地铁供电系统原理图_地铁牵引系统--框架保护

本文介绍了地铁供电系统中牵引系统的框架保护原理,包括电压型和电流型两种保护形式,旨在确保设备和人身安全。电压型框架保护在负极对地电压达到一定值时触发,电流型则监测设备框架对地的泄漏电流。保护措施包括跳闸和闭琐机制,新线路设计中考虑了邻站直流开关的重合闸功能。

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(1)基本原理

牵引系统框架保护是直流供电系统特有的保护类型,图1-24以典型的框架保护为例来说明其原理,图中虚线部分为牵引系统设备外壳(包括直流断路器、整流柜、正极柜、负极柜等),在外壳与站保护地之间装设有电流泄漏检测装置(包括分流器、分流电阻及直流变送器),变送器二次侧电流(0~20mA)送往PLC,PLC对采样值进行分析判断。对电压型框架保护而言,采样值代表的是负极对站地(保护地)之间的电压,它对保护供电设备的安全具有极其重要的作用。

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图1-24 框架保护的系统框图

电压型框架保护是框架保护中的一种具体类型,该类型保护的采样对象是整流柜负极与站保护地之间的电位差。当负极对地电位达到一定值时,该类型保护将动作,发出跳闸信号跳开本站两台35kV牵引变压器开关,及本站所有直流高速开关。装设电压型框架保护的主要目的是保护设备的安全,它与钢轨电位限制装置不一样,钢轨电位限制装置的主要目的是为了保护人身(乘客)的安全而设置,在整定值上框架保护的动作定值要比钢轨电位限制装置的定值高。

图1-25是通过PLC实现电压型框架保护的采样原理图,它通过分流器、电压变送器将框架电压信号变成PLC模块可以接受的电流或电压信号,由PLC对输入的信号进行处理,决定是否报警或跳闸;当然,也有一些地铁线路直接采用电压检测继电器来直接采样电压值,以判断框架电压是否达到报警或跳闸值。地铁采用了电压检测继电器来直接检测框架对地电压,并直接通过继电器的触点发出相应的保护动作信号,用于跳闸及给SCADA系统发信。

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图1-25 电压型框架保护的采样原理图

电流型框架保护是框架保护的另外一种形式,与电压型框架保护不同的是,它的采样对象是牵引设备的框架(整流柜、直流开关柜和正负极柜的外壳)对地的电流泄漏,其主要目的是保护人身的安全。当然,对于设备的安全来说,电流型框架保护的设置同样具有重要意义。

当框架泄漏电流大于电流继电器整定值时,框架保护将动作,并跳开两台35kV牵引整流变开关、本站的所有直流高速开关以及左右邻站供同一区段的四台直流开关,跳闸后形成闭琐,直到收到框架复位信号为止。应该说明的是,在新近建设的线路中,电流型框架保护采取了对邻站直流开关“只跳不锁”的方案,即跳闸后仅闭锁邻站相应直流开关的重合闸功能,用户可以根据需要对邻站被联跳的直流开关进行就地或远动合闸。图1-26是通过分流器采样的电流型框架保护的采样原理图。

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图1-26 电流型框架保护的采样原理图

### 基于SPWM控制的双闭环控制系统工作原理 在基于正弦脉宽调制(SPWM)控制的双闭环控制系统中,系统通常由两个独立但相互关联的部分组成:外环用于调节系统的整体性能指标,如输出电压或速度;内环则负责快速响应并稳定内部变量,比如电流。对于逆变器而言,这种结构可以有效地提升动态响应特性以及稳态精度。 在外环部分,设定目标值与反馈的实际测量值之间的差异被送入比例积分(PI)控制器处理,得到期望的中间变量指令——通常是参考电流幅值或是特定条件下的功率需求。此过程确保了即使面对负载变化或其他扰动因素的影响下也能维持稳定的运行状态[^2]。 至于内环,则专注于跟踪上述产生的命令信号,并通过调整PWM波形来驱动逆变器中的开关元件动作,进而改变最终输出给负载的能量形式。具体来说,在每一个采样周期里计算出理想的瞬时电流水平之后,会将其转换成一系列具有不同占空比特性的窄脉冲序列施加到功率级上,以此达到平滑连续交流电的效果[^3]。 #### 控制逻辑图解 ```mermaid graph TD; A[外部环境参数(如电网电压)] --> B{外环}; C[用户设置的目标值] --> B; B --> D((PI Controller)); E[实际物理量检测结果] --> F{比较单元}; G[(误差信号)]; H[理想电流/功率指令]; I{内环} <--|G,H| J((PI Controller)); K[PWM发生器]; L[逆变器硬件平台]; M[负载设备]; N[实时监测数据采集模块]; subgraph "外环" direction TB B --> D D -.-> H end subgraph "内环" direction LR J --> K K --> L L --> M M --> N N --> E end ``` ### 设计方法 为了构建一个有效的基于SPWM的双闭环控制系统,需遵循以下几个关键的设计原则: - **选择合适的传感器**:安装高精度、低延迟的传感装置以获取准确的状态信息作为反馈机制的基础。 - **合理配置PI参数**:依据经验法则或者借助自动整定工具确定最优的比例系数Kp和积分时间常数Ti组合,使得整个体系既具备足够的灵敏度又不会因为过度振荡而导致不稳定现象的发生[^5]。 - **考虑非线性和不确定性补偿措施**:引入前馈控制路径或者其他高级算法弥补可能存在的建模偏差所带来的影响,增强鲁棒性的同时改善过渡过程品质。 - **优化PWM模式生成策略**:根据不同应用场景的要求定制化开发相应的载波频率和谐波抑制方案,降低电磁干扰风险同时提高能源利用效率。 ### 实现方式 当涉及到具体的实现细节时,MATLAB/Simulink软件提供了强大的仿真环境支持工程师们完成从概念验证直到原测试等一系列任务。例如,在搭建单相全桥逆变电路模过程中,可以通过图形界面直观地连接各个功能组件,并灵活运用内置函数库简化编程复杂度。此外,还允许导入自定义C/C++代码片段以便更精细地掌控底层操作流程。 针对永磁同步电机(PMSM),Simulink同样能帮助建立起完整的双闭环矢量控制系统框架,其中不仅涵盖了前述提到的核心要素,还包括坐标变换环节(Clarke-Park Transform)、反电动势观测估计等功能扩展选项,有助于深入探究电机内部机理及其对外界刺激作出反应的方式[^4]。 ### 应用场景 这类先进的电力电子调控手段广泛应用于多个领域之中,包括但不限于: - 家庭光伏发电站接入公共电网接口处; - 工业自动化生产线上的伺服传动机构供电电源管理; - 新能源汽车牵引力分配系统核心部件之一; - 高端医疗影像诊断仪器辅助动力供给解决方案等。
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