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1、,,內(nèi)燃機(jī)車電力傳動(dòng),技術(shù)講座,（五）,第一節(jié) 概 述,長期以來，機(jī)車電傳動(dòng)大多采用直流牽引電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流和電樞電流可以分別控制，其起動(dòng)、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 然而，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在電刷接觸式的換向器，它不僅工藝復(fù)雜，體積及重量大，耗銅，價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中，很容易產(chǎn)生換向火花甚至發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象，故障率高，不便于維護(hù)。由于換向及環(huán)火這一類問題的存在，則要求電動(dòng)機(jī)換向片之間的電壓不能過高，因而使得直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)容量和高速時(shí)的利用功率受到限制，單電機(jī)的設(shè)計(jì)容量也很難超過1000kw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)車向高速、大功率方向發(fā)

2、展的要求。,交流傳動(dòng)發(fā)展的初期,三相交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子上既沒有換向器，也沒有帶絕緣的繞組，根本不存在換向火花及環(huán)火等問題，因此，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于交流電動(dòng)機(jī)克服了直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，很早就引起了人們的極大注意，試圖將它用作鐵路機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)。只是限于當(dāng)時(shí)的變頻供電技術(shù)條件而無法實(shí)施。上世紀(jì)50年代中期，法國國鐵曾在一臺(tái)樣車上裝置旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組進(jìn)行連續(xù)變頻調(diào)速，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)組笨重龐大及效率低、成本高等原因而未能得到推廣。60年代，隨著電力電子技術(shù)的崛起與進(jìn)步和變頻調(diào)速裝置的研制成功，重新喚起了人們對(duì)交流調(diào)速傳動(dòng)

3、的重視。進(jìn)入70年代，因采用異步交流傳動(dòng)系統(tǒng)的DE-2500型內(nèi)燃機(jī)車在原聯(lián)邦德國研制成功，交流傳動(dòng)在牽引領(lǐng)域重新煥發(fā)出了前所未有的活力。,80年代交流傳動(dòng)的發(fā)展,進(jìn)入80年代，隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動(dòng)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展并已日趨成熟，在各種機(jī)車、動(dòng)車上獲得了推廣運(yùn)用。在這一時(shí)期，歐洲的交流傳動(dòng)發(fā)展勢(shì)頭較猛，出現(xiàn)了諸如DE500系列、Di4型、ME1500型、DE6400型等典型的歐洲系列交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。同時(shí)期，美國的內(nèi)燃機(jī)車制造廠家們對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的投入采取了比較審慎的態(tài)度，僅在老機(jī)車改造方面作了一些嘗試，如GM公司的FLG型雙動(dòng)

4、力源客運(yùn)機(jī)車改造，裝用ABB公司提供的交流傳動(dòng)裝置及MICASS微機(jī)控制系統(tǒng)，第一批改造的該型機(jī)車10臺(tái)于1990年投入運(yùn)用。此外GM公司還與德國西門子公司合作對(duì)F69PH型客運(yùn)機(jī)車進(jìn)行改造，裝用西門子提供的交流傳動(dòng)裝置及SIBAS16微機(jī)控制系統(tǒng)。,90年代交流傳動(dòng)的發(fā)展,進(jìn)入90年代，交流傳動(dòng)技術(shù)成為機(jī)車技術(shù)熱點(diǎn)、被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)車的標(biāo)志而日益風(fēng)靡世界。美國交流機(jī)車市場(chǎng)異軍突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，之后又相繼推出SD70MAC、SD80MAC以及SD90MAC型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。而80年代一直默默無聲的GE公司也不甘示弱，相繼推出AC4000、AC60

5、00型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。而且兩大公司均擁有大批訂貨，幾年來總計(jì)達(dá)千余臺(tái)（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)截至1997年的定貨已近1400臺(tái)）。 除德國、美國外，法國、意大利、西班牙、芬蘭、日本等國也可以生產(chǎn)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，并有許多國家開始批量訂購交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。,我國交流傳動(dòng)的發(fā)展,早在70年代，國內(nèi)有關(guān)科研院所、許多大專院校就開展了交流傳動(dòng)技術(shù)的研究工作，但由于種種原因，始終處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。進(jìn)入90年代，由于我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要，且有國外交流傳動(dòng)技術(shù)的成熟運(yùn)用以及在研制、運(yùn)用方面大量可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，我國的交流傳動(dòng)技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。作為國家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的我國第一臺(tái)AC4000型大

6、功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車（原型機(jī)），于1996年6月19日在株洲電力機(jī)車廠誕生，這標(biāo)志著我國機(jī)車交流傳動(dòng)技術(shù)零的突破。經(jīng)過機(jī)車試運(yùn)行，并在西南交通大學(xué)國家牽引動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)車車輛滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了全面的技術(shù)試驗(yàn)，為改進(jìn)和完善交流傳動(dòng)機(jī)車獲取了寶貴的第一手技術(shù)資料。在此基礎(chǔ)上，又相繼研制出性能更加優(yōu)良的交流傳動(dòng)電力機(jī)車樣機(jī)。“九五”期間，我國正式進(jìn)入交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的研制階段。1997年，四方機(jī)車車輛廠承擔(dān)了我國第一臺(tái)交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的研制任務(wù)，于1999年9月完成試制。隨后各機(jī)車工廠也相繼開發(fā)出交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車樣車。我國已進(jìn)入發(fā)展交流傳動(dòng)機(jī)車的實(shí)質(zhì)性階段。,異步交流牽引電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 1、構(gòu)

