1、牽引變流器變流器工作原理1,概述交流異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系：變頻調(diào)速就是利用電動機的同步轉(zhuǎn)速隨電機電源頻率變化的特性， 通過改 變電動機的供電頻率進行調(diào)速的方法。利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件如 IGBT等變頻裝 置構(gòu)成變頻電源對異步電動機進行調(diào)速。同步轉(zhuǎn)速隨電源頻率線性地變化，改變頻率時的機械特性是一組平行的曲線， 類似于直流電機電樞調(diào)壓調(diào)速特性。因此，從性能上來講，變頻調(diào)速是交流電機最 理想的調(diào)速方法。異步電機電壓U與磁通的關(guān)系：S宙咼二444齊疋皿有式知，假設(shè)不變，匚 與二成反比，如果匚下降，那么二增加，使磁路過飽 和，勵磁電流迅速上升，導(dǎo)致鐵損增加，電機發(fā)熱與效率下降，功率因數(shù)降

2、低。如 果上升，那么二減小，電磁轉(zhuǎn)矩也就跟著減小，電機負載能力下降。由此可見，在 調(diào)節(jié)，的同時，還要協(xié)調(diào)地控制，即給電機提供變壓變頻電源，才可以獲得較 好的調(diào)速性能。由變壓變頻裝置給籠型異步電機供電所組成的調(diào)速系統(tǒng)叫做變壓變頻調(diào) 速系統(tǒng)，它可以分為轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)，可以滿 足一般要求的交流調(diào)速系統(tǒng)。假設(shè)調(diào)速系統(tǒng)對調(diào)速系統(tǒng)靜、動態(tài)性能要求不高的場合， 比方風(fēng)機、水泵等節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目?制方案，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，本錢也比擬低。假設(shè)要提高靜、動態(tài)性能，可以采用 轉(zhuǎn)速反應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。假設(shè)調(diào)速系統(tǒng)對靜、動態(tài)性能的要求很高，那么需

3、要采用模 擬直流電機控制的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是高動態(tài)性能的交流調(diào)速控制系 統(tǒng)，但是需要進行大量復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，而且控制對象參數(shù)的變化將直接影響 控制精度。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是近十幾年來繼矢量控制系統(tǒng)之后開展起來的另一種 高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。它避開了矢量控制的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是直接進行轉(zhuǎn) 矩“砰一砰控制。地鐵列車和電動車組的調(diào)速系統(tǒng)，對靜、動態(tài)性能的要求很高，采用矢量控制系 統(tǒng)或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。地鐵列車的牽引系統(tǒng)為直 -交變頻器，電動車組的牽引系 統(tǒng)為交-直-交變頻器。隨著電力半導(dǎo)體器件的開展，變頻器的開展也經(jīng)歷了幾個階段。電力電子器件 的可控性、模塊化、控制手段的全數(shù)字化，利

4、用了微機的強大信息處理能力，使軟 件功能不斷強化，變頻器的靈活性和適用性不斷增強。隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，變頻 器的網(wǎng)絡(luò)功能和通信不斷增強，它不僅可以與設(shè)備網(wǎng)的現(xiàn)場總線直接相連，還可以 與信息交換實時數(shù)據(jù)。2,牽引變流器工作原理牽引變流器將直流電變成電壓和頻率可變的交流電，并采用采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動異步電機，實現(xiàn)無級調(diào)速。2.1，電壓型PW變頻器主電路的原理圖圖1電壓型PWM頻器主電路的原理圖2.2，變頻器的調(diào)制方式正弦波脈寬調(diào)制(SPWM。，開關(guān)器件的門極驅(qū)動信號的產(chǎn)生由三角波載頻信號uc與三相正弦波參考信號ur相比擬的方法產(chǎn)生。如圖2所 示。I圖2開關(guān)

