轨道交通车辆异步牵引电机的变频调速-变频调速原理

E1/f1=常数时的机械特性牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性异步电机气隙磁通为：根据异步电动机的等效电路，电机的电磁转矩可表示为若维持E1/f1=C，即磁通Φm为常数时，电机转矩T完全由转子的转差频率f2决定，而与定子频率无关。牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性若调节时保持f2=f2N

（额定转差频率），则电机负载转矩能保持在额定值，无论定子频率设定在什么值上，电动机都可以运行在额定转矩附近。另外，维持E1/f1=C时，转子电流I2′亦只由f2决定，因而电机的功率因数和效率在调速中变化不大，基本保持在额定运行时的水平。牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性转子的临界转差频率最大电磁转矩（1）由于L2′可视为常数，故按E1/f1=C调节时，电动机在不同频率f1下，可保持最大转矩的数值不变。牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性最大电磁转矩（2）与Tm对应的转差频率fm只受转子电阻影响，由于鼠笼式电机R2′为常数，因而fm也为定值。牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性牵引电动机在E1/f1=C时的机械特性恒磁通运行时，不同定子频率下机械特性是平行的，可使电机在较宽的调速范围内实现最大的恒定转矩。但是，由于E1是电动机内部电势，难于直接检测，通常是通过调整U/f函数曲线的模式来近似保持E1/f1=常数的关系。U1/f1=常数时的机械特性交流传动的调速思路在正弦稳态下，异步电动机的同步转速（即旋转磁场的旋转速度）：式中：n1—同步速度f1—电源频率p—极对数交流传动的调速思路异步电动机转子的速度式中：n2—电机转子速度

s

—转差率，s=(n1-n2)/n2因此

，若均匀地改变定子电源供电频率f1，就可以平滑地改变电动机同步速度，从而达到调速的目的。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性异步电机定子电压方程为：在忽略定子漏阻抗时，异步电动机定子电压可表示为：牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性异步电机定子电压方程为：在忽略定子漏阻抗时，异步电动机定子电压可表示为：式中：N—每相绕组串联匝数kN1

