（交通信息工程及控制专业论文）SS7E型电力机车控制系统的设计与实现.pdf

直叁堂亟! 堡塞煎壁 s s 7 e 型电力机车控制系统的设计与实现 摘要 随着电力机车技术的发展，机车控制系统性能的好坏越来越受到广泛关注。如 何将现有的微机控制系统、逻辑控制系统、显示系统、列车安全系统有机地结合起 柬，发挥控制系统的最大功效，成为电力机车控制系统研究的一个课题。 本论文通过对s s 7 e 型电力机车控制系统的研究，提出了以列车指令系统+ 微 机控制系统+ 逻辑控制系统+ 列车安伞系统为核心的系统控制策略。并对微机控制 系统、逻辑控制系统的设计进行了具体阐述。 s s 7 e 型电力机车机车已经设计完成。实践证明，该控制系统安全、可靠，完全 满足机车控制的要求。 关键词：s s 7 e 型电力机车微机控制逻辑控制电磁兼容 j 堕型堡垫鲢些墅里 r e s e a r c ho nc o n t r 0 1 s y s t e m0 f s s 7 ee l e c t r i cl o c o o t i v e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t “c1 0 c o m o t i v e ，t h ep e r f o h n a n c eo f l o c o m o t i v e c o n t r 0 1 s y s t e m i sm o r ea 1 1 dm o r et o o k i n t oa c c o u n t h o wt oc o m b i n et h e m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，1 0 9 i cc o n t r o ls y s t e m ，d i s p l a ys y s t e mw i t hl o c o m o t i v e s e c u r i t ys y s t e m ，a n dm a k et h eb e s tu s eo fc o n t r o ls y s t e mi sat a s ko fr e s e a r c ho fm e e l e c t r i cl o c o m o t i v ec o n 仃o ls y s t e m t h i sa r t i c l e e x p o u n d sas t m t e g yo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nl o c o m o t i v e i n s t r u c t i o ns y s t e m ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ， l o g i cc o n t r o ls y s t e ma 1 1 d l o c o m o t i v es e c u f i t ys y s t e mt 1 r o u 吐r e s e a r c ho ft h es s 7 ee l e c t r i c1 0 c o m o t i v e o nt h e t i m e ，t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h ed e s i g no fm i c r o c o m p u t e rc o n t r 0 1s y s t e ma n d1 0 9 i c c o n t r o ls y s t e m t h es s 7 ee l e c t r i cl o c o m o t i v eh a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s f h l l yp r a c t i c es h o w t h a t 血ec o n 虹o ls y s t e mi s s a f 宅t ya n dr e l i a b l e ，a n di tc a nm e e tt h er e q u e s to f 1 0 c o m o t i v ec o n t r 0 1s v s t e m k e y w o r d s ： s s 7 ee l e c t r i c1 0 c o m o t i v e ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，l o g i c c o n t r 0 1s y s t e m ，e m c 2 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 第一节电力机车控制系统概述 电力机车通过受电弓从接触网获取能量，通过牵引电机实现对机车的拖动。电 力机车上各种电机、电器设备按其功能和作用、电路电压等级，分别组成三个基本独 立的电路系统，称为主电路、辅助电路、控制电路。三个电路在电方面基本相互隔离， 而通过电一磁、电一空、电机械传动方式相互联系起来，以达到自动或间接控制协 调工作的目的，保证司机能安全正常地操纵机车运行。 国外电力机车的微机控制系统已经很普遍。