5、器件的門極驅(qū)動信號222，開關(guān)器件IGBT的開關(guān)狀態(tài)當(dāng)Ub為正時，V1導(dǎo)通,當(dāng)Vs為正時，V3導(dǎo)通,當(dāng)Wb為正時，V5導(dǎo)通,V2截止；UG為負時,V4截止；Vb為負時,V6截止；Wb為負時,V截止，V導(dǎo)通;V3截止，V4導(dǎo)通;V5截止，V導(dǎo)通。V1V6共有8種開關(guān)狀態(tài)。其中：6種是工作狀態(tài)，特點是三相負載接在不同 電位上；2種是0開關(guān)狀態(tài)，特點是三相負載接在相同電位上，同時接電源正極， 或同時接電源負極。6種是工作狀態(tài)為: Vi、V3、V導(dǎo)通，V V4、V5截止，A B接電源正極，C接電源負極; Vi、Va、V5導(dǎo)通，V V3、V6截止，A C接電源正極，B接電源負極; V V3 V Va V

6、 V3 Vi、V4V5 導(dǎo)通，V、VaV5 導(dǎo)通，M、V3V6 導(dǎo)通，M、VaV6 導(dǎo)通，V2、V3M截止，B、C接電源正極,M截止，A、B接電源負極,V5截止，A、C接電源負極,V5截止，B、C接電源負極,A接電源負極; C接電源極正; B接電源極正;A接電源極正。2種是0開關(guān)狀態(tài)為： Vi、V3、V5導(dǎo)通，V2、Va、 Vi、V3、V5截止，V、Va、M截止，A、B、C都與電源正極接通;M導(dǎo)通，A、B、C都與電源負極接通。2.2.3 , A B C三點的電位波形以直流電源負極0V線為參考電位當(dāng)Ub為正時，Vi導(dǎo)通,當(dāng)S為正時，V3導(dǎo)通, 當(dāng)Wb為正時，導(dǎo)通,V2截止，UA為正；Ub為負時,

7、V4截止，UB為正；Vb為負時,V截止，UC為正；Wb為負時,Vi截止，72導(dǎo)通,U A為0;V3截止，Va導(dǎo)通,U B為0；V5截止，V6導(dǎo)通,U c為0。A、B、C三點電位的波形如圖3所示0I00圖3 A、B、C三點電位的波形224，正弦波脈寬調(diào)制SPWM的特點這種調(diào)制方式的特點是：輸出的 PWM脈沖波形等幅、變寬，脈沖寬度變化呈正 弦分布，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例。因此，其調(diào)制波形接近于正弦 波，諧波分量減少。當(dāng)改變參考信號ur的幅值時，脈寬隨之改變，從而改變了主回路輸出電壓的 大小。當(dāng)改變ur的頻率時，輸出電壓頻率即隨之改變。，載波比載波與基準(zhǔn)波的頻率比定義為載波比N, N

8、=fc/fr1 ，它決定一個周期電壓的脈沖個數(shù)。按照載波比不同的處理方式，變頻器有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段調(diào)制三 種1同步調(diào)制 在變頻調(diào)速時，載波頻率與基準(zhǔn)波頻率同步變化，即載波比N為常數(shù)，因此，在逆變器輸出電壓的一個周期調(diào)制脈沖數(shù)是固定的。假設(shè)取N等于三的倍數(shù)，那么同步調(diào)制能保證逆變器輸出的正、負半波對稱，也能保證三相平衡。但 是，當(dāng)輸出頻率很低時，相鄰兩脈沖的間距增大，諧波分量增加。這會使電機產(chǎn)生 較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，低速時運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。2異步調(diào)制在變頻器的變頻圍，載波比N不等于常數(shù)。在改變基準(zhǔn)波頻 率時保持載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，這樣變頻器輸出電壓在一個 周期的脈沖個數(shù)可

9、隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可以減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動，改善低速性能。但是，隨著載波比的變化，很難保證三相輸出間的對稱關(guān)系，也會影 響電機的平穩(wěn)運行。(3) 分段同步調(diào)制 將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，相互取長補短，形成分 段同步調(diào)制。把變頻器的整個變頻圍劃分成假設(shè)干個頻段，在每個頻段固定載波比。 在不同的頻段，N的取值不同，頻率越低N越大。用同步調(diào)制保證輸出波形對稱， 用分段調(diào)制可以改善低速性能，這就是這種方法的優(yōu)點，也是它廣泛采用的原因。2.3，變頻器的控制方式電壓頻率協(xié)調(diào)控制如果變頻調(diào)速過程中，磁通過大，會使鐵心飽和，勵磁電流過大會使繞組過熱, 嚴(yán)重時會燒壞電機；磁通過小時，電機出力缺乏，