7、造簡(jiǎn)單，動(dòng)力學(xué)性能好,異步電動(dòng)機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，除軸承外，沒有其他機(jī)械接觸部分，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6000r/min。這是直流電機(jī)所望塵莫及的，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速因受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到2500r/min左右。由于異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對(duì)軌面的沖擊力小，使機(jī)車具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。,2、功率大，牽引力大,由于異步牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min，所以能夠做到功率大、重量輕，其單位重量千瓦（kw/kg）是直流電機(jī)的23倍。在機(jī)車結(jié)構(gòu)所限制的空間條件下，異步牽引電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)到140

8、0kw2000kw。正因?yàn)槿绱耍趴墒箼C(jī)車的牽引功率大大提高，從而可獲得更大的牽引力，再加上粘著性能好，大的牽引力能充分發(fā)揮機(jī)車的牽引能力?，F(xiàn)以ND5型交直傳動(dòng)機(jī)車與SD60MAC交流傳動(dòng)機(jī)車進(jìn)行比較：ND5型機(jī)車的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2940kw，起動(dòng)牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為359.8kN；SD60MAC機(jī)車的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2835kw，起動(dòng)牽引力為781kN，持續(xù)速度為20.5km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動(dòng)牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%左右。,3、粘著性能好,由于異步電機(jī)具有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某臺(tái)電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，隨著

9、轉(zhuǎn)速的上升（上升值不大），轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力。 當(dāng)進(jìn)行粘著控制時(shí)，根據(jù)檢測(cè)有關(guān)粘著控制的信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既不發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力，實(shí)現(xiàn)最大可能的粘著利用。由于上述特性和良好的控制功能， 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的粘著系數(shù)可以利用得很高。 1992年美國鐵路協(xié)會(huì)（AAR）在向四家機(jī)車制造廠提出的26臺(tái)交流傳動(dòng)機(jī)車投標(biāo)建議書中提出的粘著指標(biāo)是：起動(dòng)粘著系數(shù)0.45，全天候牽引粘著系數(shù)為0.32（而GE公司在交直流機(jī)車上，采用“SENTRY”粘著控制裝置后，全天候粘著系數(shù)實(shí)測(cè)值為0.240.25），動(dòng)力制動(dòng)粘著系數(shù)為0.2

10、4。如此之高的粘著利用，正是針對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車所具有的良好的粘著控制而提出的，這對(duì)于交直傳動(dòng)系統(tǒng)是不可想象的。,4、可靠性高、維修簡(jiǎn)便,交流異步牽引電動(dòng)機(jī)無換向器、無電刷裝置，除軸承外，無摩擦部件，密封性好，防潮、防塵、防雪性能好，絕緣性能和耐熱性好。因此故障率低，可靠性高。控制裝置是模塊結(jié)構(gòu)，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無觸點(diǎn)的電子元件組成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點(diǎn)磨損、粘接、接觸不良、機(jī)械卡滯等問題。據(jù)美國伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流牽引電動(dòng)機(jī)的大修期一般在40萬km48萬km，而交流牽引電動(dòng)機(jī)的大修期可高達(dá)120萬km160萬km。此外，交流傳動(dòng)機(jī)車配有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和

11、故障診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。綜上所述，可知交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性很高，維修量很小，且維修簡(jiǎn)便，維修費(fèi)用大大降低。以德國現(xiàn)有E1200型機(jī)車和EA1000型機(jī)車比較，交流傳動(dòng)的E1200型機(jī)車的維修費(fèi)僅為EA1000型機(jī)車的35%；E1200型機(jī)車的輪緣磨耗比EA1000型機(jī)車減少了53%。,5、效率高、利用率高、使用靈活性強(qiáng),交流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交直流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.86。根據(jù)有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，采用交流傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車與直流傳動(dòng)比較，在發(fā)揮相同功率時(shí)節(jié)省燃料10%25%。由于可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動(dòng)機(jī)車的利用率顯著提高，如某鐵路運(yùn)

12、輸公司采用交流傳動(dòng)機(jī)車后，機(jī)車?yán)寐视稍瓉淼?6%提高到95%，從鐵路運(yùn)營管理的角度來說，可減少機(jī)務(wù)段的備用機(jī)車數(shù)量以節(jié)省投資。正是交流傳動(dòng)機(jī)車所顯示的高起動(dòng)牽引力、大持續(xù)功率和寬恒功率區(qū)的特點(diǎn)，使其具有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)列車對(duì)大的起動(dòng)牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)列車對(duì)高速度的要求，因此對(duì)客、貨列車編組來說，成為名副其實(shí)的“通用機(jī)車”。,第二節(jié) 異步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 一、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法,1、電磁轉(zhuǎn)矩特性 電磁轉(zhuǎn)矩T公式 （5-1） 式中 Cm電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)； 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通（wb）； I2轉(zhuǎn)子電流（A）； cos 2轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)； S轉(zhuǎn)差

