大功率交流传动机车的关键技术

1、1郭世明郭世明 l西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院l2009年年11月月2l1 1交流传动的优点交流传动的优点l2 2国内外交流传动的发展概况国内外交流传动的发展概况 l3 3和谐型大功率交流传动机车和谐型大功率交流传动机车l4 4大功率交流传动机车的关键技术大功率交流传动机车的关键技术 3l交流传动机车所以成为现代机车发展的方交流传动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由其所具有的特点和优点所决定向，正是由其所具有的特点和优点所决定的。的。l和传统的直流传动相比，交流传动系统的和传统的直流传动相比，交流传动系统的优越之处表现在功率因数、粘着、维修、优越之处表现在功率因数、粘着

2、、维修、效率、重量尺寸、效率、重量尺寸、动力性能、制动性能动力性能、制动性能等等诸多方面。诸多方面。 4l1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就有很大的变化。 2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。 5l1992年美国铁路协会（年美国铁路协会（AAR）在向四家机车）在向四家机车制造厂提出的制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书台交流传动机车

3、投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数中提出的粘着指标是：起动粘着系数45%，全天候牵引粘着系数是全天候牵引粘着系数是32%（GE公司在交公司在交直传动机车上，采用粘着控制装置后，全天直传动机车上，采用粘着控制装置后，全天候粘着系数是候粘着系数是0.250.30）。）。l如此之高的粘着利用，正是针对交流机传动如此之高的粘着利用，正是针对交流机传动机车所具有的良好的粘着控制而提出的，这机车所具有的良好的粘着控制而提出的，这对于交对于交直传动系统是不可想象的。直传动系统是不可想象的。l德国四轴德国四轴120型机车，可满足以往六轴机车的型机车，可满足以往六轴机车的全部要求。全部要求。 6l 这个

4、概念是指在其它条件大致相同的前提这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。以装更大功率的异步电动机。 l如加拿大改造的如加拿大改造的CP4744号机车，在给定的号机车，在给定的设计空间条件下，直流电动机的功率大约设计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制在被限制在600700kW/轴。装用轴。装用BBC6FRA40B异步牵引电动机，其功率可异步牵引电动机，其功率可达达1500kW/轴以上。轴以上。 7lND5型交直流传动机车和型交直流传动机车和SD60MAC交流传交流传动机车的牵引力情况：动机车的牵引力

5、情况：lND5机车的柴油机的标定功率为机车的柴油机的标定功率为2940kW，起，起动牵引力为动牵引力为533.6kN，持续速度为，持续速度为22.2km/h时时的持续牵引力为的持续牵引力为359.8kN；lSD60MAC机车的柴油机的标定功率为机车的柴油机的标定功率为2835kW，起动牵引力为，起动牵引力为781kN，持续速度为，持续速度为20.5km/h时的持续牵引力为时的持续牵引力为521kN。l后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵引力都高出引力都高出45%。 8l直流电动机为直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为，同步电动机为0.5kW/kg

6、，异步电动机为，异步电动机为0.68kW/kg。l随着科技的发展，异步电动机的单位重量随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。功率将越来越高。l如日本新干线如日本新干线300系列原型试验车，所采用系列原型试验车，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到的交流异步牵引电动机其功率达到300kW，而其重量不足而其重量不足400kg，单位重量功率可达，单位重量功率可达0.75kW/kg。9l交流异步电动机无换向器、无电刷装置；交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘性能好；全部电气部件所用绝缘材料防尘性能好；全部电气部件

7、所用绝缘材料均为均为H级或级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。级，绝缘性能好，耐热性能好。l控制装置是模块结构，故障率也很低，驱控制装置是模块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。机械卡滞等问题。 10l交流传动系统的总效率约为交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传，而交直流传动系统的总效率约为动系统的总效率约为0.86。E120交流传动机车交流传动机车在长期应用对比中发现

8、，客运作业时可节能在长期应用对比中发现，客运作业时可节能36%，货运作业时可节能，货运作业时可节能810%。l由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，相比，BBC交流传动机车的利用率提高了交流传动机车的利用率提高了10%。 交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。客运高速度的要求。 11l异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用异步电动机结构