10、輸出轉(zhuǎn)矩小，電機的鐵心不能充 分利用，造成浪費。所以，變頻調(diào)速時還要同時改變定子電壓，以保證電機調(diào)速時 保持每極磁通量為額定值。由關(guān)系式S瑋場=4斗4齊灼可知，為了保持恒定，改變頻率時，就要相應(yīng)地改變定子感應(yīng)電勢，使常數(shù)按照上式確定的控制方法稱為恒定電勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電勢一般是難以直接測量和控制的。 為了便于實現(xiàn)，我們通常采取近似的方 法：當(dāng)電勢較高的時候，忽略定子繞組中的電阻壓降和漏抗壓降，用定子電壓代替 定子電勢，使常數(shù)這就是恒定壓頻比的控制方式。 不管是恒定電勢頻率比還是恒定電壓頻率比 都只能在基頻以下運行。如果要在基頻以上調(diào)速運行，頻率-可以大于額定頻率=, 但是

11、電壓卻不能大于額定電壓】，只能保持= - - 0如果繼續(xù)增大，這將使 磁通與頻率成反比地下降。如圖 4所示恒壓頻比控制特性如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下都有額定電流， 那么電機能在溫升容許的情況下長期運 行，這時轉(zhuǎn)矩根本上隨磁通變化。在基頻以下屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性質(zhì)，在基頻以上 屬于恒功率調(diào)速的性質(zhì)。高頻高壓時，定子電壓遠大于定子阻抗壓降，定子阻抗壓降可忽略不計，UB Ei ;但低頻低壓時，定子阻抗壓降已經(jīng)不能忽略，U工Ei,此時的壓頻比恒定已經(jīng)不 能保證磁通恒定。因此，低速時時引起電勢和磁通的明顯降低，將發(fā)生嚴(yán)重勵磁不 足和轉(zhuǎn)矩減少的冋題。為了改善低速時機械特性，需要對電壓給定進行補償，即在低速時抬高

12、壓 頻比值，兩種典型的改善壓頻比特性如圖 5中的曲線2和曲線3所示。在非線性特性中，與，在高頻時是成正比的，但是隨著頻率趨于零，電壓逐漸被提高。在偏置特性中，電壓補償量與頻率比分量共同決定定子電壓， 故:式中/ 值根據(jù)不同負載的需要進行調(diào)整。轉(zhuǎn)差頻率控制從異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程式和穩(wěn)態(tài)電路圖可以看到，當(dāng)s很小時，很小,般為的2%5%,可得近似的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率的關(guān)系式:上式說明：在S很小的圍，只要能夠維持氣隙磁通不變，異步電動機的 轉(zhuǎn)矩近似地與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。 也就是說在異步電動機中控制，能夠到達間接 控制轉(zhuǎn)矩的作用。控制轉(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差率控制地根本概念。“保持磁通恒定是基

13、于穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式而得到的結(jié)論。在動態(tài)過程中，磁通不可能保持恒定。加之在實際中，磁飽和和溫度變化等引起的電機 參數(shù)的變化都將導(dǎo)致氣隙磁通的變化，使驅(qū)動性能降低，這是穩(wěn)態(tài)的函數(shù)關(guān)系所不 能自適應(yīng)解決的穩(wěn)態(tài)，所以轉(zhuǎn)差率控制的精度保證是困難的。轉(zhuǎn)差頻率控制的根本要點之一是保持磁通恒定， 為此需要對定子電流進行調(diào) 節(jié)。這種策略加強了對磁場的控制，有利于系統(tǒng)響應(yīng)的快速和穩(wěn)定性。但是對定子 電流進行調(diào)節(jié)的規(guī)律是在穩(wěn)態(tài)的情況下得到的，在動態(tài)過程中，一般說，并不能依 此來保證磁通恒定。另外，轉(zhuǎn)差頻率控制仍然沒有對電流的相位進行控制，這也會 影響它對轉(zhuǎn)矩的控制能力。同恒壓頻比控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依

