第一章：牵引传动装置与技术

1、1 牵引传动控制技术牵引传动控制技术第一章列车电气装备与系统2交流调速技术交流调速技术交流传动技术发展电力传动系统的分类变频调速异步电机的控制方式交流传动系统的控制技术3一、交流传动技术发展 电力传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中。 执行机构由直流电动机驱动，则称为直流电气传动系统，执行机构由交流电动机驱动，则称为交流电气传动系统 根据负载对象的运行要求，电气传动可分为恒速系统和调速系统4 20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法； 60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调速技术成为电动机调速的发展

2、方向； 70年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约能源成为人们关注的问题；许多过去不调速的传动装置，如风机、水泵等，也都采用了调速传动；5 90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技术性能。 目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统，大举进入电气传动调速控制的各个领域。6二、电力传动系统的分类二、电力传动系统的分类 直-直传动系统 交-直传动系统 直-交传动系统 交-交传动系统 交-直-交传动系统7 直直-直传动系统直传动系统 工作

3、原理：直流斩波实现直流电压调节 在地铁机车、工矿机车等传动系统中采用可调节直流电压直流电网斩波器恒定电压8 交交-直传动系统直传动系统 工作原理：整流器实现AC-DC变换并调节电压 在干线电力机车及内燃机车中采用可调节直流电压交流电网整流器恒定电压9 直直-交传动系统交传动系统 工作原理：逆变器实现DC-AC变换并调节电压 在干线电力机车及内燃机车中采用频率电压可调的三相交流电直流电网逆变器恒定电压10 交交-交传动系统交传动系统 工作原理：变流器将频率电压恒定的三相交流电 变换成频率电压可调的三相交流电 在低频交流传动系统中如轧钢等交流电网变流器频率电压可调的三相交流电频率电压恒定的三相交流

4、电11 交交-直直-交传动系统交传动系统 工作原理：将频率电压恒定的三相交流电变换成直流电，再将直流电变换成频率电压可调的三相交流电 广泛用于交通、工业、能源交流电网变流器频率电压可调的三相交流电频率电压恒定的三相交流电12三、交直传动系统（韶山型电力机车）三、交直传动系统（韶山型电力机车）组成：主整流装置直流（脉流）牵引电机组成：主整流装置直流（脉流）牵引电机13 静止部分（定子）静止部分（定子） 主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电刷装置等 旋转部分（转子、电枢）旋转部分（转子、电枢） 电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等14151617181920 速度调节方法：速度调节方法： 、调节电枢

5、电压、调节电枢电压 、调节电枢电流、调节电枢电流 、调节励磁电流、调节励磁电流eKIRUn21SS7E型电力机车整流调压电路原理图2223 直流电机换向、制动及在韶山机车上的应用：直流电机换向、制动及在韶山机车上的应用：24四、交直交传动系统（交流传动电力机车及动四、交直交传动系统（交流传动电力机车及动车组）车组）组成：牵引变流器三相异步牵引电动机组成：牵引变流器三相异步牵引电动机交流电机：同步、异步交流电机：同步、异步异步：绕线式、鼠笼式异步：绕线式、鼠笼式25牵引传动系统牵引传动系统牵引高压设备高压设备牵引变流牵引变流牵引驱动牵引驱动高压电器高压电器主变压器主变压器四象限四象限中间电压中间

6、电压过压保护过压保护牵引逆变器牵引逆变器牵引电机牵引电机齿轮箱齿轮箱车轮车轮网侧变流控制器网侧变流控制器电机侧变流控制器电机侧变流控制器车辆控制车辆控制接触网受电弓主变压器变流器牵引电机钢 轨牵引系统关系链再生26异步电机外形图 异步电机结构图转子转子 定子定子 风扇风扇 冷空气流冷空气流 罩罩 壳（非驱动端）壳（非驱动端） 端盖（驱动端）端盖（驱动端）27三相异步电动机的结构：三相异步电动机的结构： 定子：定子： 1）定子铁心；）定子铁心； 2）定子绕组；）定子绕组； 3）机座；）机座； 转子：转子： 1）转子铁心；）转子铁心； 2）转子绕组）转子绕组 （笼型笼型绕组、绕线型绕组）；绕组、绕

7、线型绕组）； 3）转轴；）转轴； 端盖端盖 气隙气隙28(1) 定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。29 定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、形成磁场，实现机电能量转换。 机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。 30(2) 转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。 转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。 转轴：整个转子部件的安装基