微机控制系统以其良好的控制特性 得到了广泛应用。在我国，由于技术的落后，机车电子控制一直是机车控制的主要 力量。近年来，随着我国微机控制技术的提高，电力机车微机控制已经逐步取代了 电子控制。一些新型电力机车，如s s 8 、s s 9 、s s 7 d 等都己采用了微机控制。取得 了非常好的效果。电力机车采用微机控制，能够实现机车的牵引制动特性控制、空 转滑行保护、空电联合制动控制等基本功能，并具有故障监控、故障记录和完善的 高、低压自检功能，具有初步的故障诊断和智能控制功能。 长久以来，电力机车的逻辑控制电路都是由继电器来完成的。实际应用时，电 力机车的微机控制系统与传统的继电器逻辑控制电路不可避免地要发生信息的交 换。众所周知，微机控制系统的工作电压仅几伏，且负载能力很小，而电力机车的 控制电源是l1 0 v 直流电压，控制对象的负载电流可达数安培。两者之间还涉及许 多其他因素。所以，国内外电力机车控制系统大都采用了微机控制信号驱动直流2 4 v 的微型机械式继电器，再用微型机械式继电器驱动l l o 伏中间继电器的多级驱动方 式。如从日本引进的6 k 型电力机车、国外如a b b 公司的机车微机控制系统( m i c a s s 、 m i c a s 一2 s ) 和国产韶山系列机车中的微机控制机车即是采用的这种方式。这种控制 方式的直接后果就是设计繁琐、布线复杂、系统不可靠、控制不灵活。近年来，无 触点逻辑控制系统开始出现，逐步取代了传统的有触点逻辑控制电路。 机车逻辑控制单元就是用现代电力电子和微电子技术构成的逻辑控制单元取代 中南大学硕士论文第一章绪论 传统的继电器布线逻辑控制电路，用逻辑控制单元发出的指令直接控制接触器等外 部负载，避免多级驱动。这样，可以大大简化电力机车的有触点控制电路，减少外 部连线，提高系统的可靠性，也可以大大简化电力机车控制系统的设计，提高控制 系统设计制造的灵活性，缩短电力机车电器系统设计调试的时间，实现控制系统的 通用性。 通过逻辑控制单元、微机控制系统及显示屏三者之间的相互通信，可实现完善 的机车状态显示、故障诊断及显示功能。逻辑控制单元可收集大部分机车状态信息， 通过这些状态信息及微机控制信息，可实现机车的故障诊断及故障分析，再由显示 屏进行显示，实现机车的智能化控制。 随着逻辑控制系统和微机控制系统的日趋成熟，由司机指令系统、微机控制系 统、逻辑控制系统、列车安全控制系统构成的电力机车控制系统日趋完善。 第二节s s 7 e 型电力机车的主要性能指标 韶山7 e 型电力机车是根据我国客运提速机车的需要和铁道部科技函( 2 0 0 2 】 2 4 号下达的韶山7 e 型客运电力机车设计任务书的通知要求而开发的，本人在 该项目中，主要从事控制系统的设计及机车总体技术管理工作。s s 7 e 型机车是在 s s 7 d 机车基础上研制的能满足1 7 0 k m h 客运提速要求的准高速窖运电力机车。它吸 收了国内电力机车成熟的微机控制、逻辑控制等先进技术，并首次在国内交直传动 的电力机车上，采用了辅助变流器供电方案，取代了传统的劈相机供电方式。s s 7 e 型机车对提高机车的运行可靠性和准高速性能进行了分析和研究，对电路结构及参 数进行了设计。具体表现在以下几个方面。 1 采用三段不等分桥相控和复励电路，机车无级调速和无级磁场削弱； 2 采用恒流起动及准恒速运行的特性控制方式； 3 采用微机控制及逻辑控制； 4 采用辅助变流器作为辅助系统供电电源： 一s s 7 e 型电力机车的主要技术参数如下： 中南大学硕士论文第章绪论 轴式 机车前、后车钩中心距离 机车车体长度 机车车体宽度 机车在落弓状态滑板顶面距轨面高度( 新轮) 车钩中心线距轨面高度 受电弓滑板距轨面工作高度 传动齿轮箱底面距轨面高度 机车前、后端转向架中心距 机车整备重量 轴重 机车传动方式 传动比 动轮直径( 新轮) ( 半磨轮) 工作电压 电传动方式 机车功率( 持续制) 机车额定牵引力( 持续制、轮箍半磨耗) 机车起动牵引力 机车额定速度( 持续制，半磨耗) 最高速度 恒功率速度范围( 机车在牵引工况下) 机车电制动 制动方式 制动持续功率( 轮缘) 电制动力速度为( 1 0 9 6 k m h ) c 。一c 。 2 2 0 1 6 m m 2 0 8 0 0 m m 3 1 0 5 m m 4 7 0 0 3 0 m r 兀 8 8 0 l o m 5 2 0 0 6 5 0 0 m 1 2 0 m m 1 1 5 7 0 r i l f i l 1 2 6 3 ，t 2l t 轮对空心轴六连杆传动 7 5 3 2 = 2 3 4 3 7 5 1 2 5 0 姗 1 2 0 0 m m 额定值2 5 k v 最高值2 9 k v 最低值1 9 k v 交一直 4 8 0 0 k w 1 7 1 k n 2 4 5 k n 9 6 k m h 1 7 0 k m h 9 6 1 6 0 k i i 】h 加馈电阻制动 4 0 0 0 k w 1 5 0 k n 中南大学硕士论文第一章绪论 恒功率速度范围( 机车在制动工况下) 制动机采用d k 一1 型电空制动机。 二 s s 7 e 型电力机车的特性控制 韶山7 e 型电力机车具有特性控制功能，可以在各种限制范围内充分发挥机车功 率。机车主电路采用不等分三段桥，机车起动时，只要司机根据列车牵引吨位及线 路限速状况将手柄推到一定级位机车将以特性控制线恒流起动及准恒速运行。