軌道交通車輛異步牽引電機(jī)的變頻調(diào)速-變頻調(diào)速原理

E1/f1=常數(shù)時的機(jī)械特性牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性異步電機(jī)氣隙磁通為：根據(jù)異步電動機(jī)的等效電路，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為若維持E1/f1=C，即磁通Φm為常數(shù)時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩T完全由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率f2決定，而與定子頻率無關(guān)。牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性若調(diào)節(jié)時保持f2=f2N

（額定轉(zhuǎn)差頻率），則電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩能保持在額定值，無論定子頻率設(shè)定在什么值上，電動機(jī)都可以運行在額定轉(zhuǎn)矩附近。另外，維持E1/f1=C時，轉(zhuǎn)子電流I2′亦只由f2決定，因而電機(jī)的功率因數(shù)和效率在調(diào)速中變化不大，基本保持在額定運行時的水平。牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)差頻率最大電磁轉(zhuǎn)矩（1）由于L2′可視為常數(shù)，故按E1/f1=C調(diào)節(jié)時，電動機(jī)在不同頻率f1下，可保持最大轉(zhuǎn)矩的數(shù)值不變。牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性最大電磁轉(zhuǎn)矩（2）與Tm對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率fm只受轉(zhuǎn)子電阻影響，由于鼠籠式電機(jī)R2′為常數(shù)，因而fm也為定值。牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性牽引電動機(jī)在E1/f1=C時的機(jī)械特性恒磁通運行時，不同定子頻率下機(jī)械特性是平行的，可使電機(jī)在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最大的恒定轉(zhuǎn)矩。但是，由于E1是電動機(jī)內(nèi)部電勢，難于直接檢測，通常是通過調(diào)整U/f函數(shù)曲線的模式來近似保持E1/f1=常數(shù)的關(guān)系。U1/f1=常數(shù)時的機(jī)械特性交流傳動的調(diào)速思路在正弦穩(wěn)態(tài)下，異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度）：式中：n1—同步速度f1—電源頻率p—極對數(shù)交流傳動的調(diào)速思路異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的速度式中：n2—電機(jī)轉(zhuǎn)子速度

s

—轉(zhuǎn)差率，s=(n1-n2)/n2因此

，若均勻地改變定子電源供電頻率f1，就可以平滑地改變電動機(jī)同步速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性異步電機(jī)定子電壓方程為：在忽略定子漏阻抗時，異步電動機(jī)定子電壓可表示為：牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性異步電機(jī)定子電壓方程為：在忽略定子漏阻抗時，異步電動機(jī)定子電壓可表示為：式中：N—每相繞組串聯(lián)匝數(shù)kN1

