鐵道機車專業(yè)教學湖南鐵道左繼紅55課件

鐵道機車專業(yè)教學資源庫湖南鐵道職業(yè)技術學院主講：左繼紅牽引電機的特性調節(jié)前面講在進行電機調速時，為保持電動機的磁通恒定，需要對電機的電壓與頻率進行協(xié)調控制。那么應該怎樣對電機的電壓與頻率進行協(xié)調控制呢？對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況?；l，即基本頻率f1，是變頻器對電動機進行恒轉矩控制和恒功率控制的分界線，應按電動機的額定電壓（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）進行設定，即在大多數情況下，額定輸出電壓就是變頻器輸出頻率等于基本頻率時的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率fN（即與電動機額定輸出電壓對應的頻率）。異步電動機變壓變頻調速時，通常在基頻以下采用恒轉矩調速，基頻以上采用恒功率調速由于電機的感應電勢檢測和控制比較困難，考慮到在電機正常運轉時電機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控制是異步電動機變頻調速的最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U1/f1為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出發(fā)點是電動機的穩(wěn)態(tài)數學模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時才符合要求。在過渡過程中，電動機所產生的轉矩需要按照電動機的動態(tài)數學模型進行分析計算。因此恒定U1/f1控制的電動機系統(tǒng)難以滿足動態(tài)性能的要求。在起動時，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運行的條件，頻率的變化應盡可能緩慢，以避免電動機出現失速現象，即電動機轉子的轉速與旋轉磁場的轉速相差很大?；钤龃?，造成電動機中流過很大的電流，電動機輸出的轉矩將減小。1．基頻以下調速若采用開環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關元件的互鎖時間也是影響電機低速性能的重要原因。對電壓型變頻器，考慮到電力半導體器件的導通和關斷均需一定時間，為防止上下元件在導通/關斷切換時出現直通，造成短路而損壞，在控制導通時設置一段開關導通延遲時間。在開關導通延遲時間內，橋臂上下電力半導體器件均處于關斷狀態(tài)，因此又將開關導通延遲時間稱為互鎖時間?；ユi時間的長短與電力半導體器件的種類有關。由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時互鎖時間的影響就比較大，從而導致電機的低速性能降低。互鎖時間造成的壓降還會引起轉矩脈動，在一定條件下將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時變頻器不能運行。對磁通進行閉環(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．基頻以下調速如果把電壓、頻率協(xié)調控制中的電壓U1進一步再提高一些，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，便的到恒定Er/f1控制，其機械特性是一條直線。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一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調速所要求的性能。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？按照電動勢與磁通的關系Eg=4.44f1N1KN1ΦM式4-6可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通Eg的感應電動勢對應于氣隙磁通ΦM，那么，轉子磁通的感應電動勢Er就應該對應于轉子磁通ΦrEr=4.44f1N1KN1Φr式4-7由此看見，只要能夠按照轉子磁通Φr＝恒值進行控制，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．基頻以下調速壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機的絕緣。為此，在電機達到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機電壓不變。這樣，電機所能輸出的功率由電機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。在基頻以上調速時，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，電機調速屬于恒轉矩調速。電機在恒轉矩調速時，磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。2．基頻以上調速⑴V/F控制在恒定U1/f1控制中，頻率f1下降時，定子電阻壓降在U1中所占比例增大，造成氣隙磁通ΦM和轉矩下降，采取適當提高U1/f1的方法，來低償定子電阻壓降的增大，而保持ΦM＝恒值，最終使電動機的轉矩得到補償。這種方法稱為轉矩補償，因為它是通過提高U1/f1而得到的，故又稱V/F控制或電壓補償。許多書中則直譯為轉矩提升（Torqueboost）。⑵基本V/F曲線U1/f1＝恒值時的V/F曲線稱為基本V/F曲線（見下圖中曲線a），它表明了沒有補償時的電壓U1和頻率f1之間的關系。它是進行V/F控制時的基準線。⑶全補償V/F曲線不論f1為多大（在f1≤fN的范圍內），通過補償，都能保持ΦM＝恒值，稱為完全補償V/F曲線，簡稱全補償V/F曲線（見下圖中曲線b）。3．V/F控制與V/F曲線異步牽引電動機變頻調速是一種合理和理想的調速方法，實現變頻調速的裝置叫變頻器，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)逆變器牽引和制動系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因為以下三個原因:其一，采用大功率電力電子器件IGBT模塊。復合型IGBT是以單極型MOSFET為驅動元件，雙極型GTR為主導元件的達林頓結構元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅動功率小(電壓型)、電路簡單、開關頻率高、熱穩(wěn)定性好和后者安全工作區(qū)寬、電流密度高、導通壓降低的優(yōu)點;其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內外已投入運營的同類產品(4M2T)大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動功率;其三，VVVF逆變器采用直接轉矩控制系統(tǒng)，這是除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種新的高動態(tài)性能的、但更簡單適用的變頻變壓調速系統(tǒng)。因此