9、紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。曲线通过能力，对轨面的冲击力小。l可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。可以制动到零，制动功率大。l一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。12l交交-直直-交电力机车采用四象限控制器作为机交电力机车采用四象限控制器作为机车电源侧的变流器，可以在广泛的负荷范围车电源侧的变流器，可以在广泛的负荷范围内保持功率因素接近内保持功率因素接近 1，电流的波形接近于，电流的波形接近于正弦

10、波，而且在再生制动时也是如此。正弦波，而且在再生制动时也是如此。l这样不仅降低了电网损耗而且在再生制动时这样不仅降低了电网损耗而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对信号和通信系统的干扰。信号和通信系统的干扰。 13l1971年德国年德国Henschel公司和公司和BBC公司首先开公司首先开发出发出DE2500型交流传动内燃机车，功率为型交流传动内燃机车，功率为1840kW，从此开始了现代交流机车的时代。，从此开始了现代交流机车的时代。l自自1970年起，交流传动机车的产量逐年增加。年起，交流传动机车的产量逐年增加。以以DE2500型机车为先

11、驱的交流传动机车可型机车为先驱的交流传动机车可视为第一代交流传动机车。受当时技术发展视为第一代交流传动机车。受当时技术发展的限制，主电路开关元件采用的是关断速度的限制，主电路开关元件采用的是关断速度较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采用微机。用微机。14l1989年年ABB公司开发出采用公司开发出采用GTO晶闸管逆变器的晶闸管逆变器的第二代交流传动的第二代交流传动的DE1024型内燃机车（型内燃机车（1987年世年世界上出现第一台应用界上出现第一台应用GTO元件的交流机车元件的交流机车3200kW的的Re4/4型机车，应用型机车，应用GTO元件的交流机元

12、件的交流机车称为第二代交流传动机车）；车称为第二代交流传动机车）；l1996年年11月，德国月，德国Adtranz公司和美国公司和美国GE公司合公司合作开发出第一台作开发出第一台“蓝虎蓝虎”系列交流传动内燃机车，系列交流传动内燃机车，功率范围从功率范围从1640kW到到3280kW，货运机车最高速，货运机车最高速度为度为120km/h，客运机车最高速度为，客运机车最高速度为200km/h和和240km/h。15l从从80年代中期开始，美国年代中期开始，美国GM公司便与德国西门子公司便与德国西门子公司合作，共同开发新一代交流传动大功率内燃机公司合作，共同开发新一代交流传动大功率内燃机车。车。19

13、93年美国伯灵顿北方圣菲铁路（年美国伯灵顿北方圣菲铁路（BNSF）一）一次就向次就向GM公司订购公司订购350台台4000英制马力的英制马力的SD70MAC型交流传动内燃机车。型交流传动内燃机车。l这种新型交流传动内燃机车显示出了良好的技术经这种新型交流传动内燃机车显示出了良好的技术经济性能，又适应了美国各大铁路公司机车老化而将济性能，又适应了美国各大铁路公司机车老化而将更新换代的需要。对更新换代的需要。对GM公司大批交流传动内燃机公司大批交流传动内燃机车的订货，刺激并推动了车的订货，刺激并推动了GE公司加速开发自己的大公司加速开发自己的大功率交流传动内燃机车。至目前，功率交流传动内燃机车。至

14、目前，GM和和GE公司的公司的大功率交流传动内燃机车的订货总数估计已超过大功率交流传动内燃机车的订货总数估计已超过3000台。台。16l我国交流传动技术的研究始于我国交流传动技术的研究始于70年代初，可年代初，可以说起步不晚，但国际上以说起步不晚，但国际上80年代初交流传动年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。因机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。因此铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传此铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要跟在别人后面先动不要跟在别人后面先KK，后，后GTO，再，再IGBT一步一步地走老路绕弯子，应跨过一步一步地走老路绕弯子，应跨过GTO阶段，直接发展阶段，

15、直接发展IGBT技术，缩短我国技术，缩短我国与国际上当今先进技术的差距。与国际上当今先进技术的差距。 17l到到90年代我国由株洲电力机车研究所和铁年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制的，功率达道部科学研究院共同研制的，功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功。的电力牵引交流传动系统获得成功。l在此基础上，由株洲电力机车厂、株洲电在此基础上，由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所于力机车研究所于1996年共同研制的年共同研制的4轴轴4000kW，我国第一台交流传动电力机车，我国第一台交流传动电力机车（原形车）诞生。（原形车）诞生。l以以AC4000命名的交流传动机车的研