13、率； n1同步轉(zhuǎn)速； （f1電源頻率，p磁極對(duì)數(shù)）； n轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速（r/min）； E2轉(zhuǎn)子電勢(shì)，E2= 4.44k2w2f2= 4.44K2W2Sf1=SE20； R2轉(zhuǎn)子電路電阻（）； XL2轉(zhuǎn)子漏感抗，XL2=2f2LL2=2Sf1LL2=SXL20。,異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線：T=f(S),當(dāng)電源電壓U1及其頻率f1均不變時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩T僅隨轉(zhuǎn)差率S變化。 （1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（S=1） （2）最大轉(zhuǎn)矩Tmax（求極值） 臨界轉(zhuǎn)差率 （3）額定轉(zhuǎn)矩Te 額定功率Pe（kw），額定轉(zhuǎn)速ne（r/min）,2、異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 T=f(n),由

14、很容易將轉(zhuǎn)矩特性T=f（S）轉(zhuǎn)換為機(jī)械特性T=f（n） （1）不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)0nK： 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)很快加速進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)； 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)很快減速而堵轉(zhuǎn)。 （2）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)nKn1： 為電機(jī)正常工作區(qū)段，機(jī)械穩(wěn)定性好，能適應(yīng)負(fù)載的變化。 一般額定轉(zhuǎn)差率Se=0.040.06,3、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法,（1）改變電壓U1的調(diào)速 在電源頻率f1不變的條件下，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M與電壓U1的平方成正比 ，最大轉(zhuǎn)矩Tmax所對(duì)應(yīng)的SK與U1無關(guān)?？梢姼淖僓1不但不能使轉(zhuǎn)速有多大的變化，反而使電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大的波動(dòng)，削弱了電機(jī)適應(yīng)負(fù)載變化的能力。 （2

15、）改變磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速 由 可知，改變磁極對(duì)數(shù)p可改變它的同步轉(zhuǎn)速n1，也就改變了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。但調(diào)速范圍受到限制，且為有級(jí)調(diào)速。,（3）改變頻率的調(diào)速 若能平滑地大范圍改變f1，就可以平滑改變n1，從而平滑寬廣地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，可滿足機(jī)車牽引電動(dòng)轉(zhuǎn)速從零到最大值的調(diào)速要求。,二、異步電機(jī)的等值電路及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,、 電源相電壓和電機(jī)定子電流； 歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流； 電機(jī)激磁電流； 分別為一相定子感應(yīng)電勢(shì)和歸算到定 子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)； S 轉(zhuǎn)差率，為轉(zhuǎn)差頻率與定子頻率的比值： S=f2/f1； R1、X1 定子繞組電阻及漏電抗； R2、X2 歸算到定子

16、側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻及漏電抗； Xm 激磁電抗。,Pe = mI22R2 / S,電磁轉(zhuǎn)矩公式：,令X1 + Xm = X11， X2 + Xm = X22,三、變頻調(diào)速的控制方式及其特性,異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行變頻調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載特性要求對(duì)變頻器的電壓、電流及頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。變頻調(diào)速控制方式的發(fā)展大體分為三個(gè)階段： 第一階段是普通功能型U/f控制方式的通用變頻器，該控制方式是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不具有轉(zhuǎn)矩控制功能； 第二階段是高功能型的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，其轉(zhuǎn)速需要閉環(huán)檢測(cè)，具有轉(zhuǎn)矩控制功能，能使電動(dòng)機(jī)在恒磁通或恒功率下運(yùn)行，能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率，其輸出靜態(tài)特性較U/f控制有較大的改進(jìn)； 第

17、三階段是高性能型矢量控制或直接力矩控制方式，可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制特性，具有較高的動(dòng)態(tài)性能。,1、恒磁通（E1/f1=常數(shù)）的控制方式,異步電動(dòng)機(jī)的每極磁通正比于E1/f1，在進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)時(shí)，若能保持E1/f1不變，也就可以保持磁路的一定飽和程度，這樣可以充分利用電機(jī)的鐵磁材料，充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。 根據(jù)電機(jī)的等值電路可導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：,臨界轉(zhuǎn)差頻率：,最大轉(zhuǎn)矩：,恒磁通控制，在一定的f2指令下又稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，它可使電動(dòng)機(jī)在調(diào)頻范圍內(nèi)獲得恒定的過載倍數(shù)：,2、恒電壓頻率比（U1/f1=常數(shù)）的控制方式,應(yīng)該指出，E1是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電勢(shì)，難以直接檢測(cè)與控制，通常只能控制電機(jī)

