牽引變流器變流器工作原理

PAGEPAGE4牽引變流器變流器工作原理1，概述交流異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系:⑴

變頻調(diào)速就是利用電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨電機(jī)電源頻率變化的特性，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的方法。利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件如IGBT等變頻裝置構(gòu)成變頻電源對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。同步轉(zhuǎn)速隨電源頻率線性地變化，改變頻率時(shí)的機(jī)械特性是一組平行的曲線，類似于直流電機(jī)電樞調(diào)壓調(diào)速特性。因此，從性能上來(lái)講，變頻調(diào)速是交流電機(jī)最理想的調(diào)速方法。

異步電機(jī)電壓U1與磁通Φ的關(guān)系：

⑵有⑵式知，若不變，與成反比，如果下降，則增加，使磁路過(guò)飽和，勵(lì)磁電流迅速上升，導(dǎo)致鐵損增加，電機(jī)發(fā)熱及效率下降，功率因數(shù)降低。如果上升，則減小，電磁轉(zhuǎn)矩也就跟著減小，電機(jī)負(fù)載能力下降。由此可見(jiàn)，在調(diào)節(jié)的同時(shí)，還要協(xié)調(diào)地控制，即給電機(jī)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(jī)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(kāi)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)。若調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合，比如風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)，可以采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也比較低。若要提高靜、動(dòng)態(tài)性能，可以采用轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。若調(diào)速系統(tǒng)對(duì)靜、動(dòng)態(tài)性能的要求很高，則需要采用模擬直流電機(jī)控制的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制系統(tǒng)，但是需要進(jìn)行大量復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，而且控制對(duì)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(lái)繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。它避開(kāi)了矢量控制的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩“砰—砰”控制。地鐵列車(chē)和電動(dòng)車(chē)組的調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)靜、動(dòng)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(chē)的牽引系統(tǒng)為直-交變頻器，電動(dòng)車(chē)組的牽引系統(tǒng)為交-直-交變頻器。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，變頻器的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個(gè)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，利用了微機(jī)的強(qiáng)大信息處理能力，使軟件功能不斷強(qiáng)化，變頻器的靈活性和適用性不斷增強(qiáng)。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，變頻器的網(wǎng)絡(luò)功能和通信不斷增強(qiáng)，它不僅可以與設(shè)備網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線直接相連，還可以與信息交換實(shí)時(shí)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(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。2.1，電壓型PWM變頻器主電路的原理圖圖1電壓型PWM變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）。2.2.1，開(kāi)關(guān)器件的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由三角波載頻信號(hào)uc與三相正弦波參考信號(hào)ur相比較的方法產(chǎn)生。如圖2所示。（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(lái)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成分段同步調(diào)制。把變頻器的整個(gè)變頻范圍劃分成若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)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(duì)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(diǎn)，也是它廣泛采用的原因。2.3，變頻器的控制方式2.3.1電壓頻率協(xié)調(diào)控制如果變頻調(diào)速過(guò)程中，磁通過(guò)大，會(huì)使鐵心飽和，勵(lì)磁電流過(guò)大會(huì)使繞組過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電機(jī)；磁通過(guò)小時(shí)，電機(jī)出力不足，輸出轉(zhuǎn)矩小，電機(jī)的鐵心不能充分利用，造成浪費(fèi)。所以，變頻調(diào)速時(shí)還要同時(shí)改變定子電壓，以保證電機(jī)調(diào)速時(shí)保持每極磁通量為額定值。由關(guān)系式

可知，為了保持Φ恒定，改變頻率時(shí)，就要相應(yīng)地改變定子感應(yīng)電勢(shì)，使

按照上式確定的控制方法稱為恒定電勢(shì)頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電勢(shì)一般是難以直接測(cè)量和控制的。為了便于實(shí)現(xiàn)，我們通常采取近似的方法：當(dāng)電勢(shì)較高的時(shí)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(shì)，使

這就是恒定壓頻比的控制方式。不論是恒定電勢(shì)頻率比還是恒定電壓頻率比都只能在基頻以下運(yùn)行。如果要在基頻以上調(diào)速運(yùn)行，頻率可以大于額定頻率，但是電壓卻不能大于額定電壓，只能保持=。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。

圖4恒壓頻比控制特性如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都有額定電流，則電機(jī)能在溫升容許的情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。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(shí),定子電壓遠(yuǎn)大于定子阻抗壓降,定子阻抗壓降可忽略不計(jì)，U1≌E1；但低頻低壓時(shí)，定子阻抗壓降已經(jīng)不能忽略，U1≠E1，此時(shí)的壓頻比恒定已經(jīng)不能保證磁通恒定。因此，低速時(shí)時(shí)引起電勢(shì)和磁通的明顯降低，將發(fā)生嚴(yán)重勵(lì)磁不足和轉(zhuǎn)矩減少的問(wèn)題。