—繞組系數(shù)Φm

—氣隙磁通牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性異步電機(jī)氣隙磁通為：在改變f1時，若U1不變，隨著電源頻率由額定頻率向下調(diào)時，氣隙磁通Φm就會增大，磁通飽和，引起定子勵磁電流急劇增加，定子鐵心損耗Im2Rm急劇增加，從而引起：(1)功率因數(shù)下降；(2)損耗增加，電動機(jī)過熱。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性在實際應(yīng)用中，常采用U1/f1=C（C=常數(shù)）作為約束條件，進(jìn)行變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)恒磁通控制。如國產(chǎn)藍(lán)箭列車的頻率/電壓調(diào)節(jié)范圍為：0.5~148Hz/0~2105V。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式，可以計算出U1/f1=C控制方式下的機(jī)械特性，如圖所示。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性（1）在較高的頻率范圍內(nèi)，電動機(jī)發(fā)出較大的轉(zhuǎn)矩；（2）當(dāng)頻率f1較低時轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩急劇下降。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性其主要原因是：（1）在高頻范圍內(nèi)，U1較高，而定子阻抗壓降相對較小可以忽略，氣隙磁通近似不變（2）而低頻范圍時，雖然定子漏抗x1正比于f1而降低，但R1為不變值，電阻壓降在低頻時構(gòu)成不可忽略的一部分，令氣隙磁通減小，因而轉(zhuǎn)矩下降。牽引電動機(jī)在U1/f1=C時的機(jī)械特性作為彌補(bǔ)辦法，可在低頻時適當(dāng)提升電壓比例，從而抵消電阻壓降的影響，使氣隙磁通近似恒定，從而實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。恒功率控制恒功率控制概述在恒磁通控制中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，定子頻率f1上升，電壓U1也同步提高，電機(jī)輸出功率增大。但電機(jī)電壓的進(jìn)一步提高受到電動機(jī)功率和逆變器最大電壓的限制，因此電壓提高到一定的數(shù)值（基值或額定值）以后，將維持不變，或不再正比于f1上升。此后隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率控制。恒功率控制概述恒功率運行時的轉(zhuǎn)矩或?qū)懗蔀闈M足電機(jī)的恒功率輸出特性，電壓和頻率的調(diào)節(jié)可以有兩種不同的方式：（1）U1=常數(shù)，s=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式（2）U12/f1=常數(shù)，f2=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式U1=常數(shù)，s=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩可以表示為因為U1為常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩反比于f12，不同頻率f1時最大轉(zhuǎn)矩及其包絡(luò)線如圖所示。U1=常數(shù)，s=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式由于恒功率運行時實際要求的轉(zhuǎn)矩T只是反比于f1變化。為了保證電動機(jī)在全部恒功調(diào)速范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運行，必須要求在最高轉(zhuǎn)速（對應(yīng)最大頻率f1max)時，電動機(jī)有最小允許的過載力矩。U1=常數(shù)，s=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式這樣，在較低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩的裕度較大，而電動機(jī)的設(shè)計尺寸實際上是由低速狀態(tài)所決定的，因而有較大的尺寸。但此時逆變器在恒電壓和電流下運行，其設(shè)備容量得充分利用，有較大小的尺寸，這種設(shè)計方案稱為“最大電動機(jī)和最小逆變器”方案。。U12/f1=常數(shù)，f2=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式U12/f1=常數(shù)，則最大轉(zhuǎn)矩Tm與f1成反比。不同頻率f1下最大轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線呈雙曲線形狀，如圖所示。U12/f1=常數(shù)，f2=常數(shù)的恒功調(diào)節(jié)方式在這種情況下，電動機(jī)在較低速度與較高速度有近似相等的轉(zhuǎn)矩裕度。此時電動機(jī)有較小的設(shè)計尺寸，但逆變器需滿足最高電壓和最大電流的要求，故逆變器有較大的設(shè)計尺寸，該方案稱為“最小電動機(jī)和最大逆變器”方案。為什么要采用變頻調(diào)速為什么要采用變頻調(diào)速牽引傳動方式直流傳動交流傳動直流傳動的特點優(yōu)點：系統(tǒng)具有理想的起動調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性。缺點：運行時容易產(chǎn)生換向火花和發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象，導(dǎo)致直流電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、設(shè)計容量和高速時的功率利用都受到限制為什么要采用變頻調(diào)速交流傳動的特點優(yōu)點有優(yōu)良的防空轉(zhuǎn)功能。運行可靠，故障率低。單位重量功率（kw/kg)可達(dá)直流電機(jī)的三倍，特別適宜于高速重載運用。為什么要采用變頻調(diào)速交流傳動的特點技術(shù)難點：在采用固定供電頻率時，交流電機(jī)調(diào)速較為困難，調(diào)速范圍窄，起動轉(zhuǎn)矩小，輕載時功率因數(shù)低。為什么要采用變頻調(diào)速采用變頻調(diào)速的原因計算機(jī)技術(shù)發(fā)展水平提高交流電力牽引已經(jīng)可實現(xiàn)寬范圍的平滑調(diào)速，可使電力機(jī)車或動車組的高速功率利用達(dá)到1，恒功率調(diào)速比大于2，并能發(fā)揮較大的牽引力。為什么要采用變頻調(diào)速采用變頻調(diào)速的原因電源側(cè)變流器采用四象限變流器，能使機(jī)車的工作電流十分接近正弦，能在廣泛范圍內(nèi)，使機(jī)車功率因數(shù)接近于1，并能方便實現(xiàn)牽引和再生制動之間的能量交換。變頻調(diào)速控制方式的發(fā)展階段普通功能型U/f控制方式-——轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不具有轉(zhuǎn)矩控制功能。高功能型的轉(zhuǎn)差頻率控制方式——轉(zhuǎn)速需要閉環(huán)檢測，有轉(zhuǎn)矩控制功能。這種控制方式屬于標(biāo)量控制。高性能型矢量控制或直接力矩控制方式-----——可以實現(xiàn)直流電動機(jī)的控制特性，具有較高的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)概述交流傳動系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由與轉(zhuǎn)矩相關(guān)聯(lián)的其它物理作為給定信號，并檢測這些量的的實際值作為反饋信號（如電壓、定子電流、轉(zhuǎn)差頻率），來有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。利用檢測的或計算的轉(zhuǎn)矩作為反饋信號，與給定的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入信號，直接控制傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差頻率控制幾乎所有的軌道車輛交流傳動系統(tǒng)都采用脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，這種逆變器的特點是，當(dāng)逆變器按控制系統(tǒng)給的電壓U1與頻率f1進(jìn)行調(diào)節(jié)時，其輸出總是能保證電動機(jī)的氣隙磁通Φ∝U1/f1接近恒定值，這就滿足了交流電機(jī)恒磁通控制的要求。轉(zhuǎn)差頻率控制T∝Φ2f2，當(dāng)系統(tǒng)按U1/f1＝C進(jìn)行控制時，轉(zhuǎn)矩T只取決于轉(zhuǎn)差頻率f2的值，因f2＝sf1，如果系統(tǒng)能合適的控制f2及f2隨f1的變化規(guī)律，就能很好地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。這種控制方法稱為轉(zhuǎn)差頻率控制，又稱滑差控制。轉(zhuǎn)差頻率控制從電機(jī)的工作原理可知：若n1>n時，即1>f2>0時，電機(jī)工作于牽引狀態(tài)；當(dāng)n1<n時，即f2<0時，電機(jī)工作于再生制動狀態(tài)。因此，適當(dāng)控制電機(jī)供電頻率的變化，就可容易地實現(xiàn)牽引與制動的工作模式。轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)下圖為一種典型的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)是一種采用電壓型逆變器供電，并具有電流反饋和轉(zhuǎn)差閉環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)如圖所示，從司機(jī)控制臺送出給定轉(zhuǎn)矩信號T*，一路經(jīng)f2函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生給定的轉(zhuǎn)差頻率f2*，它與反饋轉(zhuǎn)速信號fr相加得到f1＝f2*＋fR

（牽引），或相減得到f1＝fR

－f2*（再生制動），從而確定逆變器輸出電壓的頻率。轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)考慮到恒轉(zhuǎn)矩起動時對恒磁通Φ＝E1/f1≈U1/f1的要求，系統(tǒng)中設(shè)置了一個電壓函數(shù)發(fā)生器，其函數(shù)關(guān)系為U10＝Kf1＋U0，Kf1為考慮恒轉(zhuǎn)矩運行對恒磁通CeΦ＝E1/f1≈U1/f1的要求，Ｕ0是考慮零速度附近對定子繞組壓降的補(bǔ)償。轉(zhuǎn)差頻率控制的交流傳動系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)矩信號T*