18、的端電壓U1。在一般情況下，定子繞組的漏阻抗所引起的電壓降與電機(jī)端電壓相比可以忽略，即可認(rèn)為U1E1，因此可按照U1/f1=常數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，即只需要由變頻器提供線性的電壓頻率輸出特性，技術(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)。,高頻時(shí)定子電阻R1的影響可忽略，U1與f1近似于線性關(guān)系；然而在低頻時(shí)，R1的影響不容忽略，此時(shí)電壓U1相對(duì)有所提高。這是控制系統(tǒng)中電壓函數(shù)發(fā)生器V/F設(shè)計(jì)的依據(jù)。,3、恒定電流運(yùn)行控制方式,由電機(jī)等值電路可得：,不難看出，若保持電流I1和轉(zhuǎn)差頻率f2不變，則式中 必為常值，同樣可以實(shí)現(xiàn)恒磁通運(yùn)行。這種維持電機(jī)電流I1不變的控制方式，使逆變器在運(yùn)行范圍內(nèi)沒有過分的電流波動(dòng)，可以充分利用裝置容

19、量，使逆變器的設(shè)計(jì)可更為經(jīng)濟(jì)。另外，從控制的角度來說，I1的恒定可通過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上也易行。 由于 =常數(shù)不能直接控制，只能用調(diào)節(jié) =常數(shù)來近似。因此，在低頻范圍內(nèi)，往往在控制轉(zhuǎn)差頻率f2恒定的同時(shí)，控制電流I1恒定，以達(dá)到 =常數(shù)的良好效果。,4、恒功率運(yùn)行控制方式,在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行中，隨著電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速的上升，電壓U1相應(yīng)提高，電機(jī)的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動(dòng)機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制。通常在頻率調(diào)節(jié)大于基準(zhǔn)頻率（f1f1N）時(shí)，即當(dāng)電壓U1提高到一定數(shù)值后將維持不變，或者不再正比于f1上升。此后電動(dòng)機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制。 在閉環(huán)控制

20、系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差頻率f2總是限定在小于fm的極小范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率S極小，且在恒功率范圍內(nèi)，電壓U1已提高到一定數(shù)值，可認(rèn)為U1E1，經(jīng)簡(jiǎn)化后得：,或?qū)懗桑?式中：,（1）U1不變，S=f2/f1=常數(shù)的調(diào)節(jié)方式,在最高轉(zhuǎn)速nmax時(shí)，保證有最小允許的過載能力；而在低速時(shí)，特別在恒功范圍的最低速度點(diǎn)nA以下，轉(zhuǎn)矩過載能力就出現(xiàn)了不必要的裕度。電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和容量實(shí)際上只能由低速狀態(tài)所決定，故有較大的數(shù)值，電機(jī)本身的功率利用不充分。而逆變器 具有較小的設(shè)計(jì)容量和尺寸。,（2）f2不變，U12/f1=常數(shù)的調(diào)節(jié)方式,U12/f1=K 1,電機(jī)具有不變的過載系數(shù)，電機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)可以選擇在恒功范圍的最低轉(zhuǎn)速

21、nA時(shí)具有最小允許的過載能力。這樣即使在高速運(yùn)行時(shí)仍然有適度的轉(zhuǎn)矩裕量，使在整個(gè)恒功調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并能較充分地利用電機(jī)的功率，因而電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小。但逆變器的設(shè)計(jì)容量和尺寸較大。,5. 機(jī)車牽運(yùn)行方式,（1）起動(dòng)加速區(qū)：12 段屬內(nèi)燃機(jī)車，12屬電力機(jī)車。起動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)使轉(zhuǎn)差頻率f2保持恒定，U1/f1近似為常數(shù)，牽引電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行。通常要求牽引電動(dòng)機(jī)能發(fā)出1.21.5倍的額定轉(zhuǎn)矩，使機(jī)車盡快平穩(wěn)起動(dòng)和加速。,（2）變電壓、恒功率運(yùn)行區(qū)：56區(qū)段，采用U12/f1=常數(shù)、f2不變的恒功率調(diào)節(jié)方式。這一區(qū)段對(duì)內(nèi)燃機(jī)車來說，是為了充分利用柴油機(jī)的功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，通常更為

22、重要。 （3）恒電壓、恒功率運(yùn)行區(qū)：67區(qū)段屬內(nèi)燃機(jī)車，57屬電力機(jī)車。采用U1不變、f2/f1=常數(shù)的恒功率調(diào)節(jié)方式。在恒電壓下，供電頻率的增加使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生磁場(chǎng)削弱的效果。,第三節(jié) 牽引逆變器,如前所述，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須提供能夠同時(shí)改變電壓和頻率的交流電源。而現(xiàn)有的通用交流電源是恒壓恒頻的（如工頻50HZ、線電壓380V）；電力機(jī)車上通過牽引接觸網(wǎng)供電的電壓和頻率也是基本上恒定的；內(nèi)燃機(jī)車上的柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所驅(qū)動(dòng)的牽引發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率亦是恒定的。因此，必須配備專門的變壓變頻裝置，通稱VVVF（Variable Voltage Variable Freq