16、制，标命名的交流传动机车的研制，标志着我国电力机车进入交流传动时代。志着我国电力机车进入交流传动时代。 18l世纪之交的世纪之交的2000年是我国交流传动电力机车年是我国交流传动电力机车取得卓越成果的一年。取得卓越成果的一年。l这一年可供商用的大功率交流传动电力机车这一年可供商用的大功率交流传动电力机车研制成功，标志着我国交流传动电力机车的研制成功，标志着我国交流传动电力机车的工程化进入新的阶段。工程化进入新的阶段。l2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大、技术最先进、达到国际先进水平的率最大、技术最先进、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车交

17、流传动高速客运电力机车“熊猫号熊猫号”和高和高速动车组动力车速动车组动力车“蓝箭号蓝箭号”的诞生，标志着的诞生，标志着我国铁路机车进入现代高科技领域我国铁路机车进入现代高科技领域。 19l1999年年9月我国首台交流传动内燃机车月我国首台交流传动内燃机车“捷捷力型力型”调车内燃机车研制成功；调车内燃机车研制成功；l2000年年6月由大连机车车辆厂和西门子公司月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的合作研制生产的DF4DAC型交流传动内燃型交流传动内燃机车落成，该机车为客货运两用，它的研机车落成，该机车为客货运两用，它的研制成功标志着我国大功率内燃机车跨入了制成功标志着我国大功率内燃机车跨入

18、了将全面实现交流化的新时代。将全面实现交流化的新时代。l机车设计轴重为机车设计轴重为233%，计算整备重量为，计算整备重量为1383%t，机车的最大速度为，机车的最大速度为14.5km/h，持续速度为持续速度为19.9km/h，起动牵引力为，起动牵引力为444N，轮周功率为轮周功率为2460kW，轮周制动功率为，轮周制动功率为2850kW。 20l 现代机车现代机车 传统机车传统机车l1. 传动方式传动方式 交流传动交流传动 直流传动直流传动l2. 变流系统变流系统 采用采用IGBT器件的器件的 晶闸管相控整流器晶闸管相控整流器l 四象限变流器四象限变流器+l 电机逆变器电机逆变器l3. 牵引

19、电机牵引电机 三相交流异步电机三相交流异步电机 直流电机直流电机l 制造简单制造简单,坚固耐用坚固耐用 制造复杂制造复杂,费工费料费工费料l 无机械换向器无机械换向器 机械换向器机械换向器l -消除环火故障消除环火故障 -运用中易发生环火运用中易发生环火l -起动时无烧损起动时无烧损 -起动时可能发生烧损起动时可能发生烧损l -无电刷维修无电刷维修 -需要维修电刷需要维修电刷l -接地故障大大减少接地故障大大减少 - 接地故障较多接地故障较多l 鼠笼转子鼠笼转子,消除绝缘故障消除绝缘故障 转子带绝缘绕组转子带绝缘绕组21l 现代机车现代机车 传统机车传统机车l4. 控制系统控制系统 车载计算机

20、网络车载计算机网络 模拟模拟-数字混合控制数字混合控制l 完善的自诊断系统完善的自诊断系统 初级水平的故障检测初级水平的故障检测l5. 网侧性能网侧性能 cos=1 cos=0.9l6. 电制动性能电制动性能 再生制动再生制动 电阻制动电阻制动l 主电路结构不变主电路结构不变 主电路结构改变主电路结构改变l 牵引牵引-再生制动平滑转换再生制动平滑转换l 能量反馈电网能量反馈电网 能量消耗在电阻上能量消耗在电阻上l 制动力大制动力大,且可制停且可制停 制动力线性下降制动力线性下降l 制动功率与牵引功率相同制动功率与牵引功率相同2223l概述概述lHXD1型交流传动电力机车是由株洲电力机车有型交流

21、传动电力机车是由株洲电力机车有l限公司与德国西门子公司在限公司与德国西门子公司在EuroSprinter（欧洲（欧洲l短跑者）机车技术平台上联合研发的新型大功率短跑者）机车技术平台上联合研发的新型大功率l交流传动交流传动8轴货运机车，主要用于铁路专线（大轴货运机车，主要用于铁路专线（大l秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有l功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率l高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦线铁路高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦线铁路l煤炭运输的需要。煤炭运输的需要。24252627282

