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1、1,第三章 电力牵引交流传动与控制,主要内容：电力牵引交流传动技术概述电力牵引交流传动基础交-直-交变流器与逆变器电力牵引交流传动的控制技术,2,第三章 电力牵引交流传动与控制,一、电力牵引交流传动技术概述机车交流传动系统的基本结构交流传动机车：（特指）采用各种变流器供电，交流异步或同步电动机驱动的机车或电动车组。变流器类型：交-交变流器（直接式）交-直-交变流器（间接式）,3,系统基本结构型式,（电压型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统（普遍应用）（电压型）交-直-交变流器+交流同步牵引电机系统（电流型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统交-交变流器+交流同步牵引电机系统,4,发展
2、历史与现状,交流调速技术上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术-大功率半导体器件）应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域日本 1975 直流 80%，交流 20%1985 直流 20%，交流 80%全世界 上世纪80年代后五年交流调速年均增长13%-14%直流调速年均增长3%-4%中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电量38%。采用交流调速节能前景广阔,5,交流电传动机车技术发展20世纪60-70年代：初期发展阶段1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2
3、50070年代 共生产25套 20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车上获得推广应用欧洲发展迅速（共计达350多台）DE500系列（Mak公司 500kw GTO 1980）DE1024系列（Mak+ABB公司 2650kw GTO 挪威国铁）ME1500（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管1981）美国铁路交流传动投入不足，发展较慢-仅在老机车改造方面作了尝试,6,20世纪90年代：交流传动技术成为热点美国异军突起（至1997达1400台）SD60MAC（GM公司 2834kw GTO 微机控制 1992）AC4000（GE公司 3281kw GTO 32位微机 1994）A
4、C6000（GE公司 4474kw GTO 32位微机 1994）欧洲 GEC-Alsthom公司 为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997中国交流牵引传动技术发展70-80年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态1992 研制成功1000kw地面变流器（试验）装置1996 AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机1025kw）2000 DJJ1”蓝箭”220km/h IPM器件 直接转矩控制 1225kw异步电动机2001DJ2”奥星”号竣工，田心厂等 动车组 4800KW，Vmax=160Km/h，自主知识产权2002“中华之星”试验速度：312.5公里/小时2006 C
5、RH1、CRH2、CRH5，DJ4,7,大功率电力电子器件的发展-交流传动发展的关键技术之一,晶闸管（Thyristor）70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。GTO（Gate turn-off thyristor）80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于1-2kHz（吸收电路、触发和关断电路是关键）GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管电流控制
6、双极型自关断元件，通态压降低目前水平：600A/1200V、450A/1300V主要问题：难于突破1500V功率场效应管（Power MOSFET）(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小目前水平：200A/1000V,8,IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混合器件，电压控制元件国外已发展到第五代：第1代（1985）500-1000V 25A第2代（1989）600
7、-1200V 400A第3代 高频、低耗、低压降 1200-2000V第4、5代 2000-4000V，600A/1200V,800A/1000V至1500A/1600V模块化、智能化IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体的智能型模块中国机车用大功率半导体器件发展水平晶闸管：200-3000A/6500VGTO：600A/2500V（1993），目前研制500-2000A/2500-4500V,9,电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：,注：SIT(SITH)静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCT
