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1、,,內(nèi)燃機(jī)車(chē)電力傳動(dòng),技術(shù)講座,（五）,第一節(jié) 概 述,長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)車(chē)電傳動(dòng)大多采用直流牽引電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流和電樞電流可以分別控制，其起動(dòng)、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 然而，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在電刷接觸式的換向器，它不僅工藝復(fù)雜，體積及重量大，耗銅，價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)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(hù)。由于換向及環(huán)火這一類問(wèn)題的存在，則要求電動(dòng)機(jī)換向片之間的電壓不能過(guò)高，因而使得直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)容量和高速時(shí)的利用功率受到限制，單電機(jī)的設(shè)計(jì)容量也很難超過(guò)1000kw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)車(chē)向高速、大功率方向發(fā)

2、展的要求。,交流傳動(dòng)發(fā)展的初期,三相交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子上既沒(méi)有換向器，也沒(méi)有帶絕緣的繞組，根本不存在換向火花及環(huán)火等問(wèn)題，因此，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于交流電動(dòng)機(jī)克服了直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，很早就引起了人們的極大注意，試圖將它用作鐵路機(jī)車(chē)的牽引電動(dòng)機(jī)。只是限于當(dāng)時(shí)的變頻供電技術(shù)條件而無(wú)法實(shí)施。上世紀(jì)50年代中期，法國(guó)國(guó)鐵曾在一臺(tái)樣車(chē)上裝置旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組進(jìn)行連續(xù)變頻調(diào)速，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)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(shù)的崛起與進(jìn)步和變頻調(diào)速裝置的研制成功，重新喚起了人們對(duì)交流調(diào)速傳動(dòng)

3、的重視。進(jìn)入70年代，因采用異步交流傳動(dòng)系統(tǒng)的DE-2500型內(nèi)燃機(jī)車(chē)在原聯(lián)邦德國(guó)研制成功，交流傳動(dòng)在牽引領(lǐng)域重新煥發(fā)出了前所未有的活力。,80年代交流傳動(dòng)的發(fā)展,進(jìn)入80年代，隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動(dòng)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展并已日趨成熟，在各種機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)上獲得了推廣運(yùn)用。在這一時(shí)期，歐洲的交流傳動(dòng)發(fā)展勢(shì)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(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。同時(shí)期，美國(guó)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)制造廠家們對(duì)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的投入采取了比較審慎的態(tài)度，僅在老機(jī)車(chē)改造方面作了一些嘗試，如GM公司的FLG型雙動(dòng)

4、力源客運(yùn)機(jī)車(chē)改造，裝用ABB公司提供的交流傳動(dòng)裝置及MICASS微機(jī)控制系統(tǒng)，第一批改造的該型機(jī)車(chē)10臺(tái)于1990年投入運(yùn)用。此外GM公司還與德國(guó)西門(mén)子公司合作對(duì)F69PH型客運(yùn)機(jī)車(chē)進(jìn)行改造，裝用西門(mén)子提供的交流傳動(dòng)裝置及SIBAS16微機(jī)控制系統(tǒng)。,90年代交流傳動(dòng)的發(fā)展,進(jìn)入90年代，交流傳動(dòng)技術(shù)成為機(jī)車(chē)技術(shù)熱點(diǎn)、被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)車(chē)的標(biāo)志而日益風(fēng)靡世界。美國(guó)交流機(jī)車(chē)市場(chǎng)異軍突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，之后又相繼推出SD70MAC、SD80MAC以及SD90MAC型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。而80年代一直默默無(wú)聲的GE公司也不甘示弱，相繼推出AC4000、AC60

5、00型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。而且兩大公司均擁有大批訂貨，幾年來(lái)總計(jì)達(dá)千余臺(tái)（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)截至1997年的定貨已近1400臺(tái)）。 除德國(guó)、美國(guó)外，法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭、日本等國(guó)也可以生產(chǎn)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，并有許多國(guó)家開(kāi)始批量訂購(gòu)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。,我國(guó)交流傳動(dòng)的發(fā)展,早在70年代，國(guó)內(nèi)有關(guān)科研院所、許多大專院校就開(kāi)展了交流傳動(dòng)技術(shù)的研究工作，但由于種種原因，始終處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。進(jìn)入90年代，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要，且有國(guó)外交流傳動(dòng)技術(shù)的成熟運(yùn)用以及在研制、運(yùn)用方面大量可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的交流傳動(dòng)技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。作為國(guó)家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的我國(guó)第一臺(tái)AC4000型大