22、93031lHXD2型交流传动电力机车是由大同电力机车有限公司与法国阿尔斯通公司在PRIMA机车技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8轴货运机车，主要用于铁路专线（大秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦线铁路煤炭运输的需要。3233343536373839l概述概述lHXD3型交流传动电力机车是由大连机车车辆型交流传动电力机车是由大连机车车辆l有限公司与日本东芝公司联合研发的新型有限公司与日本东芝公司联合研发的新型l大功率大功率6轴货运机车，主要用于铁路干线牵轴货运机车，主要用于铁路干线牵l引重载列车和快捷货

23、物列车，具有功率引重载列车和快捷货物列车，具有功率l大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效l率高、能源消耗低等特点，可满足我国铁率高、能源消耗低等特点，可满足我国铁l路重载、快捷货物运输的需要。路重载、快捷货物运输的需要。40l（1）电传动系统采用下悬安装方式的多绕组变压器，）电传动系统采用下悬安装方式的多绕组变压器，lIGBT水冷变流机组，水冷变流机组，1250kW异步牵引电动机。机车具有异步牵引电动机。机车具有l起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点；功率因数高等特点；l（2

24、）辅助电气系统采用）辅助电气系统采用2组辅助变流器，分别提供组辅助变流器，分别提供VVVF和和lCVCF三相辅助电源。对辅助机组进行分类供电，系统冗余三相辅助电源。对辅助机组进行分类供电，系统冗余性强，一组辅助变流器发生故障后可以由另一组辅助变流器性强，一组辅助变流器发生故障后可以由另一组辅助变流器采用采用CVCF方式对一台压缩机及其它辅助机组供电；方式对一台压缩机及其它辅助机组供电；l（3）采用微机网络控制系统，实现了机车特性控制、逻辑控）采用微机网络控制系统，实现了机车特性控制、逻辑控制、自诊断功能和机车的网络重联功能，并具有信息储存和制、自诊断功能和机车的网络重联功能，并具有信息储存和转

25、储功能；转储功能；41l（4）总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气）总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气系统与空气系统分布布局。采用了规范化司机室的设计理系统与空气系统分布布局。采用了规范化司机室的设计理念；念；l（5）采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利）采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利于提高机车车体的强度和刚度；于提高机车车体的强度和刚度；l（6）转向架二系支承采用高圆螺旋弹簧，牵引电机采用滚）转向架二系支承采用高圆螺旋弹簧，牵引电机采用滚动抱轴承半悬挂结构，采用轮盘制动、整体轴箱及低位牵动抱轴承半悬挂结构，采用轮盘制动、整体轴箱及低位牵等技术；

26、等技术；l（7）采用独立通风冷却技术；）采用独立通风冷却技术；l（8）采用了克诺尔集成化的空气制动系统，在司机室具有）采用了克诺尔集成化的空气制动系统，在司机室具有制动系统显示、故障查询和故障存储功能制动系统显示、故障查询和故障存储功能42434445464748l1、大功率电力电子变换技术l 牵引变流器l2、计算机控制技术l 网络控制、矢量控制、直接转矩控制49l电力电子变换技术是应用电力电子器件对电力电子变换技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电能进行变换和控制的技术。l（1 1）电能变换包括：）电能变换包括：l交流直流交流直流(AC(ACDC)DC)的变换（整流）的变换（整

27、流）l直流交流直流交流(DC(DCAC)AC)变换（逆变）变换（逆变）l交流直流交流（交直交系统）交流直流交流（交直交系统）l（2 2）控制则包括：）控制则包括：l对电能传送流动方向的控制；对电能传送流动方向的控制；l对电能质量指标的控制，包括电量的大对电能质量指标的控制，包括电量的大小、频率、波形和相位等。小、频率、波形和相位等。5051l门极可关断晶闸管又称为可关断晶闸管，简称门极可关断晶闸管又称为可关断晶闸管，简称 GTO（Gate Ture-Off Thyristor），它与普通晶闸），它与普通晶闸管相比，属于管相比，属于“全控型全控型”器件或器件或“自关断自关断”器件，器件，它既可控