8、H)MOS控制晶体管（晶闸管）,10,交流传动控制装置及控制技术的发展,上世纪80年代以前 主要为模拟器件和开关逻辑器件控制方式80年代 出现16位微机控制，如MICAS、SIBAS-16等90年代32位微机控制，如SIBAS-32等交流传动控制技术：微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和最优控制电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接转矩控制（控制转矩和磁链）,11,交流传动的优点,由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点：异步电动机陡
9、峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可达45%，交-直机车25%）牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑动接触部件）单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同步电动机0.5kw/kg，异步电动机0.68kw/kg或更高）交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保三相鼠笼式异步牵引电动机造价低,12,二、电力牵引交流传动基础,三相交流电机的旋转磁场,1.三
10、相异步电动机的工作原理及结构,逆时钟方向旋转,N,S,N,S,S,N,13,三相异步电动机的转动原理,旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上北极N下为南极S。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，在下半部则由外向里。按左手定则知，导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n1方向旋转。,三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为,转子导体感应电动势频率：,14,电机旋转磁场同步转速：n1=60f1/p(r/m)(3-2-2)f1 电机定子绕组输入电源频率(Hz)异步电
11、动机转速为n，转差率定义为：s=(n1-n)/n1 0s1(3-2-3)由转差率定义得电机转速公式：n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p(3-2-4)由转差n2=n1-n=60f2/p，代入(3-2-3)得：s=(n1-n)/n1=n2/n1=f2/f1(3-2-5)或：f2=sf1(3-2-5a)式中f2称为为转差频率（即转子导体感应电流频率）,15,三相异步电动机结构,封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇,16,三相笼型异步电动机结构图,17,定子铁心及冲片示意图,（b）铸铝转
12、子,笼形式转子绕组,（a）铜排转子,18,定子绕组的联结,定子三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每相绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，一般首端分别标为U1,V1,W1，末端分别标为U2,V2,W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图所示。三相绕组可接成星形或三角形。,星形连接,三角形连接,19,二、电力牵引交流传动基础,异步牵引电动机的调速特性及控制
13、規律异步牵引电动机的基本特性电磁转矩特性电磁转矩公式M=CmI2cos2=CmE2(r2/(X2s+r2)=CmE20(sr2/(sX2s0)+r2)(3-2-1)式中：Cm 电机结构常数 电机内旋转磁场每极磁通(Wb)E2=4.44f2k2w2 转子感应电势(v)f2 转子感应电势频率(Hz)r2 转子电路中等效电阻()X2s=2f2L2s=sX2s0=2s f1L2s 转子等效漏抗()L2s 转子等效漏感(H)cos2=r2/(X2s+r2)转子电路功率因数 I2=E2/(X2s+r2)转子电流(A)E20=E2/s 当电机f2=f1时的转子感应电势(v)X2s0=X2s/s 当电机f2=
14、f1时的转子漏抗(),20,电磁转矩特性曲线,Mmax 临界(最大)转矩Sk 临界转差率Me 额定转矩Se 额定转差率MQ 启动转矩（对应s=1),由异步电机扭矩公式，可得电磁转矩特性曲线。,21,临界转矩、转差率与电机其它参数的关系,由(3-2-1)式，令dM/ds=0得：sk=r2/X2s0=r2/(2f1L2s)(3-2-6)代入(3-2-1)式得：Mmax=CmE20/X2s0=Cm(4.44f1k2w2)/(2f1L2s)=Cm(3-2-7)因此：Mmax与r2无关；sk与f1成反比,与r2成正比若忽略定子漏抗时，定子输入电压近似等于定子感应电势：U1E1=4.44f1k1w1(3-