6、功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)（原型機(jī)），于1996年6月19日在株洲電力機(jī)車(chē)廠誕生，這標(biāo)志著我國(guó)機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)技術(shù)零的突破。經(jīng)過(guò)機(jī)車(chē)試運(yùn)行，并在西南交通大學(xué)國(guó)家牽引動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了全面的技術(shù)試驗(yàn)，為改進(jìn)和完善交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)獲取了寶貴的第一手技術(shù)資料。在此基礎(chǔ)上，又相繼研制出性能更加優(yōu)良的交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)樣機(jī)?！熬盼濉逼陂g，我國(guó)正式進(jìn)入交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的研制階段。1997年，四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠承擔(dān)了我國(guó)第一臺(tái)交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的研制任務(wù)，于1999年9月完成試制。隨后各機(jī)車(chē)工廠也相繼開(kāi)發(fā)出交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)樣車(chē)。我國(guó)已進(jìn)入發(fā)展交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的實(shí)質(zhì)性階段。,異步交流牽引電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 1、構(gòu)

7、造簡(jiǎn)單，動(dòng)力學(xué)性能好,異步電動(dòng)機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，除軸承外，沒(méi)有其他機(jī)械接觸部分，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6000r/min。這是直流電機(jī)所望塵莫及的，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速因受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到2500r/min左右。由于異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對(duì)軌面的沖擊力小，使機(jī)車(chē)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。,2、功率大，牽引力大,由于異步牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jī)的23倍。在機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)所限制的空間條件下，異步牽引電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)到140

8、0kw2000kw。正因?yàn)槿绱耍趴墒箼C(jī)車(chē)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(jī)車(chē)的牽引能力。現(xiàn)以ND5型交直傳動(dòng)機(jī)車(chē)與SD60MAC交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)進(jìn)行比較：ND5型機(jī)車(chē)的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2940kw，起動(dòng)牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為359.8kN；SD60MAC機(jī)車(chē)的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2835kw，起動(dòng)牽引力為781kN，持續(xù)速度為20.5km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動(dòng)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(jī)具有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某臺(tái)電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，隨著

9、轉(zhuǎn)速的上升（上升值不大），轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力。 當(dāng)進(jìn)行粘著控制時(shí)，根據(jù)檢測(cè)有關(guān)粘著控制的信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既不發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力，實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的粘著系數(shù)可以利用得很高。 1992年美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)（AAR）在向四家機(jī)車(chē)制造廠提出的26臺(tái)交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)投標(biāo)建議書(shū)中提出的粘著指標(biāo)是：起動(dòng)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(jī)車(chē)上，采用“SENTRY”粘著控制裝置后，全天候粘著系數(shù)實(shí)測(cè)值為0.240.25），動(dòng)力制動(dòng)粘著系數(shù)為0.2

10、4。如此之高的粘著利用，正是針對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)所具有的良好的粘著控制而提出的，這對(duì)于交直傳動(dòng)系統(tǒng)是不可想象的。,4、可靠性高、維修簡(jiǎn)便,交流異步牽引電動(dòng)機(jī)無(wú)換向器、無(wú)電刷裝置，除軸承外，無(wú)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(jié)構(gòu)，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無(wú)觸點(diǎn)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(diǎn)磨損、粘接、接觸不良、機(jī)械卡滯等問(wèn)題。據(jù)美國(guó)伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流牽引電動(dòng)機(jī)的大修期一般在40萬(wàn)km48萬(wàn)km，而交流牽引電動(dòng)機(jī)的大修期可高達(dá)120萬(wàn)km160萬(wàn)km。此外，交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)配有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和

11、故障診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。綜上所述，可知交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性很高，維修量很小，且維修簡(jiǎn)便，維修費(fèi)用大大降低。以德國(guó)現(xiàn)有E1200型機(jī)車(chē)和EA1000型機(jī)車(chē)比較，交流傳動(dòng)的E1200型機(jī)車(chē)的維修費(fèi)僅為EA1000型機(jī)車(chē)的35%；E1200型機(jī)車(chē)的輪緣磨耗比EA1000型機(jī)車(chē)減少了53%。,5、效率高、利用率高、使用靈活性強(qiáng),交流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交直流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.86。根據(jù)有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，采用交流傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)與直流傳動(dòng)比較，在發(fā)揮相同功率時(shí)節(jié)省燃料10%25%。由于可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的利用率顯著提高，如某鐵路運(yùn)