28、制自身的开通，又可控制自身的关断。它既可控制自身的开通，又可控制自身的关断。l 主电路元件少，结构简单。主电路元件少，结构简单。l 装置小巧轻便。装置小巧轻便。l 因换流属于脉冲换流，所以无噪声。因换流属于脉冲换流，所以无噪声。l 不需要安装强迫换流装置，减少了损耗，所以不需要安装强迫换流装置，减少了损耗，所以 GTOGTO 装置的使用效率高。装置的使用效率高。l 易实现脉宽调制，因此可改善输出波形。易实现脉宽调制，因此可改善输出波形。 52lIGBTIGBT是是 MOSFETMOSFET 和和 GTRGTR的复合，其特点是：的复合，其特点是：l IGBTIGBT 的开关速度高，开关损耗小。的

29、开关速度高，开关损耗小。l 在相同电压、电流定额的情况下，在相同电压、电流定额的情况下，IGBTIGBT 的安全工的安全工作区域比作区域比 GTRGTR 大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。l IGBTIGBT 的通态压降在的通态压降在 1/21/2 或或 1/31/3 额定电流以下区段额定电流以下区段具有负的温度系数，而在其以上区段则具有正的温度具有负的温度系数，而在其以上区段则具有正的温度系数。而且通态压降比电力系数。而且通态压降比电力 MOSFETMOSFET 低。低。l IGBTIGBT 的输入阻抗高。的输入阻抗高。l 与电力与电力 MOSFETMOSF

30、ET 和和 GTRGTR 相比，相比，IGBTIGBT 的耐高电压和大的耐高电压和大电流值还可进一步提高，并保持开关频率高的特点。电流值还可进一步提高，并保持开关频率高的特点。53l（a）基本结构 （b）图形符号l图 2.24 IGBT的基本结构和符号 54l（a）转移特性 （b）输出特性l图2.25 IGBT2.25 IGBT的静态特性55lIGBTIGBT 的开关过程56l最大集电极电流是为最大集电极电流是为了了IGBT 能够避免动态能够避免动态擎住效应而确定的；擎住效应而确定的；l最大集射极电压是由最大集射极电压是由 IGBT 中中 PNP晶体管的晶体管的击穿电压所确定的；击穿电压所确定

31、的；l最大功耗则由最大功耗则由IGBT 的的最高允许结温决定。最高允许结温决定。lIGBT 的导通时间越长，的导通时间越长，则发热越严重，因而正则发热越严重，因而正向偏置安全工作区越窄。向偏置安全工作区越窄。 57l1、两电平l2、三电平585960l1、SPWM控制控制l2、矢量控制、矢量控制l3、直接转矩控制、直接转矩控制61l矢量变换控制的基本思路是以产生同样的旋矢量变换控制的基本思路是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系。从而可以按直流

32、直流电流之间的等效关系。从而可以按直流电动机的控制规律来控制交流电动机。电动机的控制规律来控制交流电动机。l矢量变换控制的基本想法是要把交流电动机矢量变换控制的基本想法是要把交流电动机模拟成与直流电动机相似模拟成与直流电动机相似,能够像直流电动机能够像直流电动机一样来进行控制。一样来进行控制。 62 M=CM=CM MIIa a 气隙磁通气隙磁通正比于直流励磁电流正比于直流励磁电流i if f，且，且气隙磁通气隙磁通与电枢电流与电枢电流iaia互成直角坐标关系，互成直角坐标关系，并为两个独立变量，互不相关。这样，可以并为两个独立变量，互不相关。这样，可以方便地分别调节电枢电流方便地分别调节电枢

33、电流i ia a和励磁电和励磁电i if f，进行，进行转矩、转速控制，这就是直流电动机调速性转矩、转速控制，这就是直流电动机调速性能优越的控制特点。能优越的控制特点。63(1)(1)定子通三相正弦对称交流电时产生一个定子通三相正弦对称交流电时产生一个随着时间和空间都在变化的旋转磁场。随着时间和空间都在变化的旋转磁场。 (2)(2)转子磁势和旋转磁场之间不存在垂直关转子磁势和旋转磁场之间不存在垂直关系。系。(3)(3)异步电动机转子是短路的，只能在定子异步电动机转子是短路的，只能在定子方面调节电流，组成定子电流的两个成方面调节电流，组成定子电流的两个成分分励磁电流和工作电流都在变化，因励磁电流