23、uency的縮寫）裝置。最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，現(xiàn)在已無一例外地由靜止式電力電子變壓變頻裝置所取代了。 變壓變頻裝置從結(jié)構(gòu)上可分為兩類，即間接變壓變頻的所謂交-直-交變壓變頻裝置和直接變壓變頻的所謂交交變壓變頻裝置。,一、交-直-交變壓變頻裝置,1、可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制較方便。但當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，電源端功率因數(shù)較低。而輸出端的三相六拍逆變器，其輸出的諧波較大。 2、不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻 ：多了一個(gè)斬波器，但調(diào)壓時(shí)輸入端功率因數(shù)不變，克服了前裝置的第一個(gè)缺點(diǎn)。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍存在諧波較大的問題。 3、不控整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變

24、器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻：采用不控全波整流，輸入功率因數(shù)不變；采用PWM逆變，則輸出諧波成分可大為減小。,二、交-交變壓變頻裝置,正、反向兩組整流裝置按一定周期相互切換，從而在負(fù)載上獲得交變的輸出電壓u0。u0的幅值取決于各組整裝置的控制角， u0的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。,若在正向整流裝置導(dǎo)通期間不斷地改變其控制角在 0 之間變化，使u0由零變到最大值再變到零，呈正弦規(guī)律變化，得到正半周；在= 處相互切換 ，由反向整流裝置同樣控制得到負(fù)半周，即可得到交變的正弦波電壓。 最高輸出頻率一般不超過輸入電源頻率的1/31/2，一般適用于低速、大容量的調(diào)速設(shè)備，或高轉(zhuǎn)速的燃汽輪機(jī)車。,三、電壓源型

25、變頻器和電流源型變頻器,1、電壓源型變頻器：在交-直-交變壓變頻裝置中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下近似一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波。 2、電流源型變頻器：當(dāng)交-直-交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來說基本上是一個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波。 雖然中間直流環(huán)節(jié)濾波器的形式不同，但作為儲(chǔ)能元件，對(duì)無功能量具有緩沖作用，使它們致影響到交流電源（電網(wǎng)）。,四、逆變器的基本原理,在交-直-交變壓變頻裝置中，整流器一般是不可控的，用半導(dǎo)體二極管組成三相橋式整流電路；逆

26、變器是將直流電逆變成交流電，同時(shí)還對(duì)輸出的交流電進(jìn)行變頻、變壓調(diào)節(jié)，以滿足異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的要求。由此可見，逆變器在交-直-交電力傳動(dòng)系統(tǒng)中起著重要作用。,在每個(gè)周期中，控制各個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，即可得到不同的輸出頻率。在某一瞬間，控制一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，同時(shí)迫使另一個(gè)晶閘管關(guān)斷，在兩管之間實(shí)現(xiàn)換相。按照換相順序的不同，三相橋式逆變器分為180導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型兩種工作方式。,1、任意瞬間都有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通（180導(dǎo)通型）,在同一橋臂上、下兩管之間互相換相、每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期中導(dǎo)通180電角，三相對(duì)應(yīng)元件相差120電角輪流導(dǎo)

27、 。這種導(dǎo)通規(guī)律使VT1VT6各元件每隔60電角輪換導(dǎo)通，在每一時(shí)刻都有三個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通。具體分組順序?yàn)?、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；， 這樣便得到各相電位波形和相電壓波形。,三相逆變器的等效電路及相電壓,若將每一時(shí)刻逆變器各晶閘管元件的開關(guān)情況以一等效（元件開通時(shí)認(rèn)為短路，元件斷開時(shí)認(rèn)為斷路）電路表示，即可計(jì)算出任一時(shí)刻的相、線電壓，從而繪出相、線電壓波形。 例如在060范圍內(nèi)（左1圖）各相電壓：,可見，在每個(gè)周期內(nèi)，相電壓波形由六個(gè)階梯狀波形組成（常稱六階波），常稱這時(shí)逆變器是按矩形波法控制。,,六階波中高次諧波的影響,相電壓為六階波，線電壓為

28、矩形波，都不是正弦波。利用富氏級(jí)數(shù)對(duì)相電壓和線電壓進(jìn)行諧波分析，這種電壓含有5、7、11次等高次諧波，將給電機(jī)的運(yùn)行性能帶來一定的影響。逆變器的負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，屬電感性負(fù)載。當(dāng)逆變器以六階波電壓對(duì)電機(jī)供電時(shí)，其電流波形在負(fù)載電感的作用下將趨于平滑 。當(dāng)頻率較高時(shí)， 電流波形接近正弦波；而在低頻時(shí)，電流波形趨于六階波，高次諧波電流成分較多。,2、任意瞬間有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通（120導(dǎo)通型）,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120，則同一橋臂上的兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間將有60的時(shí)間間隔，這將有利于安全換流。 這種逆變器的換相（或稱換流）是在同一排橋臂左、右兩管之間進(jìn)行的。,五、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器的基本原理,

