浅谈电力机车自动控制.doc6-21

浅谈电力机车自动控制

一、 自动控制的基本概念

随着科学技术的飞速发展，电力机车的自动控制日趋完善，就国产机车而言，已由SS1型机车的对部分环节的自动控制到SS4改型机车和SS8型等机车对整台机车实行的连续自动控制，由模拟控制进入数字化控制。一般的机车也都或多或少地采用了自动控制环节，并且已使电力机车无人驾驶成为可能。

（一） 开环自动控制

自动控制的特点在于无需人的直接参预，系统可以按照一定的变化规律进行自动调节。比如，对SS1型电力机车进行控制操纵时，只要司机把控制器调速手柄SK1（SK2）置于“快”位，伺服电机便连续转动，使调压开关连续进到33级位，变压器次侧输出电压也将一直升至最高电压。在这一控制过程中，一些电器的动作和一些线路的转换都是按一定的次序自动进行的，如26正与26反之间的转换，206接触器的得失电，伺服电机的转向及在17级位时的自动换接等都是自动控制的，在这个控制系统中，虽然司机发出了连续进行的指令，但如果由于某种原因影响了这一过程的进行时，既定任务便不能完成，或者当输出量不能达到既定目标时，系统本身也没有对它进行调节的能力，这是因为该控制系统的输出量（即变压器次侧的输出电压值）对系统本身的执行过程没有影响，那么我们将这种控制系统称为开环自动控制系统，简称开环系统（开环控制）。

一个开环系统是由输入信号、控制器、被控对象、输出信号几部分组成。在上述例子中，调速手柄置于“快”位即系统的输入信号（或称给定指令），系统中的电位器、伺服电机、接触器（206与208

，调压开关等总称为控制器、变压器可看作被控对象，简称对象（有时被控制的不是一种设备，而是一个运行状态，这时称被控制的运行状态为过程）。开环系统的结构可以用图1表示，图中的方框表示部件，箭头表示控制作用的方向，这种图称为方框图。

（二） 闭环自动控制

在一个控制系统中，如果将输出信号以一定的方式反馈到系统中，用来对控制作用产生一定的影响，当这一输出信号未能按既定目标完成时，系统本身就能自动地予以调整，使其趋于输入信号所要求的数值，这时系统的输出与输入就有一定的内在联系，我们称这种系统为闭环自动控制系统，简称闭环系统。

较为简单的闭环自动控制的例子是电力机车压缩机组的控制。当司机将“压缩机”按键开关合上以后，由于系统中设有压力调节器，系统将会实现闭环自动控制过程。当总风缸的风压低于700kpa时，压力调节器接通电源，两台压缩机分别起动泵风，当风压高于900kpa时，压力调节器又会自动切断电源，压缩机停止工作，如果没有调节器的作用，则压缩机就会一直工作不止，成为开环系统。

在上述闭环控制系统中，压力调节器的整定值作为输入信号，不能误认为压缩机按键开关为输入信号。调节器本身以及电机、接触器

作为控制器，压缩机作为被控对象，总风缸的风压作为输出信号，即被调整的参量，同时这一输出信号又送回到压力调节器，即反馈到控制器中，控制器将这一输出信号与输入信号即整定值进行比较来决定被控制对象的工作状态。该闭环系统的方框如图2所示。

应该指出，控制器并不一定是一个单一的设备或元件，在闭环控制系统中，控制器应包括测量机构，比较机构，控制机构和执行机构（在开环系统中没有比较机构和测量机构）。上面的两个例子中，调压开关和压缩机作为执行机构，伺服电机，压缩机电机作为控制机构，压力调节器作为测量机构和比较机构。在一些复杂的系统中，控制器中每一机构又可能包含有多个元件。

（三） 衡量控制系统的指挥

在控制系统中，对输出量产生影响的其他方面的因素均称为扰动。例如在压缩机控制系统中，随着压缩机空气的消耗以及管路的泄漏，均会引起总风缸风压降低，也就是使系统的输出量发生变化，那么这些因素就是对系统的扰动，在调压开关的控制系统中，输出量是电压信号，那么网压波动即可认为是该系统的扰动。

一个控制系统受到扰动影响时，输出量就要发生变化，对于闭环控制系统来说，将通过自动调节返回它原来的平衡状态，而对开环控制系统则不然，就闭环控制系统而言，若通过调整能返回它的平衡状态，那么这个系统便是稳定的，反之，若系统在扰动的影响下，输出