34、和工作电流都在变化，因为存在非线性关系，因此对这两部分电流为存在非线性关系，因此对这两部分电流不可能分别调节和控制。不可能分别调节和控制。64l 可见异步电动机所以调速性能差，就是它不可见异步电动机所以调速性能差，就是它不具备直流电机优异调速性能的三个条件，如具备直流电机优异调速性能的三个条件，如果在控制上想办法能达到那些要求，那末它果在控制上想办法能达到那些要求，那末它的调速性能也一定是优异的。的调速性能也一定是优异的。l三相异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，三相异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，如果要模拟直流电动机的电枢磁势与磁场垂如果要模拟直流电动机的电枢磁势与磁场垂直，并且电枢磁势

35、大小和磁场强弱分别可调。直，并且电枢磁势大小和磁场强弱分别可调。 6566l该模型有两个互相垂直的绕组：该模型有两个互相垂直的绕组：M M绕组和绕组和T T绕绕组且以角频率组且以角频率1 1在空间旋转。在空间旋转。lT T、M M绕组分别通以直流电流绕组分别通以直流电流i iT T、i iM M。li iM M在在M M绕组轴线方向产生磁场，绕组轴线方向产生磁场，i iM M称励磁电流，称励磁电流，调节调节i iM M大小可以调节磁场强弱。大小可以调节磁场强弱。li iT T在在T T绕组轴线方向上产生磁势，这个磁势总绕组轴线方向上产生磁势，这个磁势总是与磁场同步旋转，而且总是与磁场方向垂是与

36、磁场同步旋转，而且总是与磁场方向垂直，调节直，调节i iT T大小可以在磁场不变时改变转矩大大小可以在磁场不变时改变转矩大小，小，i iT T称转矩电流。称转矩电流。li iT T、i iM M分属于分属于T T，、，、M M绕组，因此分别可调，可绕组，因此分别可调，可控。控。 l异步电动机如果按照异步电动机如果按照M M、T T两相绕组模型运行两相绕组模型运行就可以满足直流电动机调速性能好的三条件就可以满足直流电动机调速性能好的三条件。6768M M、T T、绕组电流绕组电流i iT T、i iM M、i i、i i都用矢量表示都用矢量表示 69l矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于矢量控

37、制的思路是把三相异步电动机等效于两相两相、静止系统模型，再经过旋转坐标静止系统模型，再经过旋转坐标变换为磁场方向与变换为磁场方向与M M轴方向一致的同步旋转轴方向一致的同步旋转的两相的两相M M、T T模型。模型。l电流矢量电流矢量i i是一个空间矢量，因为它实际上是一个空间矢量，因为它实际上代表电机三相产生的合成磁势，是沿空间作代表电机三相产生的合成磁势，是沿空间作正弦分布的量，不同于在电路中电流随时间正弦分布的量，不同于在电路中电流随时间按正弦变化的时间相量。按正弦变化的时间相量。 70l电流矢量分解为与电流矢量分解为与M M轴平行的产生磁场的分轴平行的产生磁场的分量量励磁电流励磁电流iM

38、iM和与和与T T轴平行的产生转矩轴平行的产生转矩分量分量转矩电流转矩电流iTiT，前者可理解为励磁磁，前者可理解为励磁磁势，后者可理解为电枢磁势。势，后者可理解为电枢磁势。l通过控制通过控制iMiM、iTiT大小也就是电流矢量大小也就是电流矢量i i的幅的幅值和方向值和方向(M(M、T T坐标系统中的坐标系统中的角角) )去等效地去等效地控制三相电流控制三相电流iaia、ibib、icic的瞬时值，从而调的瞬时值，从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。71l由于是矢量控制也就是说不仅控制电流幅值大小，而且考虑了方向体现在iT、iM分配比例是确定的，这就

39、与以往的调速办法不同。l如变压变频(VVVF)的调速方法是属于标量控制，必然要经过较长时间调节才能达到稳定运行。l矢量控制主要特点是动态响应快，使交流电机调速性能有质上的提高。72l1）直接转矩控制技术的产生）直接转矩控制技术的产生l1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克年由德国鲁尔大学的德彭布罗克(Depenbrock)教授首次提出了直接转矩控制教授首次提出了直接转矩控制的理论。接着的理论。接着1987年把它推广到弱磁调速范年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自已的特点。它在很大程度上解决了矢量着自已的特点。它在很大程度上解决了矢

40、量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。果的一些重大问题。 73la)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 74lb)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制知道电动机转