15、2-8)当f1不变，则 与U1正比，此时有：Mmax=Cm=CmU1(3-2-9)当U1不变，则与 1/f1正比，此时有：Mmax=Cm=Cm(1/f1)(3-2-10),22,sk与f1成反比,与r2成正比,23,当f1不变时，与U1正比Mmax=Cm=CmU1,24,当U1不变时，与 1/f1成正比Mmax=Cm=Cm(1/f1),25,机械特性M=f(n),可由M=f(s)求得：n=(1-s)n1=60f1(1-s)/pS=1 n=0S=0 n=n1稳定运行区nknn1非稳定运行区0nnk过载系数kMkM=Mmax/Me=1.82.5以确保电机稳定运行,26,27,谐波电流（磁场）引起的
16、谐波转矩（附加转矩）对机械特性的影响,高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。,28,异步牵引电动机调速,调速方法由式 n=60f1(1-s)/p可知调速三种途径：改变定子绕组磁极对数p绕组换接，有级调速改变转差率ss=f(u1,r1,x1s,x2s,r2)改变电机输入频率f1需要变频电源，可经济地获得宽广平滑的调速性能,29,变频调速对机械特性的影响,当取U1E1=4.44f1k1w1时有：=E1/(4.44f1k1w1)=U1/f1(4.44k1w1)代入式(3-2-7)：Mmax=CmE20/X2s0=Cm=CmU1/f1(3
17、-2-11)可见：保持u1=c调速，Mmax正比于1/f1；f1，u1/f1，电机工作在磁场削弱状态。-适合软负荷特性。,30,31,改变f1调速，且保持U1/f1不变，=const.，电机 工作在额定磁通，则Mmax=const.。-适合硬特性负载,32,问题：当采用不同的调频控制方式时，可以得到牵引电机不同的机械特性，用于机车牵引时应当采用什么控制方式呢？,33,异步牵引电动机控制规律的选择,异步牵引电动机牵引特性的形成机车理想特性有三部分组成启动加速阶段-近似恒牵引力正常牵引工况-恒功率限速阶段-恒速运行实现机车牵引特性必须施行两方面控制：实行变频调速，以满足机车速度不断变化的要求实行多
18、种规律控制，以满足牵引特性在不同阶段的要求,如：启动阶段-恒牵引力恒转矩Mmax不变牵引工况-恒功率FV=CMmax与f1成反比,34,恒功率运行阶段异步牵引电机机械特性的控制调节,(阻力矩Mz1Mz2)(引起工作点gg1，欠功率)(恒工控制系统发出“增加功率”信号变换成“增频”信号)(f1f1)(转矩M1M2)(工作点g1h)恒功率牵引特性形成B-C,35,控制规律的选择,启动阶段控制使Mmax=C，故应使：U1/f1=C(3-2-11)恒功阶段控制使Mmax与f1成反比例变化。可有两种控制方式：最小电动机、最大逆变器匹配使牵引电动机在各f1下的稳定工作点落在额定工况点上(s=se)，电机电
19、磁参数在整个恒功范围均得到充分利用，具有最小的设计容积功率。,36,令过载系数kM=Mmax/Me为常数，可得恒功控制条件：Me1=Mmax(1/kM)1=(Cm/kM)(2f1)(U1/f1)=Ckm(U1/f1)=const.即有：U1/f1=const.(3-2-12)此时：Mmax=Cm(U1/f1)=(Cm U1/f1)(1/f1)=K(1/f1)(3-2-13)以上各式中Cm，Ckm，K均为常数,37,图3-2-11 最小电动机匹配控制规律,逆变器输出电流和电压,电动机转矩特性,38,最小逆变器最大电动机匹配,在整个恒功运行工况范围，保持逆变器输出电流I1和电压U1恒定，可使逆变器
20、设计容量最小。U1I1=const.此时有：Mmax=Cm(U1/f1)=(Cm U1)/f1=K(1/f1)(3-2-14),此时，为保证在整个恒功范围有足够的过载能力，必须按最高定子频率来设计电机电磁参数，结果是在恒功低频段，电机过载能力过剩，导致设计容量要增大。,39,图3-2-12 最小逆变器匹配控制规律,牵引电动机转矩特性,逆变器输出电流电压,40,三、交-直-交牵引逆变器原理,概述交-直-较牵引变流器组成结构变流器：整流器+逆变器整流器-用于将输入交流电源变为直流，构成交-直-交系统的直流环节（恒压或恒流）。逆变器-将中间直流环节电源变换成电压和频率均可按一定规律平滑调节的交流电输
21、出。逆变器按中间直流环节特性可分为两类：电压型-中间直流环节电压维持恒定电流型-中间直流环节电流维持恒定,41,逆变器实质上是以一定联结方式和控制规律工作，从而实现直流电交流电变换的可控电子开关阵列。控制规律可分为：矩形波法控制分谐波法控制（脉宽调制PWM）矩形波法控制逆变器组成与逆变原理逆变器正负主开关状态在逆变输出频率的每一个周期内转换一次，使负载电位按正负两个180（或120）宽的矩形波变化。,基本原理,42,单相逆变电路及其输出波形（矩形波法控制）,43,三相逆变电路及其输出波形,基本电路模型,44,180导电型输出电压波形,若：ZA=ZB=ZC则在 0-60阶段内有：uA0=ud(Z
22、A/ZC)/(ZB+(ZA/ZC)=ud/3其余各段可类推。,45,电流波形-电机为电感性负载，低频时谐波分量增大。,46,矩形波法控制三相逆变电路工作特点,相电压为六阶梯波，线电压为矩形波。主开关器件工作频率较低，开关损耗较小。若负载为感性，在高频输出时，电感作用使电流接近正弦波；但在低频工作状态下，电流与电压波形相似，为六阶梯波，高次谐波电流分量较大；此类逆变器在低频工作区段，将由于存在较大的高次谐波电流引起牵引电动机附加转矩，恶化电机启动和正常运行性能，同时还将引起绕组发热以及电磁波干扰等。故不能满足机车低速运行牵引工况要求。,47,分谐波法（脉宽调制PWM）控制,基本思路：克服矩形波控