量向一个方向连续变化或呈现连续振荡性变化，那么系统就是不稳定的。因此稳定性是衡量控制系统特性的一个重要指标，对一个控制系统最基本的要求就是稳定，不稳定的系统是无法正常工作的。

一个稳定的控制系统，当它受到扰动的影响时，返回原来的平衡状态或达到新的平衡状态并不是瞬时完成的，而是需要经过一个过程，需要一段时间，在这一段时间内，系统输出量的变化过程称为瞬态响应，我们可以用输出参数的振荡次数，最大振幅（也叫过调量或超调量），达到稳定值所需的时间（也叫调整时间）等来衡量系统的特性，通常将这些衡量系统的因数称为系统的品质因数。

当系统瞬态响应结束达到稳定状态时，输出量与参考输入量并不一定完全符合初始时的情况，可能产生一定的误差。因此误差也是衡量系统特性的重要指标。

综上所述，系统的稳定性、瞬态响应的品质因数以及误差是作为衡量一个控制系统特性优劣的基本指标。

二、 电力机车的自动控制系统

在电力机车上，最初是在一些环节中采用自动控制系统，到目前已发展到对整台机车的牵引和电制动进行自动控制，一般可分为恒流控制和恒速控制两种，在同一机车上也可用同时具有恒流起动与恒速运行的自动控制系统，其优越性表现在可以缩短起动时间，充分利用粘着条件，运行平稳，操作简单，减小司机劳动强度，SS型相控电力机车电子控制电路机车特性的控制一般采用速度与电流的双闭环控制。

为了充分理解SS型相控电力机车的自动控制系统及控制方法，我们先简单回顾一下电力机车主电路的工作原理，SS型相控电力机车控制系统框图3所示。

机车由接触网受电，通过主断路器进入机车主变压器，然后经硅机组整流为直流电，作为牵引电机的端电压，驱动电动机运转，达到列车运行的目的，制动时，由机车两位置转换开关进行转换,一般电机均由串励变为他励方式,电枢绕组与他励绕组分别与各自的相控桥串联。此时，制动控制的目的是使机车减速，机车电机按发电机运行，发电机所发出的电能在制动回路中消耗在制动电阻上以热能的形式散发掉（或回馈到电网中），从而达到减速的目的。

1、 牵引工况

机车牵引工况下，系统的主要特性为：

ID=Ud-E/ΣR=Ud-Kφu/ΣR

硅机组整流输出的端电压Ud主要用来克服电机的反电动势E即电机端电压UD，从而达到传递功率的目的。在机车低速时，端电压UD较小，调节Ud即可产生电流Id。对于多段桥相控机车，Ud可由二段或三段桥组成，随着机车速度增大，电机端压UD也增大，Ud需开放到第二段或第三段桥方可克服E，当Ud的三段桥全部开满后，E

若仍保持增大，则Id将减小。三段桥的开放控制由机车电子系统自动完成，司机需给定级位，电子系统将按所对应的速度和电流进行自动控制。

由于电机端电压的大小很大部分取决于电机当时的速度n，也即机车运行的速度u，因而机车速度的大小就决定了硅机组整流端电压Ud，调整Ud就达到调节机车速度的目的。但是，由于电机有一个最大电压Umax的限制，电机的端电压不可能无限增大，当电机电压达到最大限压Umax时，通过公式我们可以看出，要想再提高机车速度u，只有采用减小磁通φ，也即减小励磁电流IL的磁削调速。

当磁场削弱至最深时，由于此时电压仍然维持最大，则电机电枢电流便随电机的自然特性下降，此时，电机按自然特性运行。

根据功率不变原则，机车功率即机车牵引力DU·Id。如上所述，机车电机端电压UD基本对应一定的速度U，因而UD/u基本恒定，从而可知电枢电流Id的大小，基本上决定了机车牵引力F的大小。

2、 制动工况（仅分析电阻制动）

在制动工况下，牵引电动机作他励发电机运行，以便在较大范围调节制动力，方便地控制列车的运行速度，制动力的调节方法，可以从下面的公式中看出：

Iz=CenΦ-Ud/Rz=KuΦ-Ud/Rz

因此在常规电阻制动中，Iz随机车速度的减小而减小，因而制动过程中需不断地调节励磁电流IL使之上升以达到磁通φ上升，进而使φIz基本不变，来维持电机制动转矩M基本不变。

当励磁电流达到最大值ILmax时，φ也即维持最大，此时随着机车速度进一步降低，则Iz也会下降，M必定会降低，导致机车制动力下降。为了克服机车制动力在机车低速区域减少的状况，可以采用加馈制动。上述控制也是由电子控制系统自动完成，司机只需给定级位，系统将按级位所对应的速度依据准恒速特性计算出Iz的大小来进行自动控制。