8、础，又是力和机械功率的传输部件，整个转子依靠转轴和轴承被支撑在定子铁芯内腔内 .31转子铁心槽形绕线式转子槽形单鼠笼转子槽形双鼠笼转子槽形32 笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。可用铜条加铜端环制成；也可用铝浇铸的。对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。3333 绕线型绕组： 与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其

9、转速。 34三相绕线型异步电动机的结构35（3）端盖 转轴两端通过轴承和端盖固定起来。 (4) 气隙 定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性能影响很大。 为减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。 中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.21.5mm。36牵引电机采用三相鼠笼式异步电机的优越性：牵引电机采用三相鼠笼式异步电机的优越性： 结构简单 粘着性好 功率大，牵引力大 可靠性好，维修简单 动力性能、制动性能好 功率因数高，谐波干扰小37 异步电动机转动的一般原理是基于法拉第电磁感应定律和载流导体在磁场中会受到电磁力的作用这

10、两个基本因素。 用一个简单的试验观察三相异步电动机的工作原理：当摇动磁铁时，笼形转子跟随转动；如果摇把方向发生改变，笼形转子方向也会发生变化。故可得出如下结论：旋转磁场可拖动笼形转子转动。异步电机的工作原理38 三相异步电动机工作原理 定子加电源 定子电流 旋转磁通势 气隙磁场 转子感应电动势 转子电流 和气隙磁场相互作用 电磁转矩 电动机转动起来sUsIFmBrErIemT39异步电动机模型异步电动机模型1sU sI )(1nFmBrE rI emTrI )(1nn 40 机械负载机械负载 旋转起来旋转起来对称三相绕组对称三相绕组 通入对称三相电流通入对称三相电流 旋转磁场旋转磁场 （磁场能

11、量）（磁场能量） 磁感线切割磁感线切割 转子绕组转子绕组 转子绕组中转子绕组中 产生产生 e 和和 i 转子绕组在磁场中转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用受到电磁力的作用 转子旋转起来转子旋转起来 三相三相 交流交流 电能电能电磁电磁 转矩转矩感感 应应41同步转速n1-定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。 转子转速n 转子的机械转速。 pfn116011nnns转差率s -同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值 异步电机的转差率异步电机

12、的转差率42电磁制动状态电磁制动状态电动机状态电动机状态发电机状态发电机状态s11s0s0n00nn1 异步电机只有定子侧是外加电源的，转子侧的电动势和电流，均是由气隙旋转磁场感应产生的，因此称作为“感应电机”，而这一感应作用，只有在转子与气隙旋转磁场不同步，即“异步”转差率s不等于0的情况下，才可以产生，因此“感应电机”又称作“异步电机”。43异步电动机调速方法异步电动机调速方法)1 (60)1 (1spfsnn变极调速变极调速改变转差率调速改变转差率调速变频调速变频调速44 变极调速：有级的 变转差调速：不能改变电动机的同步速度，调速范围有限，损耗大，效率低 变频调速：效率高，调速范围广，

13、调节精度高，目前应用最广泛，最有市场前景。45 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。电机。 因此，在调频调速时，需要同时改变加在因此，在调频调速时，需要同时改变加在电机上的电压（）电机上的电压（）

14、46 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美，因此现在应用面很广。47定子每相电动势mNs1g44. 4SkNfE （3-1） 式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsm变频调速异步电机的控制方式48 由式（3-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和

15、基频以上两种情况。 491. 基频以下调速基频以下调速 由式（3-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 （3-2） 即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 50 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（3-3） 这是恒压频比的控制方式。常值1fUs51 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补近似地补偿定子压降偿定

16、子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 52OUsf 1恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 U1/f =常数近似的机械特性：常数近似的机械特性：Tmaxnf11f12f130Tf14U1/f=常数补偿后fU1补偿补偿054 若把电压-频率控制中的电压Us相对地再提高一些，把转子漏抗上的压降抵消，就得到恒转子全磁通控制，此状态下电动机特性最好，是高性能交流调速系统的目标，它的控制实现可用矢量控制。552. 基频以上调速基频以上调速 在基频以

17、上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 机械特性情况的分析机械特性情况的分析：22122211232()emRpUsTfRRXXs2222121121mRRsfXXRXX 2211max22221211123311442 ()UUpfpTffLLfRRXX 机械特性：机械特性：nf11=fNf12f130Tf14f14f13f12f1158f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性异步电机变压变