29、在傳統(tǒng)的交-直-交變壓變調(diào)速系統(tǒng)中為了獲得變頻調(diào)速所要求的電壓頻率協(xié)調(diào)控制，交-直流整流器必須是可控的，且在調(diào)速時(shí)須同時(shí)控制整流器和逆變器，如此就帶來了一系列的問題。主要是：（1）主電路有兩個(gè)須控制的功率環(huán)節(jié)，相對(duì)來說比較復(fù)雜；（2）由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性儲(chǔ)能元件存在，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢；（3）由于整流器為可控的，使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出的頻率的降低（電壓也隨之降低）而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流；（4）逆變器輸出為六階波交流電壓（電流），在交流電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。 1964年，德國的A.Sch

30、onung等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于交流變頻器，用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM逆變器基本上解決了六階波變頻器中存在的問題。,PWM變壓變頻器的主要特點(diǎn),仍然為交-直-交變壓變頻供電系統(tǒng)，只是整流器是不可控的，它的輸出電壓經(jīng)電容濾波（附加小電感限流）后形成基本恒定的直流電壓，加在逆變器上，逆變器的功率開關(guān)器件按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。通過改變矩形脈沖的不同寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。 PWM變壓變頻器的主要特點(diǎn)如下： （1）主電路只有一個(gè)

31、可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)； （2）采用了不可控整流器，使電網(wǎng)（輸入交流電源）的功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無關(guān)； （3）逆變器在調(diào)頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)； （4）可獲得比六階波更接近正弦波的輸出電壓波形，能抑制或消除各次諧波，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍（特別低速區(qū)），提高了系統(tǒng)的性能。,1、正弦脈寬調(diào)制逆變器的基本原理,所謂的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是兩波形每一對(duì)應(yīng)區(qū)間的面積相等。即可以把一個(gè)正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的

32、面積都用與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱作SPWM波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)矩形脈沖波等效。這種正弦波正、負(fù)半周分別用正、負(fù)矩形脈沖等效的SPWM波形稱作單極式SPWM 。,單極式SPWM,根據(jù)面積相等的等效原則 ：,若異步電動(dòng)機(jī)定子繞組為Y聯(lián)結(jié)，其中點(diǎn)O與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn)O相連，因而當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為US/2 。,SPWM的原理,實(shí)用的辦法是引用通訊技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，將所期望的正弦波形作為基

33、準(zhǔn)的調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號(hào)稱為載波。在SPWM中常用等腰三角波作為載波。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變器開關(guān)器件的通斷，即可在逆變器的輸出端得到一組等幅而脈沖寬度正比于正弦函數(shù)值的矩形脈沖。,改變參考電壓的頻率時(shí)，逆變器輸出電壓基波的頻率也隨之改變；改變參考電壓的幅值時(shí)，輸出電壓基波的幅值也改變，從而實(shí)現(xiàn)變頻變壓。,雙極式SPWM,單極式SPWM波形在半周內(nèi)的脈沖電壓只在“正”（或“負(fù)”）和“零”之間變化，主電路每相只有一個(gè)開關(guān)器件反復(fù)通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件交替地通斷，處于互補(bǔ)工作方式，則輸出脈沖就在“正”和“負(fù)”之間變化，從而得到雙極式的SPWM波形。,逆變

34、器輸出的相電壓、相電流波形,六階波與PWM的電壓、電流波形,低頻載波與高頻載波所調(diào)制的PWM電流波形,2、對(duì)脈寬調(diào)制的制約條件,根據(jù)脈寬調(diào)制的特點(diǎn)，逆變器主電路的功率開關(guān)器件在其輸出電壓半周內(nèi)要開關(guān)n次。當(dāng)n越大，脈沖序列波的脈寬i越小時(shí)，SPWM的基波更接近期望的正弦波。但是，功率開關(guān)器件本身的開關(guān)能力是有限的，所以在應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)時(shí)必然要受到一定條件的制約，主要表現(xiàn)在以下兩方面： （1）功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率 各種功率開關(guān)器件的開關(guān)速度和開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)。 （2）調(diào)制度 為保證調(diào)制成的脈沖波的最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間ton，而最小脈沖間歇大于器件的

35、關(guān)斷時(shí)間toff。要求參考電壓信號(hào)的幅值Urm不能超過三角載波的峰值Utm的某百分?jǐn)?shù)。為此，定義Urm與Utm之比為調(diào)制度為： 在理想情況下，M值可在01之間變化，以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。實(shí)際上由于上述的原因，一般取最高的M=0.80.9。,3、同步調(diào)制和異步調(diào)制,定義載波頻率ft與參考調(diào)制波頻率fr之比為載波比N（或稱調(diào)制比），即 在實(shí)行SPWM脈寬調(diào)制時(shí)，載波比N對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作性能很有影響。視載波比N的變化與否，有同步調(diào)制與異步調(diào)制之分。,（1）同步調(diào)制,在同步調(diào)制方式中，N=常數(shù)，變頻時(shí)三角載波的頻率ft與正弦調(diào)制波的頻率fr同步

