为电机磁通量。

由上述式(1)可知电机反电动势E与机车速度成正比，并且由于每一路电机驱动回路阻抗一般只有0.01～0.1Ω，即当速度达到目标值时电机电压约等于电机反电动势E，因此通过对电机电压的调节可以实现机车速度的调节。

电机驱动回路的阻抗总和ΣR一般在0.01～0.1Ω之间，电机电枢电流Ia则具体可按下式计算：

其中Ud为电机端电压，即变流装置2的输出直流电压。

电机力矩表达式为：

Fk＝3.6NUdIaηcηd/v×10^-3 (3)

其中，N为电机台数，Ud为电机端电压，Ia为电机电枢电流，ηc为电机齿轮传动效率，ηd电机效率，v为机车速度。

由上述式(1)～(3)，可知当机车起步时(即速度很低时)，如果电机电压过大，则会引起电机电枢电流Ia过大，从而导致牵引力过大，最终会导致机车车轮空转、机车前窜或车轮擦伤等窜车后果。

该方式根据电压目标值以及电压传感器采集到的直流电机反馈的电压值，通过PID控制调节直流电机的电压，实现对电机电压闭环控制；在电压闭环控制后，根据电流传感器采集到的电机电流反馈值对电机电流进行限制；同时电流限制环节后综合同步变压器的同步信号进行脉冲分配，产生所需的脉冲序列对晶闸管进行触发，从而达到控制电机电压的目的，实现机车速度连续可调控制，同时能够避免窜车等发生，保证调节的安全可靠性。

本实施例基于第一目标量为电压、第二目标量为电流时，具体步骤为：

①将司控器级位换算成电机电压目标值，即既有机车级位对应的电机电压值，如最大电机电压990V对应最大司控器级位；当然通过增加交直机车通用的无级手柄，也可以实现无级调压/调速；

②比较电机电压目标值和电机电压实际反馈值进行PID调节，通过PID调节使反馈值无限逼近目标值；

③综合上述公式(3)以及电流传感器采集到的电机电流反馈值，对电机电流进行限制；

④综合电流限制以及同步信号换算成移相电平，产生符合移相电平要求脉冲序列分别发送给各直流电机对应的晶闸管调节单元中各晶闸管进行触发。

第二种方式：结合电流闭环控制与电压限制环节的方式

该方式中，由直流电机的电流作为第一目标量、直流电机的电压作为第二目标量时，如图6所示，步骤2)的具体步骤为：

2.1)实时采集直流电机反馈的电流值，根据牵引控制指令转换得到的电流目标值以及直流电机反馈的电流值，通过PID调节直流电机的电流；

2.2)实时采集直流电机反馈的电压值，根据采集到的直流电机反馈的电压值对直流电机的电压进行限制处理，输出限制处理后电压；根据限制处理后电压产生所需的脉冲序列发送至对晶闸管调节单元进行触发，以控制调节机车速度，返回执行步骤2.1)，直至退出控制。

该方式采用电机电流闭环控制，即司控器级位对应电机电流，当进入电机自然特性后电压调节到最大，同时根据电机特性进行限压，以防止电机电压过压，保证调节控制的安全性能，具体步骤为：

①根据公式(1)、(2)、(3)所得到的电机电流与机车速度的关系，以及机车司控器指令实际对应的目标速度，得到司控器指令和电机电流、机车速度关系的机车特性公式；

②根据得到的机车特性公式，将司控器指令换算成电机电流目标值，根据电流传感器采集到的电机电流反馈值进行PID调节；

③电流控制PID输出经过电压限制环节后进行脉冲分配，输出对应的脉冲序列控制由晶闸管的开发角度，从而实现机车速度控制。

本实施例中，还包括制动控制方法，具体步骤包括：将上述速度控制装置断开所述变压器1的牵引次边绕组、接入变压器1的励磁次边绕组以及断开直流电处理模块23，转入执行制动工况；实时采集直流电机反馈的信号，根据反馈的信号控制交流电调节模块21的输入侧电压，以控制励磁电流。

速度控制装置采用如图3所示结构时，制动工况下具体断开开关S4.2，通过控制晶闸管调节单元调节作为励磁桥的S4.12输入侧交流电压，从而控制励磁电流，由电机电流或电压进行闭环控制以控制制动力，实现机车速度控制。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。