鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)資源庫湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：左繼紅牽引電機(jī)的特性調(diào)節(jié)前面講在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。那么應(yīng)該怎樣對電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制呢？對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。基頻，即基本頻率f1，是變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)的額定電壓（指額定輸出電壓，是變頻器輸出電壓中的最大值，通常它總是和輸入電壓相等）進(jìn)行設(shè)定，即在大多數(shù)情況下，額定輸出電壓就是變頻器輸出頻率等于基本頻率時(shí)的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率fN（即與電動(dòng)機(jī)額定輸出電壓對應(yīng)的頻率）。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速由于電機(jī)的感應(yīng)電勢檢測和控制比較困難，考慮到在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的電壓和電勢近似相等，因此可以通過控制U1/f1恒定，以保持氣隙磁通基本恒定。恒定U1/f1控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U1/f1為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出發(fā)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才符合要求。在過渡過程中，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。因此恒定U1/f1控制的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)難以滿足動(dòng)態(tài)性能的要求。在起動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件，頻率的變化應(yīng)盡可能緩慢，以避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相差很大。滑差增大，造成電動(dòng)機(jī)中流過很大的電流，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。1．基頻以下調(diào)速若采用開環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關(guān)元件的互鎖時(shí)間也是影響電機(jī)低速性能的重要原因。對電壓型變頻器，考慮到電力半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均需一定時(shí)間，為防止上下元件在導(dǎo)通/關(guān)斷切換時(shí)出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時(shí)設(shè)置一段開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間。在開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間內(nèi)，橋臂上下電力半導(dǎo)體器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，因此又將開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間稱為互鎖時(shí)間。互鎖時(shí)間的長短與電力半導(dǎo)體器件的種類有關(guān)。由于互鎖時(shí)間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時(shí)候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時(shí)互鎖時(shí)間的影響就比較大，從而導(dǎo)致電機(jī)的低速性能降低。互鎖時(shí)間造成的壓降還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)變頻器不能運(yùn)行。對磁通進(jìn)行閉環(huán)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，電機(jī)的電流波形的到明顯改善，氣隙磁通更加接近圓形1．基頻以下調(diào)速如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U1進(jìn)一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便的到恒定Er/f1控制，其機(jī)械特性是一條直線。顯然，恒定Er/f1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。問題是，怎樣控制變頻器的電壓和頻率才能獲得恒定Er/f1的呢？按照電動(dòng)勢與磁通的關(guān)系Eg=4.44f1N1KN1ΦM式4-6可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通Eg的感應(yīng)電動(dòng)勢對應(yīng)于氣隙磁通ΦM，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢Er就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通ΦrEr=4.44f1N1KN1Φr式4-7由此看見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通Φr＝恒值進(jìn)行控制，就可獲得恒定Er/f1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則1．基頻以下調(diào)速壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機(jī)的絕緣。為此，在電機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機(jī)電壓不變。這樣，電機(jī)所能輸出的功率由電機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化。具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時(shí)，電機(jī)調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。2．基頻以上調(diào)速⑴V/F控制在恒定U1/f1控制中，頻率f1下降時(shí)，定子電阻壓降在U1中所占比例增大，造成氣隙磁通ΦM和轉(zhuǎn)矩下降，采取適當(dāng)提高U1/f1的方法，來低償定子電阻壓降的增大，而保持ΦM＝恒值，最終使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，因?yàn)樗峭ㄟ^提高U1/f1而得到的，故又稱V/F控制或電壓補(bǔ)償。許多書中則直譯為轉(zhuǎn)矩提升（Torqueboost）。⑵基本V/F曲線U1/f1＝恒值時(shí)的V/F曲線稱為基本V/F曲線（見下圖中曲線a），它表明了沒有補(bǔ)償時(shí)的電壓U1和頻率f1之間的關(guān)系。它是進(jìn)行V/F控制時(shí)的基準(zhǔn)線。⑶全補(bǔ)償V/F曲線不論f1為多大（在f1≤fN的范圍內(nèi)），通過補(bǔ)償，都能保持ΦM＝恒值，稱為完全補(bǔ)償V/F曲線，簡稱全補(bǔ)償V/F曲線（見下圖中曲線b）。3．V/F控制與V/F曲線異步牽引電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是一種合理和理想的調(diào)速方法，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，交—直—交變頻器按無功能量處理方式分為電壓型和電流型。在即將投入運(yùn)營的SZ1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓(VVVF)逆變器牽引和制動(dòng)系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因?yàn)橐韵氯齻€(gè)原因:其一，采用大功率電力電子器件IGBT模塊。復(fù)合型IGBT是以單極型MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件，雙極型GTR為主導(dǎo)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小(電壓型)、電路簡單、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好和后者安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn);其二，單臺牽引電機(jī)額定功率較之目前國內(nèi)外已投入運(yùn)營的同類產(chǎn)品(4M2T)大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動(dòng)功率;其三，VVVF逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這是除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種新的高動(dòng)態(tài)性能的、但更簡單適用的變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。因此