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1、,,內燃機車電力傳動,技術講座,（五）,第一節(jié) 概 述,長期以來，機車電傳動大多采用直流牽引電動機系統(tǒng)。這是因為直流電動機的磁場電流和電樞電流可以分別控制，其起動、調速性能和轉矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動態(tài)響應。 然而，直流電動機的結構復雜，存在電刷接觸式的換向器，它不僅工藝復雜，體積及重量大，耗銅，價格昂貴，而且在運行中，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。由于換向及環(huán)火這一類問題的存在，則要求電動機換向片之間的電壓不能過高，因而使得直流電動機的設計容量和高速時的利用功率受到限制，單電機的設計容量也很難超過1000kw，遠遠不能適應機車向高速、大功率方向發(fā)

2、展的要求。,交流傳動發(fā)展的初期,三相交流電動機，特別是鼠籠式異步電動機，由于其轉子上既沒有換向器，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，它的結構簡單、體積小、重量輕、運行可靠，能以更高的轉速運轉。由于交流電動機克服了直流電動機固有的缺點，很早就引起了人們的極大注意，試圖將它用作鐵路機車的牽引電動機。只是限于當時的變頻供電技術條件而無法實施。上世紀50年代中期，法國國鐵曾在一臺樣車上裝置旋轉變頻機組進行連續(xù)變頻調速，但由于系統(tǒng)結構復雜、機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，隨著電力電子技術的崛起與進步和變頻調速裝置的研制成功，重新喚起了人們對交流調速傳動

3、的重視。進入70年代，因采用異步交流傳動系統(tǒng)的DE-2500型內燃機車在原聯(lián)邦德國研制成功，交流傳動在牽引領域重新煥發(fā)出了前所未有的活力。,80年代交流傳動的發(fā)展,進入80年代，隨著電力電子器件和微電子技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術的應用，交流傳動技術取得了突破性的進展并已日趨成熟，在各種機車、動車上獲得了推廣運用。在這一時期，歐洲的交流傳動發(fā)展勢頭較猛，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內燃機車。同時期，美國的內燃機車制造廠家們對交流傳動內燃機車的投入采取了比較審慎的態(tài)度，僅在老機車改造方面作了一些嘗試，如GM公司的FLG型雙動

4、力源客運機車改造，裝用ABB公司提供的交流傳動裝置及MICASS微機控制系統(tǒng)，第一批改造的該型機車10臺于1990年投入運用。此外GM公司還與德國西門子公司合作對F69PH型客運機車進行改造，裝用西門子提供的交流傳動裝置及SIBAS16微機控制系統(tǒng)。,90年代交流傳動的發(fā)展,進入90年代，交流傳動技術成為機車技術熱點、被認為是現(xiàn)代機車的標志而日益風靡世界。美國交流機車市場異軍突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流傳動內燃機車，之后又相繼推出SD70MAC、SD80MAC以及SD90MAC型交流傳動內燃機車。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型交流傳動內燃機車。而且兩大公司均擁有大批訂貨，幾年來總計達千余臺（據(jù)不完全統(tǒng)計截至1997年的定貨已近1400臺）。 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)交流傳動內燃機車，并有許多國家開始批量訂購交流傳動內燃機車。,我國交流傳動的發(fā)展,早在70年代，國內有關科研院所、許多大專院校就開展了交流傳動技術的研究工作，但由于種種原因，始終處于實驗室研究階段。進入90年代，由于我國經(jīng)濟、技術發(fā)展的需要，且有國外交流傳動技術的成熟運用以及在研制、運用方面大量可供借鑒的經(jīng)驗，我國的交流傳動技術的研究進入了一個新時期。作為國家“八五”重點攻關項目的我國第一臺AC4000型大

6、功率交流傳動電力機車（原型機），于1996年6月19日在株洲電力機車廠誕生，這標志著我國機車交流傳動技術零的突破。經(jīng)過機車試運行，并在西南交通大學國家牽引動力重點實驗室的機車車輛滾動試驗臺上進行了全面的技術試驗，為改進和完善交流傳動機車獲取了寶貴的第一手技術資料。在此基礎上，又相繼研制出性能更加優(yōu)良的交流傳動電力機車樣機?！熬盼濉逼陂g，我國正式進入交流傳動內燃機車的研制階段。1997年，四方機車車輛廠承擔了我國第一臺交流傳動內燃調車機車的研制任務，于1999年9月完成試制。隨后各機車工廠也相繼開發(fā)出交流傳動內燃機車樣車。我國已進入發(fā)展交流傳動機車的實質性階段。,異步交流牽引電動機的特點 1、構