12、輸公司采用交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)后，機(jī)車(chē)?yán)寐视稍瓉?lái)的86%提高到95%，從鐵路運(yùn)營(yíng)管理的角度來(lái)說(shuō)，可減少機(jī)務(wù)段的備用機(jī)車(chē)數(shù)量以節(jié)省投資。正是交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)所顯示的高起動(dòng)牽引力、大持續(xù)功率和寬恒功率區(qū)的特點(diǎn)，使其具有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)列車(chē)對(duì)大的起動(dòng)牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)列車(chē)對(duì)高速度的要求，因此對(duì)客、貨列車(chē)編組來(lái)說(shuō)，成為名副其實(shí)的“通用機(jī)車(chē)”。,第二節(jié) 異步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 一、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法,1、電磁轉(zhuǎn)矩特性 電磁轉(zhuǎn)矩T公式 （5-1） 式中 Cm電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)； 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通（wb）； I2轉(zhuǎn)子電流（A）； cos 2轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)； S轉(zhuǎn)差

13、率； n1同步轉(zhuǎn)速； （f1電源頻率，p磁極對(duì)數(shù)）； n轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速（r/min）； E2轉(zhuǎn)子電勢(shì)，E2= 4.44k2w2f2= 4.44K2W2Sf1=SE20； R2轉(zhuǎn)子電路電阻（）； XL2轉(zhuǎn)子漏感抗，XL2=2f2LL2=2Sf1LL2=SXL20。,異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線：T=f(S),當(dāng)電源電壓U1及其頻率f1均不變時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩T僅隨轉(zhuǎn)差率S變化。 （1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（S=1） （2）最大轉(zhuǎn)矩Tmax（求極值） 臨界轉(zhuǎn)差率 （3）額定轉(zhuǎn)矩Te 額定功率Pe（kw），額定轉(zhuǎn)速ne（r/min）,2、異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 T=f(n),由

14、很容易將轉(zhuǎn)矩特性T=f（S）轉(zhuǎn)換為機(jī)械特性T=f（n） （1）不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)0nK： 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)很快加速進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)； 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)很快減速而堵轉(zhuǎn)。 （2）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)nKn1： 為電機(jī)正常工作區(qū)段，機(jī)械穩(wěn)定性好，能適應(yīng)負(fù)載的變化。 一般額定轉(zhuǎn)差率Se=0.040.06,3、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法,（1）改變電壓U1的調(diào)速 在電源頻率f1不變的條件下，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M與電壓U1的平方成正比 ，最大轉(zhuǎn)矩Tmax所對(duì)應(yīng)的SK與U1無(wú)關(guān)。可見(jiàn)改變U1不但不能使轉(zhuǎn)速有多大的變化，反而使電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大的波動(dòng)，削弱了電機(jī)適應(yīng)負(fù)載變化的能力。 （2

15、）改變磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速 由 可知，改變磁極對(duì)數(shù)p可改變它的同步轉(zhuǎn)速n1，也就改變了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。但調(diào)速范圍受到限制，且為有級(jí)調(diào)速。,（3）改變頻率的調(diào)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(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，可滿足機(jī)車(chē)牽引電動(dòng)轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕阶畲笾档恼{(diào)速要求。,二、異步電機(jī)的等值電路及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,、 電源相電壓和電機(jī)定子電流； 歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流； 電機(jī)激磁電流； 分別為一相定子感應(yīng)電勢(shì)和歸算到定 子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)； S 轉(zhuǎn)差率，為轉(zhuǎn)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(cè)的轉(zhuǎn)子電阻及漏電抗； Xm 激磁電抗。,Pe = mI22R2 / S,電磁轉(zhuǎn)矩公式：,令X1 + Xm = X11， X2 + Xm = X22,三、變頻調(diào)速的控制方式及其特性,異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行變頻調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載特性要求對(duì)變頻器的電壓、電流及頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。變頻調(diào)速控制方式的發(fā)展大體分為三個(gè)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(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，不具有轉(zhuǎn)矩控制功能； 第二階段是高功能型的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，其轉(zhuǎn)速需要閉環(huán)檢測(cè)，具有轉(zhuǎn)矩控制功能，能使電動(dòng)機(jī)在恒磁通或恒功率下運(yùn)行，能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率，其輸出靜態(tài)特性較U/f控制有較大的改進(jìn)； 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(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制特性，具有較高的動(dòng)態(tài)性能。,1、恒磁通（E1/f1=常數(shù)）的控制方式,異步電動(dòng)機(jī)的每極磁通正比于E1/f1，在進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)時(shí)，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(jī)的鐵磁材料，充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。 根據(jù)電機(jī)的等值電路可導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：,臨界轉(zhuǎn)差頻率：,最大轉(zhuǎn)矩：,恒磁通控制，在一定的f2指令下又稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，它可使電動(dòng)機(jī)在調(diào)頻范圍內(nèi)獲得恒定的過(guò)載倍數(shù)：,2、恒電壓頻率比（U1/f1=常數(shù)）的控制方式,應(yīng)該指出，E1是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電勢(shì)，難以直接檢測(cè)與控制，通常只能控制電機(jī)