23、制法在低频输出时谐波电流成分大的缺点；使各相正负主开关状态在逆变器输出频率的每一个周期内进行多次转换，从而将“大矩形波”分割成多个 等效“小矩形波”，在要求输出正弦电压时，上述矩形波的宽度按如下要求进行控制：使输出电压的平均值随时间按正弦规律变化。,48,PWM逆变器输出电压波形,双极性控制PWM逆变器输出电压波形,单极性控制PWM逆变器输出电压波形,49,逆变器PWM输出时交流电动机相电压电流波形,50,控制规律的形成（SPWM模式）,uR 为正弦波(调制波)参考电压：uR=Umsint(3-3-1)Um 为正弦波幅值(可调)=2f1 为输出角频率f1 为输出频率(可调)u 为三角波(载波)
24、f 为三角波频率U为三角波幅值,51,相电压合成,52,关于调制比m和输出电压的调节,调制比mm=f/f1(3-3-2)m的选择m应为整数-消除差拍调制；m应为3的整数倍-使三相电压对称；m在高频时应取小些-开关速度限制；m在低频时应取大些-减小谐波。,53,不同调制比时的电压波形m=1时即为矩形波控制法,54,输出电压的调节,令：km=Um/U由上图可知，km值增大时，输出电压脉冲缺口宽度减小；反之，输出电压脉冲缺口宽度增大。因此，当保持U不变，改变Um可调节逆变器输出电压幅值，从而可实现输出频率f1与输出电压U1的协调控制。,55,SPWM控制逆变器特点,使输出电压波形基波分量增大，谐波减
25、少；特别是当输出低频时，可减小谐波电流分量，使牵引电动机低速运行时具有良好的调速性能；可以实现输出频率f1与输出电压U1的连续调节和协调控制,从而使逆变器可以满足机车不同运行工况的控制特性要求。PWM其他控制模式：特定谐波消除控制、最优化控制、磁链跟踪控制、电流跟踪控制等,56,最优PWM控制模式的形成,57,四、电力牵引交流传动的控制技术,控制策略与方法转差频率控制矢量变换控制直接转矩控制三种控制策略控制系统原理框图,主要内容,58,1.铁路牵引交流传动系统基本控制策略,通过对逆变器输出的适当控制，使牵引电动机在零速度到基速之间，以接近恒磁通（恒扭矩）工作；在基速以上，以恒电压、恒功率方式工
26、作。通过控制系统的控制作用来处理系统或部件的过载或故障。控制应尽可能使系统降低损耗，提高系统运行效率。,59,交流传动系统基本控制策略,在恒磁通区段，力矩基本恒定，定子输入电压U1随f1线性增加；在恒压区段，实行恒功率控制，转差频率f2随定子频率f1线性增加。力矩与转速成反比。,60,2.牵引传动控制系统的闭环控制方案,在直流电动机传动控制系统中，力矩正比于磁通与电流乘积，而磁通、电流两变量是独立（解耦）的，当保持磁通恒定时，力矩与电枢电流成正比，故力矩闭环控制即为电流闭环控制。,61,3.轨道交通牵引异步电动机传动系统力矩闭环控制的两种方法,间接转矩控制 由给定力矩值信号，产生与力矩值相关联
27、的其他物理量给定信号，通过检测这些物理量的实际值作为反馈信号，实现与力矩值相关联的物理量的控制，间接实现力矩控制直接转矩控制 利用测定或估算的实际力矩值作为反馈信号，与给定力矩值进行比较，产生力矩调节器的输入偏差信号，直实现力矩控制。,62,转差频率控制-基于电机稳态等效电路和转矩公式实现的转矩控制方法，动态 性能较差 矢量变换控制（VC：Vector Control）-动态性能好，可实现精确快速转速控制，但控制算法复杂,间接转矩控制方法目前得到了比较广泛应用，包括：,直接转矩控制（DTC：Direct Torque Control）-动静态性能好，控制变换简单可靠,直接转矩控制方法是牵引动力
28、传动控制的较为理想的控制方法，将成为主流方案,交流传动异步电动机三种控制策略,63,转差频率控制系统,基本思想：当异步电动机E1/f1(U1/f1)为恒定（恒磁通）时，电机扭矩近似与转差频率f2（2）成正比，通过控制f2（2）实现转矩控制。德国DE2500机车、日本300系交流动车组以及我国AC4000等采用此控制策略,64,交流传动电力机车转差频率控制方案,扭矩给定修正,转差频率给定,定子电流给定,（磁通给定）,65,DE2500机车控制方案介绍简,交流传动系统主回路,66,控制系统组成,67,功率伺服器（调节器）单元 2 a）输入为供油误差信号；b）机车起动阶段 很大，调节器输出饱 和限幅
29、（恒定）值；c）机车正常运行阶段 很小，调节器输出恒功率调节信号。,几个主要单元功能介绍,转差频率限制器（发生器）单元3将单元2输出变换为转差频率给定信号f2。,68,逆变器控制运算单元4,69,按最小逆变器最大牵引电动机匹配控制,牵引特性曲线,70,71,矢量变换控制,基本思想 仿照直流电动机（M=CmsIs-磁场电流和转矩电流）解耦控制的思路，把交流异步电动机定子电流分解为磁场电流分量和力矩电流分量，并加以控制，实际上是借助坐标等效变换，把交流异步电动机物理模型等效变换成直流电动机物理模型,72,矢量变换控制,频率给定信号f1,73,矢量变换控制系统,我国CRH1、CRH2、CRH3、CRH5动车组以及HXD13大功率机车均采用矢量变换控制交流传动系统,矢量控制在牵引传动系统中的应用,75,直接转矩控制,基本思想：通过控制PWM变频器不同开关组合状态输出的电压矢量，控制电机定子磁链的幅值和转动速度，从而控制定、转子磁链幅值和它们之间的夹角，进而达到电机转矩的直接控制。,76,直接转矩控制系统,77,电力牵引交流传动控制系统分级管理,