—绕组系数Φm

—气隙磁通牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性异步电机气隙磁通为：在改变f1时，若U1不变，随着电源频率由额定频率向下调时，气隙磁通Φm就会增大，磁通饱和，引起定子励磁电流急剧增加，定子铁心损耗Im2Rm急剧增加，从而引起：(1)功率因数下降；(2)损耗增加，电动机过热。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性在实际应用中，常采用U1/f1=C（C=常数）作为约束条件，进行变频调速控制，实现恒磁通控制。如国产蓝箭列车的频率/电压调节范围为：0.5~148Hz/0~2105V。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性根据转矩公式，可以计算出U1/f1=C控制方式下的机械特性，如图所示。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性（1）在较高的频率范围内，电动机发出较大的转矩；（2）当频率f1较低时转矩和最大转矩急剧下降。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性其主要原因是：（1）在高频范围内，U1较高，而定子阻抗压降相对较小可以忽略，气隙磁通近似不变（2）而低频范围时，虽然定子漏抗x1正比于f1而降低，但R1为不变值，电阻压降在低频时构成不可忽略的一部分，令气隙磁通减小，因而转矩下降。牵引电动机在U1/f1=C时的机械特性作为弥补办法，可在低频时适当提升电压比例，从而抵消电阻压降的影响，使气隙磁通近似恒定，从而实现恒转矩控制。恒功率控制恒功率控制概述在恒磁通控制中，随着电机转速上升，定子频率f1上升，电压U1也同步提高，电机输出功率增大。但电机电压的进一步提高受到电动机功率和逆变器最大电压的限制，因此电压提高到一定的数值（基值或额定值）以后，将维持不变，或不再正比于f1上升。此后随着电机转速的增加，电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率控制。恒功率控制概述恒功率运行时的转矩或写成为满足电机的恒功率输出特性，电压和频率的调节可以有两种不同的方式：（1）U1=常数，s=常数的恒功调节方式（2）U12/f1=常数，f2=常数的恒功调节方式U1=常数，s=常数的恒功调节方式电机最大转矩可以表示为因为U1为常数，最大转矩反比于f12，不同频率f1时最大转矩及其包络线如图所示。U1=常数，s=常数的恒功调节方式由于恒功率运行时实际要求的转矩T只是反比于f1变化。为了保证电动机在全部恒功调速范围内能够稳定运行，必须要求在最高转速（对应最大频率f1max)时，电动机有最小允许的过载力矩。U1=常数，s=常数的恒功调节方式这样，在较低转速时，转矩的裕度较大，而电动机的设计尺寸实际上是由低速状态所决定的，因而有较大的尺寸。但此时逆变器在恒电压和电流下运行，其设备容量得充分利用，有较大小的尺寸，这种设计方案称为“最大电动机和最小逆变器”方案。。U12/f1=常数，f2=常数的恒功调节方式U12/f1=常数，则最大转矩Tm与f1成反比。不同频率f1下最大转矩的包络线呈双曲线形状，如图所示。U12/f1=常数，f2=常数的恒功调节方式在这种情况下，电动机在较低速度与较高速度有近似相等的转矩裕度。此时电动机有较小的设计尺寸，但逆变器需满足最高电压和最大电流的要求，故逆变器有较大的设计尺寸，该方案称为“最小电动机和最大逆变器”方案。为什么要采用变频调速为什么要采用变频调速牵引传动方式直流传动交流传动直流传动的特点优点：系统具有理想的起动调速性能和转矩控制特性。缺点：运行时容易产生换向火花和发生环火现象，导致直流电机的电流、转速、设计容量和高速时的功率利用都受到限制为什么要采用变频调速交流传动的特点优点有优良的防空转功能。运行可靠，故障率低。单位重量功率（kw/kg)可达直流电机的三倍，特别适宜于高速重载运用。为什么要采用变频调速交流传动的特点技术难点：在采用固定供电频率时，交流电机调速较为困难，调速范围窄，起动转矩小，轻载时功率因数低。为什么要采用变频调速采用变频调速的原因计算机技术发展水平提高交流电力牵引已经可实现宽范围的平滑调速，可使电力机车或动车组的高速功率利用达到1，恒功率调速比大于2，并能发挥较大的牵引力。为什么要采用变频调速采用变频调速的原因电源侧变流器采用四象限变流器，能使机车的工作电流十分接近正弦，能在广泛范围内，使机车功率因数接近于1，并能方便实现牵引和再生制动之间的能量交换。变频调速控制方式的发展阶段普通功能型U/f控制方式­——转速开环控制，不具有转矩控制功能。高功能型的转差频率控制方式——转速需要闭环检测，有转矩控制功能。这种控制方式属于标量控制。高性能型矢量控制或直接力矩控制方式­­­­­——可以实现直流电动机的控制特性，具有较高的动态性能。转差频率控制的交流传动系统概述交流传动系统调节速度调节转矩调节由与转矩相关联的其它物理作为给定信号，并检测这些量的的实际值作为反馈信号（如电压、定子电流、转差频率），来有效地控制电机的转矩。利用检测的或计算的转矩作为反馈信号，与给定的转矩进行比较，产生转矩调节器的输入信号，直接控制传动系统的转矩。转差频率控制几乎所有的轨道车辆交流传动系统都采用脉宽调制（PWM）逆变器，这种逆变器的特点是，当逆变器按控制系统给的电压U1与频率f1进行调节时，其输出总是能保证电动机的气隙磁通Φ∝U1/f1接近恒定值，这就满足了交流电机恒磁通控制的要求。转差频率控制T∝Φ2f2，当系统按U1/f1＝C进行控制时，转矩T只取决于转差频率f2的值，因f2＝sf1，如果系统能合适的控制f2及f2随f1的变化规律，就能很好地控制电动机的转矩。这种控制方法称为转差频率控制，又称滑差控制。转差频率控制从电机的工作原理可知：若n1>n时，即1>f2>0时，电机工作于牵引状态；当n1<n时，即f2<0时，电机工作于再生制动状态。因此，适当控制电机供电频率的变化，就可容易地实现牵引与制动的工作模式。转差频率控制的交流传动系统下图为一种典型的转差频率控制系统的结构图，该系统是一种采用电压型逆变器供电，并具有电流反馈和转差闭环的双闭环系统。转差频率控制的交流传动系统如图所示，从司机控制台送出给定转矩信号T*，一路经f2函数发生器产生给定的转差频率f2*，它与反馈转速信号fr相加得到f1＝f2*＋fR

（牵引），或相减得到f1＝fR

－f2*（再生制动），从而确定逆变器输出电压的频率。转差频率控制的交流传动系统考虑到恒转矩起动时对恒磁通Φ＝E1/f1≈U1/f1的要求，系统中设置了一个电压函数发生器，其函数关系为U10＝Kf1＋U0，Kf1为考虑恒转矩运行对恒磁通CeΦ＝E1/f1≈U1/f1的要求，Ｕ0是考虑零速度附近对定子绕组压降的补偿。转差频率控制的交流传动系统给定转矩信号T*