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(jī)端電壓相比可以忽略，即可認(rèn)為U1E1，因此可按照U1/f1=常數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)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(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)。,高頻時(shí)定子電阻R1的影響可忽略，U1與f1近似于線性關(guān)系；然而在低頻時(shí)，R1的影響不容忽略，此時(shí)電壓U1相對(duì)有所提高。這是控制系統(tǒng)中電壓函數(shù)發(fā)生器V/F設(shè)計(jì)的依據(jù)。,3、恒定電流運(yùn)行控制方式,由電機(jī)等值電路可得：,不難看出，若保持電流I1和轉(zhuǎn)差頻率f2不變，則式中 必為常值，同樣可以實(shí)現(xiàn)恒磁通運(yùn)行。這種維持電機(jī)電流I1不變的控制方式，使逆變器在運(yùn)行范圍內(nèi)沒(méi)有過(guò)分的電流波動(dòng)，可以充分利用裝置容

19、量，使逆變器的設(shè)計(jì)可更為經(jīng)濟(jì)。另外，從控制的角度來(lái)說(shuō)，I1的恒定可通過(guò)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上也易行。 由于 =常數(shù)不能直接控制，只能用調(diào)節(jié) =常數(shù)來(lái)近似。因此，在低頻范圍內(nèi)，往往在控制轉(zhuǎn)差頻率f2恒定的同時(shí)，控制電流I1恒定，以達(dá)到 =常數(shù)的良好效果。,4、恒功率運(yùn)行控制方式,在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行中，隨著電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速的上升，電壓U1相應(yīng)提高，電機(jī)的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動(dòng)機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制。通常在頻率調(diào)節(jié)大于基準(zhǔn)頻率（f1f1N）時(shí)，即當(dāng)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(dòng)機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制。 在閉環(huán)控制

20、系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差頻率f2總是限定在小于fm的極小范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率S極小，且在恒功率范圍內(nèi)，電壓U1已提高到一定數(shù)值，可認(rèn)為U1E1，經(jīng)簡(jiǎn)化后得：,或?qū)懗桑?式中：,（1）U1不變，S=f2/f1=常數(shù)的調(diào)節(jié)方式,在最高轉(zhuǎn)速nmax時(shí)，保證有最小允許的過(guò)載能力；而在低速時(shí)，特別在恒功范圍的最低速度點(diǎn)nA以下，轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力就出現(xiàn)了不必要的裕度。電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和容量實(shí)際上只能由低速狀態(tài)所決定，故有較大的數(shù)值，電機(jī)本身的功率利用不充分。而逆變器 具有較小的設(shè)計(jì)容量和尺寸。,（2）f2不變，U12/f1=常數(shù)的調(diào)節(jié)方式,U12/f1=K 1,電機(jī)具有不變的過(guò)載系數(shù)，電機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)可以選擇在恒功范圍的最低轉(zhuǎn)速