相控 和他励控制电路可以方便地实现机车无级调速和无级磁场削弱。为了使用方便、直 观，人为地将司机控制器上刻度出1 8 个级位，每级位都对应着一定的机车速度范围， 而实际上每级位之间仍是无级过渡。如4 级位就相对应机车4 0 k m h 的准恒速运行范 围。 韶山7 e 型机车的特性如图卜1 所示。 第三节本论文研究的主要内容 本文的第二章讲述s s 7e 型电力机车的控制系统设计，包括s s 7 e 电力机车主电 路、辅助电路及控制电路的设计。 第三章详细讲述s s 7 e 型电力机车微机控制系统设计。 第四章讲述s s 7 e 型电力机车专用可编程逻辑控制装置的设计，包括硬件设计、 软件设计及自动编程系统的设计。 第五章对电力机车的电磁兼容性进行研究，并提出了控制系统的电磁兼容策略。 第六章对s s 7 e 型电力机车控制系统设计进行总结。 附录包括s s 7 e 型电力机车的主电路、辅助电路及控制电路原理图。 中南大学硕士论文第一章绪论 b ( k n ) 图1 1s s 7 e 型电力机车特性控制图 n h ) 中南大学硕士论文第二章s s 7 e 型电力机车的控制系统设计 第二章s s 7 e 型电力机车的控制系统设计 第一节s s 7 e 型电力机车主电路 三段不等分半控桥在我国韶山系列机车中广泛采用，从s s 3 b 、s s 4 到s s 8 、s s 7 d 、 s s 9 ，国外进口机车如6 k 也是采用三段桥，其技术上成熟可靠。并且由于客运机车 的运行特点，在采用再生制动节能方面没有明显效果。因此，s s 7 e 机车主电路采用 三段桥、加馈电阻制动形式，从而提高了机车运行可靠性。同时保留了s s 7 机车性 能优良的复励系统，使s s 7 系列机车又增加了一个可供用户选用的新的车型。( s s 7 e 电力机车主电路原理图参见附录1 ) 1 1 整流调压电路 整流调压电路分为两个独立的单元，分别向前后半台车的牵引电机供电，牵引 绕组a 卜x 1 ( a 2 一x 2 ) 、a 3 一x 3 ( a 4 一x 4 ) 电压有效值均为6 7 5 7 v ，a 卜b l ( a 2 _ b 2 ) 、 b l x 1 ( b 2 一x 2 ) 电压均为3 3 7 。8 v ，与相应的整流元件构成三段不等分整流桥。 整流电路工作时，先开放大段绕组a 3 一x 3 ( a 4 一x 4 ) 供电的整流桥u 1 2 ( u 2 2 ) ，整 1 流电压逐渐升至妄玑。当u 1 2 ( u 2 2 ) 满开放时，投入小段绕组a 卜b l ( a 2 _ b 2 ) 供电的 z 11 整流桥，并且维持u 1 2 ( u 2 2 ) 满开放。使整流电压由逐渐升至j 虬。当绕组 a 卜b l ( a 2 岫2 ) 段整流桥将满开放时，投入另小段绕组b 卜x 1 ( b 2 一x 2 ) 供电的整流桥， 1 使整流电压由 逐步升至。 1 2 牵引电路 牵引电路，与s s 7 d 机车完全相同。与s s 7 机车相比，增加了4 个电压传感器， 电机电压传感器接至电机电枢两端，能够准确测量电枢两端电压。在2 、5 位电机 的电压传感器上连接有空载试验刀开关，当机车做空载试验时，通过刀开关转换来 测量整流器输出电压。 1 3 制动屯路 堕塑主丝苎茎三茎! ! ! ! 型皇垄垫圭塑笙型墨竺堡生 电制动采用加馈电阻制动，制动电阻直接接至两个整流桥中点5 ( 6 ) 号母线处， 使制动电流不经u 1 2 ( 0 2 2 ) 的二极管续流，从而减轻二极管负荷，提高机车可靠性。 励磁电源由他励半控桥提供。 1 4 保护电路 机车主电路设有短路保护、过载保护、过电压保护及接地保护，主电路的主保 护器件为主断路器q f 。其中接地保护为有源保护，从而消除了保护死区。在牵引绕 组中串有大容量的快速熔断器，当整流桥故障时起隔离作用，使非故障整流桥能正 常工作，机车降功率运行，减少机破，从而提高机车运行可靠性。 第二节s s 7 e 型电力机车辅助电路与辅助变流装置 s s 7 e 型电力机车辅助电路采用了先进的辅助变流装置。系统由两组辅助变流器 组成，每组辅助变流器由两台整流器+ 中间环节+ 两台逆变器组成。整流器为四象限 整流器，一台四象限整流器和一台逆变器构成一路独立电源。考虑到系统的冗余， 逆变器最大单机功率为l o o k v a ，以满足在一组逆变器故障时，可将其负载手动转换 到相邻的正常工作的逆变器上，以保证机车正常运行。当两组逆变器故障时，机车 可切除第二架工作，保证机车可以半架维持运行。( s s 7 e 电力机车辅助电路原理图 参见附录2 ) 2 1 辅助变流器基本参数 整流器额定容量： 每组逆变器额定容量： 单相额定输入电压： 输入侧功率因数 1 0 0 k v a l o o k v a a c 3 3 8 v ( 对应网压2 5 k v ) 0 9 中南大学硕士论文 第二章s s 7 e 型电力机车的控制系统设计 中间直流电压： 输出电压： 输出频率： 输出电压峰值： 输出电压上升率： 6 0 0 v 0 3 8 0 v 三相 5 5 0 h z ( 1 0 0 0 v d u d t 、 ! 一一。甜i 。i 、0 ：i 在丢叠、。一 二+ 二3 i j i o i 一；一等jj 蛰衄州函尉隧f口卅一杀r口贰衄苗_