整个机车主电路的工作控制均由机车电子系统自动完成，这一系统工作原理就是图3所示的原理框图，此图中电流调节器（速度调节器）是一个比例积分调节器，其作用是当司机给定的电流值（或电压值）与牵引电动机实际电流（或电压）及反馈值的大小不相等，有一偏差电流（电压）送入电流调节器，电流调节器有输出，以此信号做为下个控制环节的输入。若给定和反馈相等，则电流调节器无输出。

该框图表示的控制过程如下：当司机给定与电机反馋信号有差值时，差值信号送入电流调节器，调节器输出控制移相触发电路触发脉冲产生时刻，也就调节了主电器整流电路的输出，那么牵引电动电流就随之变化，达到控制机车速度的目的。

（一） 电力机车的恒流控制系统

恒流控制系统的结构框图如图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，误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电路中，调节整流电路的输出电压大小可调节牵引电机电流，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一个代表电流大小的电压值，而不是电流值。

（二） 电力机车的恒速控制系统

恒速控制系统的结构框图如图4所示，通过反馈信号可以调节晶闸管的控制角，使整流装置的输出电压变化，最终使机车的运行速度得到调节。

（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，电力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，但设计电力机车时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。这种自动控制系统的结构框图5所示，我们称这类系统为双闭环控制系统。在此系统中，速度反馈是主反馈，而电流反馈是局部反馈。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。从而可以大大缩短机车的起动时间，因此对于起动频繁的机车采用恒流起动控制是很有利的，当起动过程结束，速度达到给定值时，速度调节器发挥作用，使机车在给定速度下准恒速运行。

SS型相控电力机车电子控制电路机车特性的控制方法一般就采用速度与电流的双闭环控制，电压的限制环节作为辅助控制，框图如图6所示，

框图中，虚线框内部分为电子控制部分，由电子柜来完成。由司机手柄给出的指定速度与检测出的机车实际速度比较，得出当前控制所需的Id或Iz值，该值送人电流控制部分作为控制指定值，与机车实际的Id或Iz值相比较，控制整流桥的Ud控制值，脉冲的形成与放大环节产生相应的触发脉冲，进而控制整个机车的主电路工作状态。电压限制环节仅在电机端压达到限制的值时，限制Ud控制值的

继续增大，平时不起作用，机车在机车电子部分控制下，通过速度、电流、电压3个闭环的不断调节来控制机车速度，达到司机手柄所给定的速度要求。

国内电力机车微机控制装置，自从1992年初在SS4型0038号机车上投入使用以来，目前已批量装于SS8型机车上。它标志着我国交直机车微机控制技术成熟。机车采用微机控制技术，实现了机车的数字化控制。相对于传统的控制装置有许多优点，一是硬件通用性好；二是软件控制灵活，三是控制性能稳定性好；四是系统的可靠性高；五是易于实现高性能的控制和故障诊断。

小结：

机车控制线路是机车3大线路中最复杂的线路，亦是机车运用中故障出现最多的部分，因此，只有熟练掌握控制线路中的各种控制关系，才能在实际应用中分析与处理电气线路的常见故障时得心应手。

控制线路中的各种联锁是用来满足主线路与辅助线路提出的各种要求而设计的，如使电器按一定顺序动作，使某些电器不断开电弧（如两位置转换开关）。常见的电气联锁有串联联锁，并联联锁、自持联锁、延时联锁、正联锁、反联锁、经济电阻线路等。

迂回线路会引起电器的误动作，造成线路故障，在机车的检查过程中，一定要保持接线端子与端子板的清洁、紧固、在重新组装时必须将电器安装正确，以免因端子间放电、搭线、错接等引起迂回线路产生。

电力机车的自动控制可分为3种情况，即恒流控制系统、恒速控

制系统、恒流起动与恒速运行的控制系统。在同一机车上通常将两套自动控制合并在一起构成双闭环控制系统，既可以简化控制系统与设备，又可以保证两种功能互不影响，同时存在，电力机车自动控制的主要目的在于缩短起动时间，充分利用粘着条件，运行平稳，同时使操作简单，减小司机劳动量，改善司机的工作条件。电力机车的微机控制系统是一个多CPU，分时控制系统，因此其功能要强大得多，微机控制以其适用性好，稳定性子、可靠性高、易于实现高性能的机车故障诊断而应用日益广泛。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j8y1.html