21、nA時(shí)具有最小允許的過(guò)載能力。這樣即使在高速運(yùn)行時(shí)仍然有適度的轉(zhuǎn)矩裕量，使在整個(gè)恒功調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并能較充分地利用電機(jī)的功率，因而電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小。但逆變器的設(shè)計(jì)容量和尺寸較大。,5. 機(jī)車(chē)牽運(yùn)行方式,（1）起動(dòng)加速區(qū)：12 段屬內(nèi)燃機(jī)車(chē)，12屬電力機(jī)車(chē)。起動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)使轉(zhuǎn)差頻率f2保持恒定，U1/f1近似為常數(shù)，牽引電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行。通常要求牽引電動(dòng)機(jī)能發(fā)出1.21.5倍的額定轉(zhuǎn)矩，使機(jī)車(chē)盡快平穩(wěn)起動(dòng)和加速。,（2）變電壓、恒功率運(yùn)行區(qū)：56區(qū)段，采用U12/f1=常數(shù)、f2不變的恒功率調(diào)節(jié)方式。這一區(qū)段對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)來(lái)說(shuō)，是為了充分利用柴油機(jī)的功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，通常更為

22、重要。 （3）恒電壓、恒功率運(yùn)行區(qū)：67區(qū)段屬內(nèi)燃機(jī)車(chē)，57屬電力機(jī)車(chē)。采用U1不變、f2/f1=常數(shù)的恒功率調(diào)節(jié)方式。在恒電壓下，供電頻率的增加使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生磁場(chǎng)削弱的效果。,第三節(jié) 牽引逆變器,如前所述，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須提供能夠同時(shí)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(jī)車(chē)上通過(guò)牽引接觸網(wǎng)供電的電壓和頻率也是基本上恒定的；內(nèi)燃機(jī)車(chē)上的柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所驅(qū)動(dòng)的牽引發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率亦是恒定的。因此，必須配備專門(mén)的變壓變頻裝置，通稱VVVF（Variable Voltage Variable Freq

23、uency的縮寫(xiě)）裝置。最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，現(xiàn)在已無(wú)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(jié)構(gòu)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(diào)壓、逆變器調(diào)頻：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制較方便。但當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，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(diào)壓、逆變器調(diào)頻 ：多了一個(gè)斬波器，但調(diào)壓時(shí)輸入端功率因數(shù)不變，克服了前裝置的第一個(gè)缺點(diǎn)。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍存在諧波較大的問(wèn)題。 3、不控整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變

24、器同時(shí)調(diào)壓調(diào)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(guò)輸入電源頻率的1/31/2，一般適用于低速、大容量的調(diào)速設(shè)備，或高轉(zhuǎn)速的燃汽輪機(jī)車(chē)。,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(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下近似一個(gè)內(nèi)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(dāng)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(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)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(chǔ)能元件，對(duì)無(wú)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(dǎo)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(shí)還對(duì)輸出的交流電進(jìn)行變頻、變壓調(diào)節(jié)，以滿足異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的要求。由此可見(jiàn)，逆變器在交-直-交電力傳動(dòng)系統(tǒng)中起著重要作用。,在每個(gè)周期中，控制各個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，即可得到不同的輸出頻率。在某一瞬間，控制一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，同時(shí)迫使另一個(gè)晶閘管關(guān)斷，在兩管之間實(shí)現(xiàn)換相。按照換相順序的不同，三相橋式逆變器分為180導(dǎo)通型和120導(dǎo)通型兩種工作方式。,1、任意瞬間都有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通（180導(dǎo)通型）,在同一橋臂上、下兩管之間互相換相、每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期中導(dǎo)通180電角，三相對(duì)應(yīng)元件相差120電角輪流導(dǎo)

27、 。這種導(dǎo)通規(guī)律使VT1VT6各元件每隔60電角輪換導(dǎo)通，在每一時(shí)刻都有三個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通。具體分組順序?yàn)?、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(shí)刻逆變器各晶閘管元件的開(kāi)關(guān)情況以一等效（元件開(kāi)通時(shí)認(rèn)為短路，元件斷開(kāi)時(shí)認(rèn)為斷路）電路表示，即可計(jì)算出任一時(shí)刻的相、線電壓，從而繪出相、線電壓波形。 例如在060范圍內(nèi)（左1圖）各相電壓：,可見(jiàn)，在每個(gè)周期內(nèi)，相電壓波形由六個(gè)階梯狀波形組成（常稱六階波），常稱這時(shí)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(jí)數(shù)對(duì)相電壓和線電壓進(jìn)行諧波分析，這種電壓含有5、7、11次等高次諧波，將給電機(jī)的運(yùn)行性能帶來(lái)一定的影響。逆變器的負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，屬電感性負(fù)載。當(dāng)逆變器以六階波電壓對(duì)電機(jī)供電時(shí)，其電流波形在負(fù)載電感的作用下將趨于平滑 。當(dāng)頻率較高時(shí)， 電流波形接近正弦波；而在低頻時(shí)，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(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通（120導(dǎo)通型）,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120，則同一橋臂上的兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間將有60的時(shí)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(jìn)行的。,五、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器的基本原理,