7、造簡單，動力學性能好,異步電動機是所有電機中結構最簡單的電動機，除軸承外，沒有其他機械接觸部分，電機轉速可達到4000r/min以上，試驗轉速甚至可達6000r/min。這是直流電機所望塵莫及的，直流電機轉速因受換向條件和機械強度的限制，只能達到2500r/min左右。由于異步電動機結構緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對軌面的沖擊力小，使機車具有良好的動力學性能。,2、功率大，牽引力大,由于異步牽引電動機結構簡單、轉速可達4000r/min，所以能夠做到功率大、重量輕，其單位重量千瓦（kw/kg）是直流電機的23倍。在機車結構所限制的空間條件下，異步牽引電動機功率可達到140

8、0kw2000kw。正因為如此，才可使機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)揮機車的牽引能力?，F(xiàn)以ND5型交直傳動機車與SD60MAC交流傳動機車進行比較：ND5型機車的柴油機標定功率為2940kw，起動牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時的持續(xù)牽引力為359.8kN；SD60MAC機車的柴油機標定功率為2835kw，起動牽引力為781kN，持續(xù)速度為20.5km/h時的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%左右。,3、粘著性能好,由于異步電機具有很硬的機械特性，所以當某臺電機發(fā)生空轉時，隨著

9、轉速的上升（上升值不大），轉矩很快降低，具有很強的恢復粘著的能力。 當進行粘著控制時，根據(jù)檢測有關粘著控制的信號，準確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點，使驅動系統(tǒng)既不發(fā)生空轉，又能充分發(fā)揮最大的牽引力，實現(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（AAR）在向四家機車制造廠提出的26臺交流傳動機車投標建議書中提出的粘著指標是：起動粘著系數(shù)0.45，全天候牽引粘著系數(shù)為0.32（而GE公司在交直流機車上，采用“SENTRY”粘著控制裝置后，全天候粘著系數(shù)實測值為0.240.25），動力制動粘著系數(shù)為0.2

10、4。如此之高的粘著利用，正是針對交流傳動機車所具有的良好的粘著控制而提出的，這對于交直傳動系統(tǒng)是不可想象的。,4、可靠性高、維修簡便,交流異步牽引電動機無換向器、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?？刂蒲b置是模塊結構，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無觸點的電子元件組成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點磨損、粘接、接觸不良、機械卡滯等問題。據(jù)美國伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流牽引電動機的大修期一般在40萬km48萬km，而交流牽引電動機的大修期可高達120萬km160萬km。此外，交流傳動機車配有完備的微機監(jiān)視系統(tǒng)和

11、故障診斷系統(tǒng)，可隨時監(jiān)視系統(tǒng)的技術狀態(tài)，進行故障診斷。綜上所述，可知交流傳動系統(tǒng)的可靠性很高，維修量很小，且維修簡便，維修費用大大降低。以德國現(xiàn)有E1200型機車和EA1000型機車比較，交流傳動的E1200型機車的維修費僅為EA1000型機車的35%；E1200型機車的輪緣磨耗比EA1000型機車減少了53%。,5、效率高、利用率高、使用靈活性強,交流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交直流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.86。根據(jù)有關測量數(shù)據(jù)表明，采用交流傳動的內燃機車與直流傳動比較，在發(fā)揮相同功率時節(jié)省燃料10%25%。由于可靠性、耐久性和易于維修的結合，使交流傳動機車的利用率顯著提高，如某鐵路運

12、輸公司采用交流傳動機車后，機車利用率由原來的86%提高到95%，從鐵路運營管理的角度來說，可減少機務段的備用機車數(shù)量以節(jié)省投資。正是交流傳動機車所顯示的高起動牽引力、大持續(xù)功率和寬恒功率區(qū)的特點，使其具有很強的使用靈活性，它既可滿足貨運列車對大的起動牽引力的要求，又可滿足客運列車對高速度的要求，因此對客、貨列車編組來說，成為名副其實的“通用機車”。,第二節(jié) 異步牽引電動機的調速 一、異步電動機調速的基本方法,1、電磁轉矩特性 電磁轉矩T公式 （5-1） 式中 Cm電機結構常數(shù)； 旋轉磁場每極磁通（wb）； I2轉子電流（A）； cos 2轉子電路功率因數(shù)； S轉差