36、變化，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。若取N等于3的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，并能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差120的對(duì)稱關(guān)系。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖的間距增大，諧波成分會(huì)顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步調(diào)制方式的主要缺點(diǎn)。,（2）異步調(diào)制,在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變參考信號(hào)頻率fr時(shí)保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪音，從而改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。 有

37、利則有弊，異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是3的倍數(shù)，勢(shì)必使逆變器輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出間的對(duì)稱性，將造成電機(jī)工作的不平穩(wěn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可將同步與異步兩種調(diào)制方式結(jié)合起來，成為分段同步的調(diào)制方式。,（3）分段同步調(diào)制,為了楊長避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成為分段同步調(diào)制方式。該調(diào)制方式是把逆變器的整個(gè)變頻范圍劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N恒定（即同步），而對(duì)不同的頻率段取不同的N值，頻率低時(shí)，N值取大些，同時(shí)注意最高開關(guān)頻率的限制，一般大致按等比級(jí)數(shù)安排。,

38、六、由晶閘管構(gòu)成的逆變電路 1、電壓型逆變電路,強(qiáng)迫換流過程,換流過程的波形,麥?zhǔn)想娐返难葑?2、電流型逆變電路及電流波形,強(qiáng)迫換流過程,七、由門極可關(guān)斷晶閘管GTO構(gòu)成的逆變電路,眾所周知普通晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通，門極就失去了控制作用，因而需要較復(fù)雜的輔助換流電路來強(qiáng)迫關(guān)斷。而GTO屬于全控型器件，也稱自關(guān)斷器件，即在其門極上加入極性不同的電流，可使GTO在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)門極加上正信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通；若在處于導(dǎo)通狀態(tài)GTO的門極加上負(fù)信號(hào)，它立即從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)。由于不需要輔助換流電路，所以由GTO構(gòu)成的逆變電路可大為簡(jiǎn)化。,（一）GTO的變頻調(diào)速系統(tǒng),（二）GTO的緩沖吸收

39、電路及保護(hù)問題,GTO一般工作于開關(guān)狀態(tài)，但是它不具備功率晶體管那種良好的關(guān)斷性能，因此，陽極吸收是應(yīng)用中很重要的技術(shù)問題，它將直接影響GTO到能否正常工作。 GTO的吸收電路包括開通電路與關(guān)斷吸收電路。開通吸收電路抑制GTO導(dǎo)通時(shí)的陽極電流上升率di/dt，轉(zhuǎn)移和減小GTO開通期的功耗。關(guān)斷吸收電路限制GTO關(guān)斷時(shí)的重加陽極電壓上升率dv/dt，確保關(guān)斷電流，轉(zhuǎn)移和減小GTO關(guān)斷期的功耗；抑制重加陽極過電壓，防止GTO再次觸發(fā)。,（三）GTO的門極驅(qū)動(dòng)問題,1、門極驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu),2、門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形,八、二點(diǎn)式逆變器和三點(diǎn)式逆變器,三點(diǎn)式逆變器具有以下兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)： 1、二點(diǎn)式

40、逆變器的輸出端電位在Ud/2和Ud/2之間變化，而三點(diǎn)式逆變器在Ud/2和0之間或者0和Ud/2之間變化。這樣，GTO器件的阻斷電壓被限制在輸入端直流電壓的一半。對(duì)于目前在牽引系統(tǒng)廣泛采用的4.5kV的GTO器件，中間直流電壓可提高到3.0kV以上。 2、三點(diǎn)式逆變器的輸出電壓波形比二點(diǎn)式逆變器的波形包含較少的諧波分量。在一個(gè)周期內(nèi)，二點(diǎn)式逆變器電路只有8種狀態(tài)，而三點(diǎn)式逆變器電路中有27種狀態(tài)。因此，這將有利于減少相鄰兩種電路狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時(shí)引起的電壓和電流沖擊。從而有利于降低損耗、提高系統(tǒng)效率，減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。三點(diǎn)式逆變器的缺點(diǎn)在于增加元件數(shù)目和安裝位置。,二點(diǎn)式逆變器與三點(diǎn)式逆變器比較,

41、三點(diǎn)式逆變器的工作原理,三點(diǎn)式逆變器一個(gè)相半橋電路各元件的開關(guān)狀態(tài),第四節(jié) 機(jī)車交流傳動(dòng)控制系統(tǒng),設(shè)異步牽引電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在恒功率曲線上的g點(diǎn)，即供電頻率是f1的異步牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與阻力矩曲線TL1的交點(diǎn)。 如果機(jī)車的阻力矩曲線由TL1變化到TL2，則異步牽引電動(dòng)機(jī)的新的工況點(diǎn)必然落在新的阻力矩曲線TL2與機(jī)械特性曲線的交點(diǎn)g1上，此時(shí)為機(jī)車柴油機(jī)“欠載” 。 功率閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)“增功率”信號(hào) “增頻率”信號(hào)，使電源頻率由f1增加到f”1 ，新的工況點(diǎn)h點(diǎn)正好落在恒功率牽引特性上為止。,控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)過程：,交流傳動(dòng)機(jī)車的控制策略,機(jī)車牽引傳動(dòng)要求在寬廣的速度范圍內(nèi)，對(duì)每個(gè)