29、在傳統(tǒng)的交-直-交變壓變調(diào)速系統(tǒng)中為了獲得變頻調(diào)速所要求的電壓頻率協(xié)調(diào)控制，交-直流整流器必須是可控的，且在調(diào)速時(shí)須同時(shí)控制整流器和逆變器，如此就帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。主要是：（1）主電路有兩個(gè)須控制的功率環(huán)節(jié)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)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(chǔ)能元件存在，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。 1964年，德國(guó)的A.Sch

30、onung等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于交流變頻器，用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM逆變器基本上解決了六階波變頻器中存在的問(wèn)題。,PWM變壓變頻器的主要特點(diǎn),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(kāi)關(guān)器件按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或關(guān)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(guò)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(guò)改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。 PWM變壓變頻器的主要特點(diǎn)如下： （1）主電路只有一個(gè)

31、可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)； （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(wú)關(guān)； （3）逆變器在調(diào)頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)無(wú)關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)； （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(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍（特別低速區(qū)），提高了系統(tǒng)的性能。,1、正弦脈寬調(diào)制逆變器的基本原理,所謂的正弦脈寬調(diào)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(duì)應(yīng)區(qū)間的面積相等。即可以把一個(gè)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(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣，由n個(gè)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(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)矩形脈沖波等效。這種正弦波正、負(fù)半周分別用正、負(fù)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(dòng)機(jī)定子繞組為Y聯(lián)結(jié)，其中點(diǎn)O與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn)O相連，因而當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為US/2 。,SPWM的原理,實(shí)用的辦法是引用通訊技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，將所期望的正弦波形作為基

33、準(zhǔn)的調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號(hào)稱為載波。在SPWM中常用等腰三角波作為載波。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變器開(kāi)關(guān)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(shí)，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(shí)，輸出電壓基波的幅值也改變，從而實(shí)現(xiàn)變頻變壓。,雙極式SPWM,單極式SPWM波形在半周內(nèi)的脈沖電壓只在“正”（或“負(fù)”）和“零”之間變化，主電路每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件反復(fù)通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件交替地通斷，處于互補(bǔ)工作方式，則輸出脈沖就在“正”和“負(fù)”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(diào)制的PWM電流波形,2、對(duì)脈寬調(diào)制的制約條件,根據(jù)脈寬調(diào)制的特點(diǎn)，逆變器主電路的功率開(kāi)關(guān)器件在其輸出電壓半周內(nèi)要開(kāi)關(guān)n次。當(dāng)n越大，脈沖序列波的脈寬i越小時(shí)，SPWM的基波更接近期望的正弦波。但是，功率開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)關(guān)能力是有限的，所以在應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)時(shí)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率 各種功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)。 （2）調(diào)制度 為保證調(diào)制成的脈沖波的最小脈沖寬度大于開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間ton，而最小脈沖間歇大于器件的

35、關(guān)斷時(shí)間toff。要求參考電壓信號(hào)的幅值Urm不能超過(guò)三角載波的峰值Utm的某百分?jǐn)?shù)。為此，定義Urm與Utm之比為調(diào)制度為： 在理想情況下，M值可在01之間變化，以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。實(shí)際上由于上述的原因，一般取最高的M=0.80.9。,3、同步調(diào)制和異步調(diào)制,定義載波頻率ft與參考調(diào)制波頻率fr之比為載波比N（或稱調(diào)制比），即 在實(shí)行SPWM脈寬調(diào)制時(shí)，載波比N對(duì)變頻調(diào)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(diào)制與異步調(diào)制之分。,（1）同步調(diào)制,在同步調(diào)制方式中，N=常數(shù)，變頻時(shí)三角載波的頻率ft與正弦調(diào)制波的頻率fr同步