13、率； n1同步轉速； （f1電源頻率，p磁極對數(shù)）； n轉子實際轉速（r/min）； E2轉子電勢，E2= 4.44k2w2f2= 4.44K2W2Sf1=SE20； R2轉子電路電阻（）； XL2轉子漏感抗，XL2=2f2LL2=2Sf1LL2=SXL20。,異步電動機的轉矩特性曲線：T=f(S),當電源電壓U1及其頻率f1均不變時，則電磁轉矩T僅隨轉差率S變化。 （1）起動轉矩Tq（S=1） （2）最大轉矩Tmax（求極值） 臨界轉差率 （3）額定轉矩Te 額定功率Pe（kw），額定轉速ne（r/min）,2、異步電動機的機械特性 T=f(n),由

14、很容易將轉矩特性T=f（S）轉換為機械特性T=f（n） （1）不穩(wěn)定運行區(qū)0nK： 當負載轉矩小于電機轉矩時，電機很快加速進入穩(wěn)定運行區(qū)； 當負載轉矩大于電機轉矩時，電機很快減速而堵轉。 （2）穩(wěn)定運行區(qū)nKn1： 為電機正常工作區(qū)段，機械穩(wěn)定性好，能適應負載的變化。 一般額定轉差率Se=0.040.06,3、異步電動機調速的基本方法,（1）改變電壓U1的調速 在電源頻率f1不變的條件下，異步電動機轉矩M與電壓U1的平方成正比 ，最大轉矩Tmax所對應的SK與U1無關?？梢姼淖僓1不但不能使轉速有多大的變化，反而使電機最大轉矩發(fā)生較大的波動，削弱了電機適應負載變化的能力。 （2

15、）改變磁極對數(shù)的調速 由 可知，改變磁極對數(shù)p可改變它的同步轉速n1，也就改變了轉子的轉速。但調速范圍受到限制，且為有級調速。,（3）改變頻率的調速 若能平滑地大范圍改變f1，就可以平滑改變n1，從而平滑寬廣地調節(jié)電機的轉速n，可滿足機車牽引電動轉速從零到最大值的調速要求。,二、異步電機的等值電路及轉矩表達式,、 電源相電壓和電機定子電流； 歸算到定子側的轉子電流； 電機激磁電流； 分別為一相定子感應電勢和歸算到定 子側的轉子感應電勢； S 轉差率，為轉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、側的轉子電阻及漏電抗； Xm 激磁電抗。,Pe = mI22R2 / S,電磁轉矩公式：,令X1 + Xm = X11， X2 + Xm = X22,三、變頻調速的控制方式及其特性,異步電動機在進行變頻調速傳動時，需要根據(jù)負載特性要求對變頻器的電壓、電流及頻率進行適當?shù)目刂?。變頻調速控制方式的發(fā)展大體分為三個階段： 第一階段是普通功能型U/f控制方式的通用變頻器，該控制方式是轉速開環(huán)控制，不具有轉矩控制功能； 第二階段是高功能型的轉差頻率控制方式，其轉速需要閉環(huán)檢測，具有轉矩控制功能，能使電動機在恒磁通或恒功率下運行，能充分發(fā)揮電動機運行功率，其輸出靜態(tài)特性較U/f控制有較大的改進； 第

17、三階段是高性能型矢量控制或直接力矩控制方式，可實現(xiàn)直流電動機的控制特性，具有較高的動態(tài)性能。,1、恒磁通（E1/f1=常數(shù)）的控制方式,異步電動機的每極磁通正比于E1/f1，在進行頻率調節(jié)時，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的鐵磁材料，充分發(fā)揮電機轉矩的能力，實現(xiàn)恒轉矩運行。 根據(jù)電機的等值電路可導出轉矩表達式：,臨界轉差頻率：,最大轉矩：,恒磁通控制，在一定的f2指令下又稱為恒轉矩控制，它可使電動機在調頻范圍內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,應該指出，E1是電動機內部電勢，難以直接檢測與控制，通常只能控制電機