42、速度點(diǎn)都能提供合適的力矩值。所以速度和力矩值被認(rèn)為是系統(tǒng)的被調(diào)量，而調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的好壞取決于對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制能力。 交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜、非線性、多變量控制對(duì)象，因此，交流傳動(dòng)不象直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)那樣，有一種標(biāo)準(zhǔn)的控制結(jié)構(gòu)，而是先后開發(fā)出各種各樣的方法。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩生成的物理機(jī)理和數(shù)學(xué)表達(dá)式，除了直接采用轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制外，還可以結(jié)合與轉(zhuǎn)矩相關(guān)的氣隙磁通、轉(zhuǎn)差頻率或定子電流的控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)間接轉(zhuǎn)矩控制。應(yīng)當(dāng)注意的是，無論控制結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，或采用什么樣的反饋環(huán)和反饋量，逆變器只有兩個(gè)控制變量，即電壓和頻率，故一般通稱為VVVF（變壓變頻）逆變器。 目前，在交流傳動(dòng)機(jī)車

43、和動(dòng)車組上，比較普遍采用的電動(dòng)機(jī)控制策略有三種：轉(zhuǎn)差頻率控制、磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。,一、轉(zhuǎn)差頻率控制,目前，在鐵路牽引的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，幾乎都采用脈寬調(diào)制（PWM）逆變器。這種逆變器特點(diǎn)在于，當(dāng)控制系統(tǒng)給定電壓U1和頻率f1時(shí)，PWM逆變器的輸出總是能保證電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通1U1/f1接近于恒值，這就自動(dòng)滿足了關(guān)于恒磁通控制的要求，從而近似地使轉(zhuǎn)矩Tf2。只要控制轉(zhuǎn)差頻率f2不變，就可保持轉(zhuǎn)矩T恒定，以滿足機(jī)車起動(dòng)和加速牽引力恒定的要求。當(dāng)f1達(dá)到一定值后，U1保持不變，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入磁場(chǎng)削弱狀態(tài)，如果合適地控制f2隨f1的變化規(guī)律，就能夠使電動(dòng)機(jī)在每個(gè)速度點(diǎn)發(fā)出所要求的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)車

44、恒功率運(yùn)行。的變化規(guī)律，就能夠使電動(dòng)機(jī)在每個(gè)速度點(diǎn)發(fā)出所要求的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)車恒功率運(yùn)行。,交流傳動(dòng)機(jī)車的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)實(shí)例,二、矢量控制 1、異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖和等效直流電機(jī)模型,在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流IA、IB、IC通過三相/兩相（3/2）變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流i1、i1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)變換（VR），可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流im1、it1。如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī) ，原交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通2就是等效直流電機(jī)的磁通，im1相當(dāng)于勵(lì)磁電流，it1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。,圖656 異步電機(jī)的

45、坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相兩相變換；VR同步旋轉(zhuǎn)變換；M軸與a軸（A軸）夾角。,2、矢量控制系統(tǒng)的基本概念,既然異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換，就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以其控制系統(tǒng)稱矢量控制系統(tǒng)。圖中虛線框內(nèi)的部分可以完全抵消，剩下的部分就和直流調(diào)速系統(tǒng)非常相似了?？梢韵胂螅噶靠刂平涣髯儔鹤冾l調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能應(yīng)該完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。,三、內(nèi)燃機(jī)車交-直-交傳動(dòng)控制,在內(nèi)燃機(jī)車上對(duì)柴油機(jī)按額定功率或部分功率最佳化進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速恒功率控制，交流傳動(dòng)控制系

46、統(tǒng)須與之相配合。因此，內(nèi)燃機(jī)車交-直-交傳動(dòng)控制系統(tǒng)是集柴油機(jī)控制和交流傳動(dòng)控制為一體的機(jī)車牽引控制系統(tǒng)。 而在常用的電壓型交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)司機(jī)手柄位一定時(shí)，中間直流回路電壓恒定，不可能象交-直流傳動(dòng)那樣通過調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流達(dá)到恒功率運(yùn)行，而是通過牽引逆變器對(duì)異步牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行。只有當(dāng)司機(jī)手柄位改變時(shí)，中間直流回路電壓才得以改變，即隨著手柄位的提高而上升，反之則降低。因此，每個(gè)手柄位在低速區(qū)的恒力矩運(yùn)行，是通過對(duì)牽引逆變器進(jìn)行PWM變壓變頻控制來實(shí)現(xiàn)的。,（一）采用聯(lián)合調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng),（二）NJ1型交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車控制系統(tǒng),交流傳動(dòng)矢量控制系統(tǒng),