36、變化，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)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(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，并能?chē)?yán)格保證三相輸出波形間具有互差120的對(duì)稱關(guān)系。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖的間距增大，諧波成分會(huì)顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步調(diào)制方式的主要缺點(diǎn)。,（2）異步調(diào)制,在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變參考信號(hào)頻率fr時(shí)保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是3的倍數(shù)，勢(shì)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(duì)稱性，將造成電機(jī)工作的不平穩(wěn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可將同步與異步兩種調(diào)制方式結(jié)合起來(lái)，成為分段同步的調(diào)制方式。,（3）分段同步調(diào)制,為了楊長(zhǎng)避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來(lái)，成為分段同步調(diào)制方式。該調(diào)制方式是把逆變器的整個(gè)變頻范圍劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N恒定（即同步），而對(duì)不同的頻率段取不同的N值，頻率低時(shí)，N值取大些，同時(shí)注意最高開(kāi)關(guān)頻率的限制，一般大致按等比級(jí)數(shù)安排。,

38、六、由晶閘管構(gòu)成的逆變電路 1、電壓型逆變電路,強(qiáng)迫換流過(guò)程,換流過(guò)程的波形,麥?zhǔn)想娐返难葑?2、電流型逆變電路及電流波形,強(qiáng)迫換流過(guò)程,七、由門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO構(gòu)成的逆變電路,眾所周知普通晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通，門(mén)極就失去了控制作用，因而需要較復(fù)雜的輔助換流電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷。而GTO屬于全控型器件，也稱自關(guān)斷器件，即在其門(mén)極上加入極性不同的電流，可使GTO在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)門(mén)極加上正信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通；若在處于導(dǎo)通狀態(tài)GTO的門(mén)極加上負(fù)信號(hào)，它立即從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)。由于不需要輔助換流電路，所以由GTO構(gòu)成的逆變電路可大為簡(jiǎn)化。,（一）GTO的變頻調(diào)速系統(tǒng),（二）GTO的緩沖吸收

39、電路及保護(hù)問(wèn)題,GTO一般工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是它不具備功率晶體管那種良好的關(guān)斷性能，因此，陽(yáng)極吸收是應(yīng)用中很重要的技術(shù)問(wèn)題，它將直接影響GTO到能否正常工作。 GTO的吸收電路包括開(kāi)通電路與關(guān)斷吸收電路。開(kāi)通吸收電路抑制GTO導(dǎo)通時(shí)的陽(yáng)極電流上升率di/dt，轉(zhuǎn)移和減小GTO開(kāi)通期的功耗。關(guān)斷吸收電路限制GTO關(guān)斷時(shí)的重加陽(yáng)極電壓上升率dv/dt，確保關(guān)斷電流，轉(zhuǎn)移和減小GTO關(guān)斷期的功耗；抑制重加陽(yáng)極過(guò)電壓，防止GTO再次觸發(fā)。,（三）GTO的門(mén)極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題,1、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu),2、門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形,八、二點(diǎn)式逆變器和三點(diǎn)式逆變器,三點(diǎn)式逆變器具有以下兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)： 1、二點(diǎn)式

40、逆變器的輸出端電位在Ud/2和Ud/2之間變化，而三點(diǎn)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(duì)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(diǎn)式逆變器的輸出電壓波形比二點(diǎn)式逆變器的波形包含較少的諧波分量。在一個(gè)周期內(nèi)，二點(diǎn)式逆變器電路只有8種狀態(tài)，而三點(diǎn)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(zhuǎn)換時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。三點(diǎn)式逆變器的缺點(diǎn)在于增加元件數(shù)目和安裝位置。,二點(diǎn)式逆變器與三點(diǎn)式逆變器比較,

41、三點(diǎn)式逆變器的工作原理,三點(diǎn)式逆變器一個(gè)相半橋電路各元件的開(kāi)關(guān)狀態(tài),第四節(jié) 機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng),設(shè)異步牽引電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在恒功率曲線上的g點(diǎn)，即供電頻率是f1的異步牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與阻力矩曲線TL1的交點(diǎn)。 如果機(jī)車(chē)的阻力矩曲線由TL1變化到TL2，則異步牽引電動(dòng)機(jī)的新的工況點(diǎn)必然落在新的阻力矩曲線TL2與機(jī)械特性曲線的交點(diǎn)g1上，此時(shí)為機(jī)車(chē)柴油機(jī)“欠載” 。 功率閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)“增功率”信號(hào) “增頻率”信號(hào)，使電源頻率由f1增加到f”1 ，新的工況點(diǎn)h點(diǎn)正好落在恒功率牽引特性上為止。,控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)過(guò)程：,交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的控制策略,機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)要求在寬廣的速度范圍內(nèi)，對(duì)每個(gè)