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端電壓相比可以忽略，即可認為U1E1，因此可按照U1/f1=常數(shù)來進行調節(jié)，即只需要由變頻器提供線性的電壓頻率輸出特性，技術上很容易實現(xiàn)。,高頻時定子電阻R1的影響可忽略，U1與f1近似于線性關系；然而在低頻時，R1的影響不容忽略，此時電壓U1相對有所提高。這是控制系統(tǒng)中電壓函數(shù)發(fā)生器V/F設計的依據(jù)。,3、恒定電流運行控制方式,由電機等值電路可得：,不難看出，若保持電流I1和轉差頻率f2不變，則式中 必為常值，同樣可以實現(xiàn)恒磁通運行。這種維持電機電流I1不變的控制方式，使逆變器在運行范圍內沒有過分的電流波動，可以充分利用裝置容

19、量，使逆變器的設計可更為經(jīng)濟。另外，從控制的角度來說，I1的恒定可通過電流閉環(huán)調節(jié)作用來實現(xiàn)，技術上也易行。 由于 =常數(shù)不能直接控制，只能用調節(jié) =常數(shù)來近似。因此，在低頻范圍內，往往在控制轉差頻率f2恒定的同時，控制電流I1恒定，以達到 =常數(shù)的良好效果。,4、恒功率運行控制方式,在恒轉矩運行中，隨著電機頻率和轉速的上升，電壓U1相應提高，電機的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動機功率或逆變器最大電壓的限制。通常在頻率調節(jié)大于基準頻率（f1f1N）時，即當電壓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。此后電動機將以恒功率輸出為條件進行電壓和頻率的控制。 在閉環(huán)控制

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

21、nA時具有最小允許的過載能力。這樣即使在高速運行時仍然有適度的轉矩裕量，使在整個恒功調速范圍內穩(wěn)定運行，并能較充分地利用電機的功率，因而電機的設計尺寸較小。但逆變器的設計容量和尺寸較大。,5. 機車牽運行方式,（1）起動加速區(qū)：12 段屬內燃機車，12屬電力機車。起動時，控制系統(tǒng)應使轉差頻率f2保持恒定，U1/f1近似為常數(shù)，牽引電動機在恒轉矩下運行。通常要求牽引電動機能發(fā)出1.21.5倍的額定轉矩，使機車盡快平穩(wěn)起動和加速。,（2）變電壓、恒功率運行區(qū)：56區(qū)段，采用U12/f1=常數(shù)、f2不變的恒功率調節(jié)方式。這一區(qū)段對內燃機車來說，是為了充分利用柴油機的功率，擴大恒功率調速范圍，通常更為

22、重要。 （3）恒電壓、恒功率運行區(qū)：67區(qū)段屬內燃機車，57屬電力機車。采用U1不變、f2/f1=常數(shù)的恒功率調節(jié)方式。在恒電壓下，供電頻率的增加使牽引電動機產(chǎn)生磁場削弱的效果。,第三節(jié) 牽引逆變器,如前所述，對于異步電動機的變壓變頻調速，必須提供能夠同時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；內燃機車上的柴油機恒轉速、恒功率運轉時，所驅動的牽引發(fā)電機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裝置是旋轉變頻機組，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。 變壓變頻裝置從結構上可分為兩類，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、可控整流器調壓、逆變器調頻：其結構簡單，控制較方便。但當電壓調得較低時，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、斬波器調壓、逆變器調頻 ：多了一個斬波器，但調壓時輸入端功率因數(shù)不變，克服了前裝置的第一個缺點。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、脈寬調制（PWM）逆變

24、器同時調壓調頻：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、大容量的調速設備，或高轉速的燃汽輪機車。,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，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下近似一個內阻抗為零的恒壓源，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，直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，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，但作為儲能元件，對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，同時還對輸出的交流電進行變頻、變壓調節(jié)，以滿足異步電動機進行變頻調速的要求。由此可見，逆變器在交-直-交電力傳動系統(tǒng)中起著重要作用。,在每個周期中，控制各個晶閘管輪流導通和關斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導通和關斷的時間，即可得到不同的輸出頻率。在某一瞬間，控制一個晶閘管導通，同時迫使另一個晶閘管關斷，在兩管之間實現(xiàn)換相。按照換相順序的不同，三相橋式逆變器分為180導通型和120導通型兩種工作方式。,1、任意瞬間都有三個晶閘管同時導通（180導通型）,在同一橋臂上、下兩管之間互相換相、每個晶閘管在一個周期中導通180電角，三相對應元件相差120電角輪流導

