交流电力牵引系统实验

实验二 交流电力牵引系统实验

一．实验目的

1.了解交流传动系统的结构，调速特性及其对电网的影响； 2.了解脉冲整流器的原理和控制方法；

3.了解交流牵引系统牵引和制动原理和不同的控制方法； 4.了解交流传动控制系统的设计方法和实验方法； 5.了解交流传动和直流传动的优点。

二．实验内容

1.脉冲整流器和逆变器牵引和制动原理验证； 2.交流传动系统对电网的谐波和无功污染分析；

三．实验原理及线路

1．交直交牵引传动系统工作原理

交直交牵引传动系统原理图如图2-1所示。

LC

图2-1 交直交牵引传动系统原理图

从图中可见，交直交牵引传动系统主要由整流器、逆变器和中间直流环节三大部分组成。

整流器为脉冲整流器（也称四象限整流器），作用是将输入的交流电转换为直流，同时通过控制脉冲整流器的输入侧电压，使输入脉冲整流器的电流与电网电压同相位，达到整个系统的功率因数为1的目的，从而使整个交直交牵引控制系统满足电网谐波和功率因数的要求。

中间储能环节为电容储能，为逆变器提供支撑直流电压，此类型的交直交牵引传动系统也叫做电压型交直交牵引传动系统。

逆变器为三相电压型逆变器，采用矢量控制方法，将直流电变换成电压和频

率均可调的交流电，为感应电机供电，实现电机的各种工况的运转。

详细工作原理见教材相关章节。

2．实验线路

交直交牵引传动系统电气系统原理图如图2-2所示。包括：配电柜、控制台、交直交传动柜和电动机组。

配电柜为整个实验系统提供主电路、辅助电路电源及控制电源。交直交传动柜和交流电动机共同完成交流传动的模拟控制，控制台完成对交直交传动柜的控制。

在控制台内设有中央控制单元CCU，在交直交传动柜内设有交流传动控制单元DCU2，这两个单元构成整个交直交实验系统的控制网络。控制网络采用MODBUS现场总线。

图2-2 交直交牵引传动系统电气系统原理图 CCU-中央控制单元 DCU2-交流传动控制单元

具体的实验线路主电路和交流辅助电路如图2-3所示。

主电路采用电压型交直交变频电路，包括脉冲整流器U1，牵引逆变器U2，中间储能环节——支撑电容C1～C4，三相感应电动机M以及连接电抗器UL1等。

辅助电路包括交流辅助电路和直流辅助电路两部分。其中交流辅助电路主要为牵引传动系统中的辅助系统提供电源，包括一个辅助变流器UR，单相辅助风机MF1、MF2，三相辅助通风机M511等。

直流辅助电路主要是24V直流电源、蓄电池等，用于CCU和DCU2的电源供

图2-3 交直交牵引传动实验系统主电路和辅助电路图

U1-脉冲整流器 U2-逆变器 UL1-连接电抗器 C1,C2,C3,C4-支撑电容 R-放电电阻 R401-充电电阻 KM401-四象限主接触器 KM402-充电接触器 MF1,MF2--辅助风机 KM403-风机接触器 KZ1,KZ2-散热器过热保护器 UR-辅助变流器 M511-辅助通风机 PV1-交流输入电压指示表 PV2-中间电压指示表 PV3-交流输出电压指示表

TV1-交流输入电压传感器 TV2-四象限输出电压传感器 TV4,TV5-交流输出电压传感器

TA1交流输入电流传感器 TA2,TA3-交流输出电流传感器 KJ1、KJ2、KJ3-接触器动作指令信号 QA401-辅助风机手动空气开关

给。具体实验线路见图2-4所示。

系统中的各种开关、接触器和传感器的信号进入交直交传动柜，并通过MODBUS网络传给控制台完成各种控制。

图2-4 直流辅助电路图

CCU-中央控制单元 DCU2-交流传动控制单元 QA106-蓄电池充电断路器 QA108-交直交传动柜控制电源断路器 QA109-控制台控制电源断路器

四．实验设备及仪器

1．交直/交直交牵引传动综合实验台 2．双踪示波器 3．万用表

4．FLUKE-F43B 电能质量分析仪

五．实验方法

1．牵引控制

A、闭合启动开关，主控单元DCU2接到命令后，首先闭合四象限主接触器KM401，进入充电环节，此时充电接触器KM402断开。在延时一段的充电时间后，DCU2通过电压传感器TV1进行充电电压检测，充电电压达到设定值后，主控单元DCU2闭合充电接触器KM402切除充电电阻R401，完成充电过程。用万用表记录充电电压值。

B、选择控制台上交流电机的“向前/向后选择开关”到向前位置，旋转“启动”开关到右，启动四象限变流器，当中间直流电压为600V时，选择“牵引/制动选择开关”到牵引工况。此时电机开始低速转动。

C、右旋力矩电位器，通过DCU2分别调节四象限整流器与牵引逆变器的控制环节，改变电动机端电压与频率，改变电动机的转速和转矩，使电机转速到2500~3000RPM.

D、用示波器记录电动机的线电压(2263,2273)和线电流波形及电机电压的输入频率。用电能质量分析仪测量交直交牵引传动系统的输入侧电压和电流波形。注意电压和电流的相位关系，并记录在报告上。用电能质量分析仪分析系统输入电流的谐波以及系统的功率因数并记录。（电能质量分析仪黑表笔接XZ401,红表笔接XZ402，电流钳接XZ401）

E、启动直流电机。方向选择开关与交流电机一致，“工况选择开关”为制动位置，右旋“启动”旋钮，调节力矩电位器，改变直流电机的励磁电压和电枢电压，使直流电机励磁为77A，电枢电流此时大约为50A。记录此时电机的线电压和线电流波形，以及电机端电压、频率及转速数值。同时记录系统输入侧的电压和电流波形，分析谐波和功率因数。

F、停车。左旋直流电机的力矩电位器到头，分断直流电机的方向、工况和启动开关，左旋交流电机的力矩电位器到头，分断交流电机的方向，工况和启动开关，电机停止。 2．制动状态

A、闭合启动开关，主控单元DCU2接到命令后，首先闭合接触器KM401，进入充电环节。在延时一段的充电时间后，DCU2通过电压传感器TV401进行充电电压检测，充电结束后，主控单元DCU2闭合接触器KM402切除充电电阻，完成充电过程。

B、旋转“向前/向后选择开关”到向前位置，“牵引/制动选择开关”到制动工况。

C、旋转力矩电位器，通过DCU2分别调节四象限整流器与牵引逆变器的控制环节，改变电动机端电压与频率，也就改变电动机的转速和转矩。记录电动机的线电压和线电流波形。测量交直交牵引传动系统的输入侧电压和电流波形。用电

能质量分析仪分析系统输入电流的谐波以及系统的功率因数并记录。

D、启动直流电机。选择方向与交流电机一致，工况开关到牵引，右旋“启动开关”，右旋力矩电位器，调节直流电机电枢电流到77A。记录输入电流的谐波以及系统的功率因数。

六．实验报告

1．整理，描绘实验中记录的各种数据、波形，并标出幅值与宽度。注意对于交直交系统输入侧的电压和电流波形需画出相位相对关系。

2．将交直交系统实验得到的波形及数据与交直系统实验的数据进行对比分析。 3．讨论分析其它实验现象。

七．思考题

1．交直交牵引传动系统的主电路有哪些类型？各有什么特点？ 2．相比交直牵引传动系统，交直交牵引传动系统的优缺点是什么？ 3．在设计交直交牵引传动系统时，应注意哪些问题？

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