為了改善低速時(shí)機(jī)械特性，需要對(duì)電壓給定進(jìn)行補(bǔ)償，即在低速時(shí)抬高壓頻比值，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(shí)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(bǔ)償量與頻率比分量共同決定定子電壓，故：

⑷

式中:值根據(jù)不同負(fù)載的需要進(jìn)行調(diào)整。2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制從異步電動(dòng)機(jī)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(shí)，很小，一般為的2％～5％，可得近似的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率的關(guān)系式：

⑸

上式表明：在S很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持氣隙磁通不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似地與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。也就是說(shuō)在異步電動(dòng)機(jī)中控制，能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的作用?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差率控制地基本概念。

“保持磁通恒定”是基于穩(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(dòng)態(tài)過(guò)程中，磁通不可能保持恒定。加之在實(shí)際中，磁飽和和溫度變化等引起的電機(jī)參數(shù)的變化都將導(dǎo)致氣隙磁通的變化，使驅(qū)動(dòng)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)差頻率控制的基本要點(diǎn)之一是保持磁通恒定，為此需要對(duì)定子電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種策略加強(qiáng)了對(duì)磁場(chǎng)的控制，有利于系統(tǒng)響應(yīng)的快速和穩(wěn)定性。但是對(duì)定子電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的規(guī)律是在穩(wěn)態(tài)的情況下得到的，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，一般說(shuō)，并不能依此來(lái)保證磁通恒定。另外，轉(zhuǎn)差頻率控制仍然沒(méi)有對(duì)電流的相位進(jìn)行控制，這也會(huì)影響它對(duì)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(shí),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(dòng)態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。2.3.3矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以使之降階并解耦，但是并沒(méi)有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。在標(biāo)量控制中，動(dòng)態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器的參數(shù)很難設(shè)計(jì)，究其原因在于仍采用單變量系統(tǒng)的控制思想，而沒(méi)有從根本上解決非線性、多變量的特殊問(wèn)題。

矢量控制，又稱磁場(chǎng)定向控制。從原理上說(shuō)，矢量控制方式的特征是：它把交流電動(dòng)機(jī)解析成直流電動(dòng)機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，按照磁場(chǎng)與其正交電流的積就是轉(zhuǎn)矩這一基本的原理，從理論上將電動(dòng)機(jī)的一次電流分離成建立磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量和磁場(chǎng)正交的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，然后進(jìn)行控制。其控制思想就是從根本上改造交流電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。

矢量變換控制的基本思路，是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本原理可知，三相固定的對(duì)稱繞組A、B、C，通過(guò)三相正弦平衡交流電流ia、ib、ic時(shí)，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖5（a）所示。

圖5等效旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下的不同繞組實(shí)際上，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相不可，除單相以外，二相、四相…….等任意的多相對(duì)稱繞組，通過(guò)多相平衡電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(shí)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小和轉(zhuǎn)速都相同時(shí)，圖5（a）和5（b）中所示的兩套繞組等效。圖5（c）中有兩個(gè)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(gè)繞組同時(shí)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁通自然隨著旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這樣也可以認(rèn)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(shí)，在他看來(lái)是兩個(gè)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，就和等效的直流電動(dòng)機(jī)繞組沒(méi)有什么差別了。其中M繞組相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，T繞組相當(dāng)于電樞繞組。

由此可見(jiàn)，將異步電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，就是將A、B、C靜止坐標(biāo)系表示的異步電動(dòng)機(jī)矢量變換到按轉(zhuǎn)子磁通方向?yàn)榇艌?chǎng)定向并以同步速度旋轉(zhuǎn)的M-T直角坐標(biāo)系上，即進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換?？梢宰C明，在M-T直角坐標(biāo)系上，異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一樣去控制異步電動(dòng)機(jī)，以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。

矢量控制從原理上說(shuō)可以得到與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制性能，但是矢量控制的運(yùn)算中要使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率的運(yùn)算中所采用的轉(zhuǎn)子電阻值r2隨電動(dòng)機(jī)的溫度而變化，在轉(zhuǎn)矩控制精度上將產(chǎn)生問(wèn)題。因此，設(shè)置轉(zhuǎn)差補(bǔ)償運(yùn)算器，由電動(dòng)機(jī)的定子電壓、定子電流等檢出轉(zhuǎn)差頻率的誤差，自動(dòng)地補(bǔ)償轉(zhuǎn)差頻率，以求提高轉(zhuǎn)矩控制的精度。2.3.4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)之后發(fā)展起來(lái)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(shí)際上，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以觀測(cè)，系統(tǒng)性能受到電機(jī)參數(shù)的影響較大，以及復(fù)雜的矢量變換，都使它的實(shí)際控制效果難于達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制正是彌補(bǔ)了矢量控制的不足，它避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，減少了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性，以其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)果、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能備受人們的青睞，得到迅速的發(fā)展。

直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)：

（1）在定子坐標(biāo)系下分析交流機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接控制