42、速度點(diǎn)都能提供合適的力矩值。所以速度和力矩值被認(rèn)為是系統(tǒng)的被調(diào)量，而調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的好壞取決于對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制能力。 交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜、非線性、多變量控制對(duì)象，因此，交流傳動(dòng)不象直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)那樣，有一種標(biāo)準(zhǔn)的控制結(jié)構(gòu)，而是先后開(kāi)發(fā)出各種各樣的方法。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩生成的物理機(jī)理和數(shù)學(xué)表達(dá)式，除了直接采用轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制外，還可以結(jié)合與轉(zhuǎn)矩相關(guān)的氣隙磁通、轉(zhuǎn)差頻率或定子電流的控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)間接轉(zhuǎn)矩控制。應(yīng)當(dāng)注意的是，無(wú)論控制結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，或采用什么樣的反饋環(huán)和反饋量，逆變器只有兩個(gè)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(dòng)機(jī)車(chē)

43、和動(dòng)車(chē)組上，比較普遍采用的電動(dòng)機(jī)控制策略有三種：轉(zhuǎn)差頻率控制、磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。,一、轉(zhuǎn)差頻率控制,目前，在鐵路牽引的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，幾乎都采用脈寬調(diào)制（PWM）逆變器。這種逆變器特點(diǎn)在于，當(dāng)控制系統(tǒng)給定電壓U1和頻率f1時(shí)，PWM逆變器的輸出總是能保證電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通1U1/f1接近于恒值，這就自動(dòng)滿足了關(guān)于恒磁通控制的要求，從而近似地使轉(zhuǎn)矩Tf2。只要控制轉(zhuǎn)差頻率f2不變，就可保持轉(zhuǎn)矩T恒定，以滿足機(jī)車(chē)起動(dòng)和加速牽引力恒定的要求。當(dāng)f1達(dá)到一定值后，U1保持不變，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)在每個(gè)速度點(diǎn)發(fā)出所要求的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)

44、恒功率運(yùn)行。的變化規(guī)律，就能夠使電動(dòng)機(jī)在每個(gè)速度點(diǎn)發(fā)出所要求的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)恒功率運(yùn)行。,交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)實(shí)例,二、矢量控制 1、異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖和等效直流電機(jī)模型,在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流IA、IB、IC通過(guò)三相/兩相（3/2）變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流i1、i1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)變換（VR），可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流im1、it1。如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī) ，原交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通2就是等效直流電機(jī)的磁通，im1相當(dāng)于勵(lì)磁電流，it1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。,圖656 異步電機(jī)的

45、坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相兩相變換；VR同步旋轉(zhuǎn)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(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換，就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）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(nèi)的部分可以完全抵消，剩下的部分就和直流調(diào)速系統(tǒng)非常相似了?？梢韵胂?，矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能應(yīng)該完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。,三、內(nèi)燃機(jī)車(chē)交-直-交傳動(dòng)控制,在內(nèi)燃機(jī)車(chē)上對(duì)柴油機(jī)按額定功率或部分功率最佳化進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速恒功率控制，交流傳動(dòng)控制系

46、統(tǒng)須與之相配合。因此，內(nèi)燃機(jī)車(chē)交-直-交傳動(dòng)控制系統(tǒng)是集柴油機(jī)控制和交流傳動(dòng)控制為一體的機(jī)車(chē)牽引控制系統(tǒng)。 而在常用的電壓型交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)司機(jī)手柄位一定時(shí)，中間直流回路電壓恒定，不可能象交-直流傳動(dòng)那樣通過(guò)調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流達(dá)到恒功率運(yùn)行，而是通過(guò)牽引逆變器對(duì)異步牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行。只有當(dāng)司機(jī)手柄位改變時(shí)，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(gè)手柄位在低速區(qū)的恒力矩運(yùn)行，是通過(guò)對(duì)牽引逆變器進(jìn)行PWM變壓變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,（一）采用聯(lián)合調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng),（二）NJ1型交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)控制系統(tǒng),交流傳動(dòng)矢量控制系統(tǒng),