铁道机车专业教学湖南铁道左继红55课件

铁道机车专业教学资源库湖南铁道职业技术学院主讲：左继红牵引电机的特性调节前面讲在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频，即基本频率f1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率fN（即与电动机额定输出电压对应的频率）。异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速由于电机的感应电势检测和控制比较困难，考虑到在电机正常运转时电机的电压和电势近似相等，因此可以通过控制U1/f1恒定，以保持气隙磁通基本恒定。恒定U1/f1控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比U1/f1为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出发点是电动机的稳态数学模型，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中，电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定U1/f1控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。在起动时，为了使系统能满足稳态运行的条件，频率的变化应尽可能缓慢，以避免电动机出现失速现象，即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。滑差增大，造成电动机中流过很大的电流，电动机输出的转矩将减小。1．基频以下调速若采用开环控制，则除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器，考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间，为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内，桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态，因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候，变频器的输出电压比较低，PWM逆变脉冲的占空比比较小，这时互锁时间的影响就比较大，从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。对磁通进行闭环控制是改善U1/f1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，电机的电流波形的到明显改善，气隙磁通更加接近圆形1．基频以下调速如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便的到恒定Er/f1控制，其机械特性是一条直线。显然，恒定Er/f1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。问题是，怎样控制变频器的电压和频率才能获得恒定Er/f1的呢？按照电动势与磁通的关系Eg=4.44f1N1KN1ΦM式4-6可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在上式中，气隙磁通Eg的感应电动势对应于气隙磁通ΦM，那么，转子磁通的感应电动势Er就应该对应于转子磁通ΦrEr=4.44f1N1KN1Φr式4-7由此看见，只要能够按照转子磁通Φr＝恒值进行控制，就可获得恒定Er/f1控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则1．基频以下调速压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。具有恒功率特性。在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时，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。2．基频以上调速⑴V/F控制在恒定U1/f1控制中，频率f1下降时，定子电阻压降在U1中所占比例增大，造成气隙磁通ΦM和转矩下降，采取适当提高U1/f1的方法，来低偿定子电阻压降的增大，而保持ΦM＝恒值，最终使电动机的转矩得到补偿。这种方法称为转矩补偿，因为它是通过提高U1/f1而得到的，故又称V/F控制或电压补偿。许多书中则直译为转矩提升（Torqueboost）。⑵基本V/F曲线U1/f1＝恒值时的V/F曲线称为基本V/F曲线（见下图中曲线a），它表明了没有补偿时的电压U1和频率f1之间的关系。它是进行V/F控制时的基准线。⑶全补偿V/F曲线不论f1为多大（在f1≤fN的范围内），通过补偿，都能保持ΦM＝恒值，称为完全补偿V/F曲线，简称全补偿V/F曲线（见下图中曲线b）。3．V/F控制与V/F曲线异步牵引电动机变频调速是一种合理和理想的调速方法，实现变频调速的装置叫变频器，交—直—交变频器按无功能量处理方式分为电压型和电流型。在即将投入运营的SZ1地铁列车上，采用了一种新型变频变压(VVVF)逆变器牵引和制动系统。之所以称它是“新型”系统，是因为以下三个原因:其一，采用大功率电力电子器件IGBT模块。复合型IGBT是以单极型MOSFET为驱动元件，双极型GTR为主导元件的达林顿结构元件，它综合了前者输入阻抗高、驱动功率小(电压型)、电路简单、开关频率高、热稳定性好和后者安全工作区宽、电流密度高、导通压降低的优点;其二，单台牵引电机额定功率较之目前国内外已投入运营的同类产品(4M2T)大，因而使这类地铁列车有更大的牵引功率和电制动功率;其三，VVVF逆变器采用直接转矩控制系统，这是除矢量控制系统之外的另一种新的高动态性能的、但更简单适用的变频变压调速系统。因此