27、 。這種導通規(guī)律使VT1VT6各元件每隔60電角輪換導通，在每一時刻都有三個元件同時導通。具體分組順序為5、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,若將每一時刻逆變器各晶閘管元件的開關情況以一等效（元件開通時認為短路，元件斷開時認為斷路）電路表示，即可計算出任一時刻的相、線電壓，從而繪出相、線電壓波形。 例如在060范圍內（左1圖）各相電壓：,可見，在每個周期內，相電壓波形由六個階梯狀波形組成（常稱六階波），常稱這時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。利用富氏級數(shù)對相電壓和線電壓進行諧波分析，這種電壓含有5、7、11次等高次諧波，將給電機的運行性能帶來一定的影響。逆變器的負載是異步電動機，屬電感性負載。當逆變器以六階波電壓對電機供電時，其電流波形在負載電感的作用下將趨于平滑 。當頻率較高時， 電流波形接近正弦波；而在低頻時，電流波形趨于六階波，高次諧波電流成分較多。,2、任意瞬間有兩個晶閘管同時導通（120導通型）,每個晶閘管導通120，則同一橋臂上的兩個晶閘管的導通時間將有60的時間間隔，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、右兩管之間進行的。,五、脈寬調制（PWM）逆變器的基本原理,

29、在傳統(tǒng)的交-直-交變壓變調速系統(tǒng)中為了獲得變頻調速所要求的電壓頻率協(xié)調控制，交-直流整流器必須是可控的，且在調速時須同時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）主電路有兩個須控制的功率環(huán)節(jié)，相對來說比較復雜；（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能元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應緩慢；（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），在交流電動機中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉矩，影響電機的穩(wěn)定工作，低速時尤為嚴重。 1964年，德國的A.Sch

30、onung等人率先提出了脈寬調制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調制技術推廣應用于交流變頻器，用這種技術構成的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,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，逆變器的功率開關器件按一定規(guī)律控制其導通或關斷，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，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。 PWM變壓變頻器的主要特點如下： （1）主電路只有一個

31、可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結構； （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； （3）逆變器在調頻的同時實現(xiàn)調壓，而與中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)無關，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應； （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，因而轉矩脈動小，大大擴展了傳動系統(tǒng)的調速范圍（特別低速區(qū)），提高了系統(tǒng)的性能。,1、正弦脈寬調制逆變器的基本原理,所謂的正弦脈寬調制（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應區(qū)間的面積相等。即可以把一個正弦半波分作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，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，由n個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，正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負矩形脈沖波等效。這種正弦波正、負半周分別用正、負矩形脈沖等效的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 ：,若異步電動機定子繞組為Y聯(lián)結，其中點O與整流器輸出端濾波電容器的中點O相連，因而當逆變器任一相導通時，電機繞組上所獲得的相電壓為US/2 。,SPWM的原理,實用的辦法是引用通訊技術中的“調制”這一概念，將所期望的正弦波形作為基

33、準的調制波，而受它調制的信號稱為載波。在SPWM中常用等腰三角波作為載波。當調制波與載波相交時，由它們的交點時刻控制逆變器開關器件的通斷，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，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，輸出電壓基波的幅值也改變，從而實現(xiàn)變頻變壓。,雙極式SPWM,單極式SPWM波形在半周內的脈沖電壓只在“正”（或“負”）和“零”之間變化，主電路每相只有一個開關器件反復通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個開關器件交替地通斷，處于互補工作方式，則輸出脈沖就在“正”和“負”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制的PWM電流波形,2、對脈寬調制的制約條件,根據(jù)脈寬調制的特點，逆變器主電路的功率開關器件在其輸出電壓半周內要開關n次。當n越大，脈沖序列波的脈寬i越小時，SPWM的基波更接近期望的正弦波。但是，功率開關器件本身的開關能力是有限的，所以在應用脈寬調制技術時必然要受到一定條件的制約，主要表現(xiàn)在以下兩方面： （1）功率開關器件的開關頻率 各種功率開關器件的開關速度和開關損耗限制了脈寬調制逆變器的每秒脈沖數(shù)。 （2）調制度 為保證調制成的脈沖波的最小脈沖寬度大于開關器件的導通時間ton，而最小脈沖間歇大于器件的

