相控电力机车的闭环自动控制

电力机车控制系统的根本任务是控制列车运行速度，列车运行速度由机车加速度调节，加速度可由牵引电动机转矩与车轮轮周空气制动力矩控制。由以上 3点可知，机车自动控制系统的基本任务是控制电机与空气制动系统。

一、电力机车主电路的工作原理

为了充分理解相控电力机车的自动控制系统及控制方法，先回顾一下相控电力机车主电路的工作原理。

1.牵引工况

机车牵引工况下，牵引电机作电动机运行，此时系统的主要特性可表示为：

由上述特性可知，整流器输出端电压 Ud主要用来克服电动机的反电势Ea。对于多段桥相控机车，Ud由二段或三段桥组成，随着机车运行速度的增加，电动机的反电势Ea也增加，Ud需要投入到第二段或第三段桥方可克服电机反电势Ea。

当电动机电压达到最大限压 Umax，而电枢电流小于额定值时，为了充分发挥机车功率，可以实施磁场削弱。当磁场削弱至最深时，由于此时电压仍然维持最大，则电动机电枢电流便随电动机的自然特性下降，此时电动机按自然特性运行。

机车自动控制系统的作用是不断地自动调节整流器输出电压 Ud，使机车在牵引阶段加速到手柄给定速度。

2.制动工况

在制动工况下，牵引电机作他励发电机运行，以便在较大的范围调节制动力，方便地控制列车运行速度。制动力的调节表达式为：

从式（7.2）可以看出，在纯电阻制动时（Ud＝0），制动转矩T随机车速度的下降而减小，因而制动过程中需不断地调节励磁电流 IL使磁通Φ上升，以维持制动转矩 T 基本不变。当励磁电流达到最大值 Imax时，Φ也维持最大。为了提高低速时的制动力，可以用外加整流电源Ud来补足，维持低速时的制动电流Iz不变，即所谓的加馈电阻制动。

机车牵引控制或制动控制都是由机车电子控制系统或微机控制系统来完成的，司机只需给定级位，系统将按照所对应的速度进行自动控制。

在机车电子系统中调节器是一个重要元件，起着关键作用。调节器主要有比例（P）调节器、积分（I）调节器和比例积分器（PI调节器），由于PI调节器一般既能使系统的稳态误差为零，同时又可得到满意的动态性能，因此在电力牵引闭环自动控制系统中应用非常广泛。PI调节器由高放大倍数直流运放和反馈电容串反馈电阻组成，其输入为给定信号与反馈信号比较后的差值信号，偏差信号送入调节器，通过对反馈环节进行充电或放电，来调节运放的输出。

二、电力机车恒流控制系统

恒流控制系统的结构框图如图7.3所示。系统的输入是司机发出的指令即给定电流值，这一给定电流值在误差检测器处与牵引电动机实际电流的反馈信号进行比较，偏差信号作用在电流调节器上，经调节后送到晶闸管的移相触发线路中，调节整流电路输出电压的大小，使牵引电机电流趋于给定电流值。注意在这个控制系统中，给定电流信号是通过司机控制器的电位器给出的一个代表电流大小的电压值，而不是电流值。

图7.3　恒流控制系统方框图

三、电力机车的恒流起动与恒速运行控制系统

根据机车自动控制的要求，机车上可以分别装设恒流起动与恒速运行两套独立的自动控制装置，为了简化控制系统与设备，通常将两套自动控制装置合并起来组成具有电流调节器的速度自动调节系统。这种双闭环自动控制系统的结构框图如图7.4所示。

图7.4　恒流起动恒速运行控制系统

在双闭环控制系统中，速度反馈为外环是主反馈，电流反馈为内环是局部反馈。电流反馈可以保证系统在起动时，以所需的最大起动电流作恒流起动控制，从而大大缩短机车的起动时间。当起动过程结束，机车速度达到给定值时，速度调节器发挥作用，使机车在给定速度范围内作恒速运行。

SS 系列相控电力机车除采用速度与电流的双闭环控制外，还采用电压的限制环节作为辅助控制，其框图如图7.5所示。

框图中，虚线框内为电子控制部分，由电子柜或微机柜来完成，其作用是进行比较计算、数值变换——由偏差值控制晶闸管的导通角，以达到机车恒电流起动、准恒速运行，电机限制端电压的控制目的。

比较图7.4和图7.5 可以看出，SS 系列相控电力机车闭环控制系统多了一个电压限制环节。这主要是因为机车牵引变流器的输出有裕度，远高于牵引电机绝缘结构决定的额定电压，加上限制电压环节起到超压保护作用，同时从电机额定电压到限制电压为线性调整，此时电机电流线性下降，可充分利用电机的恒功率范围。

图7.5　SS系列相控电力机车双闭环控制