18、频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O59 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。60 交流调速传动系统中的电力变换器，无论是电源侧的变流器还是电机侧的变流器都是开关电路，电路中开关元件的周期性通断，破坏了交流电压、电流的连续性和正弦性。 电压电流中高次谐波 严重危害交流电网 恶化电机运行性能 消除谐波含量的有效方法电力变换器采用脉宽调制脉宽调制(

19、PWM)技术技术交流传动系统的控制技术61正弦波脉宽调制(SPWM)技术1. PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。62PWM调制原理63 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal p

20、ulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 642. SPWM控制方式控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。65 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路 VT1VT2VT3VT466图6-5urucuOtOtuouof

21、uoUd- Ud（1）单极性PWM控制方式67（2）双极性）双极性PWM控制方式控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud683. PWM控制电路控制电路 模拟电子电路模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器和比较采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的器来实现上述的SPWM控制；控制； 数字控制电路数字控制电路 硬件电路； 软件实现。69 模拟电子电路模拟电子电路70 数字控制电路数字控制电路 自然采样法自然采样法只是把同样的方法数字化，只是把同样的方法数字化， 自自然采样法的运算比较复杂；然采样法的运算比较复杂； 规则采样法规则采样法在工程上更实用的简化方法

22、，在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。71（1）自然采样法原理）自然采样法原理72（2）规则采样法）规则采样法 图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB2273规则采样法原理规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化应的三角波中

23、点为对称，使计算大为简化74在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得对正弦信号波采样得D点，过点，过 D作水平直线和三角波分别交于作水平直线和三角波分别交于A、B点，在点，在A点时刻点时刻 tA和和B点时刻点时刻 tB控制开关器件控制开关器件的通断的通断脉冲宽度脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近常接近75规则采样法原理规则采样法原理正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M 称为称为调制度，0 a 1； r为信号波角频为信号波角频率。从图中可得率。从图中可得 2/22/sin1cDrTtMtMurrsin76因此可得因此可得 三角

24、波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1 (421DrcctMTT)sin1 (2DrctMT77 根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：波形，具体实现方法有： 查表法查表法可以先离线计算出相应的脉宽可以先离线计算出相应的脉宽d 等等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。间和间隙时间。78 实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函数和

25、事先在内存中存放正弦函数和Tc /2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的出相应的Tc /2值，由计算公式计算脉宽时间和间值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。隙时间。79 由于由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带出多种带PWM信号输出口的电机控制用的信号输出口

26、的电机控制用的8位、位、16位微机芯片和位微机芯片和DSP。 804. PWM调制方法调制方法 载波比载波频率载波频率 fc与调制信号频率与调制信号频率 fr 之比之比N，既既 N = fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。81（1）异步调制）异步调制 异步调制载波信号和调制信号不同步的载波信号和调制信号不同步的调制方式。调制方式。通常保持通常保持 fc 固定不变，当固定不变，当 fr 变化时，载波比变化时，载波比 N 是变化的；是变化的；在信号波的半周期内，在

27、信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；周期的脉冲也不对称；82当当 fr 较低时，较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；脉冲不对称产生的不利影响都较小；当当 fr 增高时，增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减减小，一周期内的脉冲数减少，少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。脉冲不对称的影响就变大。83（2）同步调制）同步调制 同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和等于常数，并在变频时使载

28、波和信号波保持同步。信号波保持同步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr 变化时变化时N不变，信号波一不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为为3的的整数倍，使三相输出对称；整数倍，使三相输出对称；84为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N应取奇应取奇数；数；fr 很低时，很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易也很低，由调制带来的谐波不易滤除；滤除；fr 很高时，很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。85同步调制三相同步调制三相PWM波

29、形波形 ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud86（3）分段同步调制）分段同步调制把把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段恒定，不同频段N不同；不同；在在 fr 高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过，使载波频率不致过高；高；在在 fr 低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过，使载波频率不致过低；低；87 分段同步调制方式分段同步调制方式00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /

30、kHz88（4）混合调制）混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高频输可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。结合起来，和分段同步方式效果接近。895. PWM逆变器主电路及输出波形逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT290三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 uuUNOtOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud291 上图为三相上图为三相PWM波形，其中波形，其中 urU 、urV 、urW为为U，V，W三相的正弦调制波，三相的正弦调制波， uc为双为双极性三角载波；极性三角载波； uUN 、uVN 、uWN 为为U，V，W三相输出与电源中性点三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；之间的相电压矩形波形； uUV为输