35、關斷時間toff。要求參考電壓信號的幅值Urm不能超過三角載波的峰值Utm的某百分數(shù)。為此，定義Urm與Utm之比為調制度為： 在理想情況下，M值可在01之間變化，以調節(jié)逆變器輸出電壓的大小。實際上由于上述的原因，一般取最高的M=0.80.9。,3、同步調制和異步調制,定義載波頻率ft與參考調制波頻率fr之比為載波比N（或稱調制比），即 在實行SPWM脈寬調制時，載波比N對變頻調速系統(tǒng)的工作性能很有影響。視載波比N的變化與否，有同步調制與異步調制之分。,（1）同步調制,在同步調制方式中，N=常數(shù)，變頻時三角載波的頻率ft與正弦調制波的頻率fr同步

36、變化，因而逆變器輸出電壓半波內的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。若取N等于3的倍數(shù)，則同步調制能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有互差120的對稱關系。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖的間距增大，諧波成分會顯著增加，使負載電機產(chǎn)生較大的脈動轉矩和較強的噪聲，這是同步調制方式的主要缺點。,（2）異步調制,在逆變器的整個變頻范圍內，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變參考信號頻率fr時保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比。這樣逆變器輸出電壓半波內的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應地可減少負載電機的轉矩脈動與噪音，從而改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。 有

37、利則有弊，異步調制方式在改善低頻工作性能的同時，又失去了同步調制的優(yōu)點。當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是3的倍數(shù)，勢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稱性，將造成電機工作的不平穩(wěn)。因此，在實際應用中，可將同步與異步兩種調制方式結合起來，成為分段同步的調制方式。,（3）分段同步調制,為了楊長避短，可將同步調制和異步調制結合起來，成為分段同步調制方式。該調制方式是把逆變器的整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內都維持載波比N恒定（即同步），而對不同的頻率段取不同的N值，頻率低時，N值取大些，同時注意最高開關頻率的限制，一般大致按等比級數(shù)安排。,

38、六、由晶閘管構成的逆變電路 1、電壓型逆變電路,強迫換流過程,換流過程的波形,麥氏電路的演變,2、電流型逆變電路及電流波形,強迫換流過程,七、由門極可關斷晶閘管GTO構成的逆變電路,眾所周知普通晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導通，門極就失去了控制作用，因而需要較復雜的輔助換流電路來強迫關斷。而GTO屬于全控型器件，也稱自關斷器件，即在其門極上加入極性不同的電流，可使GTO在導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)之間轉換。當門極加上正信號時，GTO導通；若在處于導通狀態(tài)GTO的門極加上負信號，它立即從導通轉為關斷狀態(tài)。由于不需要輔助換流電路，所以由GTO構成的逆變電路可大為簡化。,（一）GTO的變頻調速系統(tǒng),（二）GTO的緩沖吸收

39、電路及保護問題,GTO一般工作于開關狀態(tài)，但是它不具備功率晶體管那種良好的關斷性能，因此，陽極吸收是應用中很重要的技術問題，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斷吸收電路。開通吸收電路抑制GTO導通時的陽極電流上升率di/dt，轉移和減小GTO開通期的功耗。關斷吸收電路限制GTO關斷時的重加陽極電壓上升率dv/dt，確保關斷電流，轉移和減小GTO關斷期的功耗；抑制重加陽極過電壓，防止GTO再次觸發(fā)。,（三）GTO的門極驅動問題,1、門極驅動電路的基本結構,2、門極驅動信號的波形,八、二點式逆變器和三點式逆變器,三點式逆變器具有以下兩個突出的優(yōu)點： 1、二點式

40、逆變器的輸出端電位在Ud/2和Ud/2之間變化，而三點式逆變器在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、三點式逆變器的輸出電壓波形比二點式逆變器的波形包含較少的諧波分量。在一個周期內，二點式逆變器電路只有8種狀態(tài)，而三點式逆變器電路中有27種狀態(tài)。因此，這將有利于減少相鄰兩種電路狀態(tài)間轉換時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，減少電機轉矩脈動。三點式逆變器的缺點在于增加元件數(shù)目和安裝位置。,二點式逆變器與三點式逆變器比較,