14、賴的規(guī)律-不管是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差的 關(guān)系，還是保持恒磁通時，定子電流與轉(zhuǎn)差的關(guān)系，都是在穩(wěn)態(tài)條件下得出的，不 能反映動態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動態(tài)性能。233矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電機的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)，通過坐 標(biāo)變換，可以使之降階并解耦，但是并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。在標(biāo)量 控制中，動態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器的參數(shù)很難設(shè)計，究其原因在于仍采用單變量 系統(tǒng)的控制思想，而沒有從根本上解決非線性、多變量的特殊問題。矢量控制，又稱磁場定向控制。從原理上說，矢量控制方式的特征是：它把 交流電動機解析成直流電動機一樣的轉(zhuǎn)矩發(fā)生機構(gòu)，按照磁場與其正交電流的積就是轉(zhuǎn)

15、矩這一根本的原理，從理論上將電動機的一次電流別離成建立磁場的勵磁分量 和磁場正交的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，然后進行控制。其控制思想就是從根本上改造 交流電動機，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，設(shè)法在普通的三相交流電動機上模擬直流電 動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。矢量變換控制的根本思路，是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)那么，建立三相交流 繞組電流、兩組交流繞組電流和在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的正交繞組直流電流之間的等效關(guān) 系。由電動機結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)磁場的根本原理可知，三相固定的對稱繞組A、B、C,通過三相正弦平衡交流電流ia、ib、ic時，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖5(a)所示。舊)(c)圖5等效旋轉(zhuǎn)磁場下的不同繞組實際上，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一

16、定非要三相不可，除單相以外，二相、四相.等任意的多相對稱繞組，通過多相平衡電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。圖5 ( b)所示是兩相固定繞組和，通以兩相平衡交流電流和(相位相差90)時所產(chǎn)生的旋 轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的大小和轉(zhuǎn)速都相同時，圖5 (a)和5 (b)中所示的兩套繞組等效。圖5(c)中有兩個匝數(shù)相等相互垂直的繞組 M和T，分別通以直流電流 和-產(chǎn)生位置固定的磁通。如果使兩個繞組同時以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁通自然隨著旋 轉(zhuǎn)起來。這樣也可以認為和圖5 (a)所示的繞組是等效的。可以想象，當(dāng)觀察者站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時， 在他看來是兩個通以 直流的相互垂直的固定繞組。如果取磁通“的位置和M繞組的平面正交

17、，就和等效 的直流電動機繞組沒有什么差異了。其中 M繞組相當(dāng)于勵磁繞組，T繞組相當(dāng)于電 樞繞組。由此可見，將異步電動機模擬成直流電動機進行控制，就是將A、B、C靜止坐標(biāo)系表示的異步電動機矢量變換到按轉(zhuǎn)子磁通方向為磁場定向并以同步速度 旋轉(zhuǎn)的M-T直角坐標(biāo)系上，即進行矢量的坐標(biāo)變換。可以證明，在M-T直角坐標(biāo)系上，異步電動機的數(shù)學(xué)模型和直流電動機的數(shù)學(xué)模型是極為相似的。因此，我們可 以像控制直流電動機一樣去控制異步電動機，以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。矢量控制從原理上說可以得到與直流電動機相同的控制性能，但是矢量控制的運算中要使用電動機的參數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率的運算中所采用的轉(zhuǎn)子電阻值 2隨電動 機的溫度而變化，在轉(zhuǎn)矩控制精度上將產(chǎn)生問題。因此，設(shè)置轉(zhuǎn)差補償運算器，由 電動機的定子電壓、定子電流等檢出轉(zhuǎn)差頻率的誤差，自動地補償轉(zhuǎn)差頻率，以求 提高轉(zhuǎn)矩控制的精度。234直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法是繼矢量控制技術(shù)之后開展起來的一種新型交流變頻調(diào)速 技術(shù)。盡管矢量控制在原理上優(yōu)于標(biāo)量控制，但是在實際上，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以觀 測，系統(tǒng)性能受到電機參數(shù)的影響較大，以與復(fù)雜的矢量變換，都使它的實際控制 效果難于到達理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制正是彌補了矢量控制的缺乏，它防止 了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，減少了對電機參數(shù)的依賴性，以其新穎