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

42、速度點都能提供合適的力矩值。所以速度和力矩值被認為是系統(tǒng)的被調量，而調速系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞取決于對轉矩的控制能力。 交流異步電動機是一個復雜、非線性、多變量控制對象，因此，交流傳動不象直流電動機傳動系統(tǒng)那樣，有一種標準的控制結構，而是先后開發(fā)出各種各樣的方法。根據(jù)異步電動機轉矩生成的物理機理和數(shù)學表達式，除了直接采用轉矩作為反饋信號進行直接轉矩控制外，還可以結合與轉矩相關的氣隙磁通、轉差頻率或定子電流的控制環(huán)，實現(xiàn)間接轉矩控制。應當注意的是，無論控制結構如何復雜，或采用什么樣的反饋環(huán)和反饋量，逆變器只有兩個控制變量，即電壓和頻率，故一般通稱為VVVF（變壓變頻）逆變器。 目前，在交流傳動機車

43、和動車組上，比較普遍采用的電動機控制策略有三種：轉差頻率控制、磁場定向矢量控制和直接轉矩控制。,一、轉差頻率控制,目前，在鐵路牽引的交流傳動系統(tǒng)中，幾乎都采用脈寬調制（PWM）逆變器。這種逆變器特點在于，當控制系統(tǒng)給定電壓U1和頻率f1時，PWM逆變器的輸出總是能保證電動機的氣隙磁通1U1/f1接近于恒值，這就自動滿足了關于恒磁通控制的要求，從而近似地使轉矩Tf2。只要控制轉差頻率f2不變，就可保持轉矩T恒定，以滿足機車起動和加速牽引力恒定的要求。當f1達到一定值后，U1保持不變，電動機便進入磁場削弱狀態(tài)，如果合適地控制f2隨f1的變化規(guī)律，就能夠使電動機在每個速度點發(fā)出所要求的轉矩，實現(xiàn)機車

44、恒功率運行。的變化規(guī)律，就能夠使電動機在每個速度點發(fā)出所要求的轉矩，實現(xiàn)機車恒功率運行。,交流傳動機車的轉差頻率控制系統(tǒng)實例,二、矢量控制 1、異步電動機的坐標變換結構圖和等效直流電機模型,在三相坐標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系下的交流電流i1、i1，再通過按轉子磁場定向的旋轉變換（VR），可以等效成同步旋轉坐標系下的直流電流im1、it1。如果觀察者站在鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的便是一臺直流電機 ，原交流電機的轉子總磁通2就是等效直流電機的磁通，im1相當于勵磁電流，it1相當于與轉矩成正比的電樞電流。,圖656 異步電機的

45、坐標變換結構圖 3/2三相兩相變換；VR同步旋轉變換；M軸與a軸（A軸）夾角。,2、矢量控制系統(tǒng)的基本概念,既然異步電機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反轉換，就能夠控制異步電機了。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以其控制系統(tǒng)稱矢量控制系統(tǒng)。圖中虛線框內的部分可以完全抵消，剩下的部分就和直流調速系統(tǒng)非常相似了。可以想象，矢量控制交流變壓變頻調速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能應該完全能夠與直流調速系統(tǒng)相媲美。,三、內燃機車交-直-交傳動控制,在內燃機車上對柴油機按額定功率或部分功率最佳化進行恒轉速恒功率控制，交流傳動控制系

46、統(tǒng)須與之相配合。因此，內燃機車交-直-交傳動控制系統(tǒng)是集柴油機控制和交流傳動控制為一體的機車牽引控制系統(tǒng)。 而在常用的電壓型交-直-交傳動系統(tǒng)中，當司機手柄位一定時，中間直流回路電壓恒定，不可能象交-直流傳動那樣通過調節(jié)牽引發(fā)電機勵磁電流達到恒功率運行，而是通過牽引逆變器對異步牽引電動機進行變頻調速來實現(xiàn)恒功率運行。只有當司機手柄位改變時，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，每個手柄位在低速區(qū)的恒力矩運行，是通過對牽引逆變器進行PWM變壓變頻控制來實現(xiàn)的。,（一）采用聯(lián)合調節(jié)器的轉差頻率控制系統(tǒng),（二）NJ1型交流傳動內燃調車機車控制系統(tǒng),交流傳動矢量控制系統(tǒng),