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1、,内燃机车电力传动,技术讲座,（五）,第一节 概 述,长期以来，机车电传动大多采用直流牵引电动机系统。这是因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以分别控制，其起动、调速性能和转矩控制特性比较理想，并容易获得良好的动态响应。然而，直流电动机的结构复杂，存在电刷接触式的换向器，它不仅工艺复杂，体积及重量大，耗铜，价格昂贵，而且在运行中，很容易产生换向火花甚至发生环火现象，故障率高，不便于维护。由于换向及环火这一类问题的存在，则要求电动机换向片之间的电压不能过高，因而使得直流电动机的设计容量和高速时的利用功率受到限制，单电机的设计容量也很难超过1000kw，远远不能适应机车向高速、大功率方向发展的要求
2、。,交流传动发展的初期,三相交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，由于其转子上既没有换向器，也没有带绝缘的绕组，根本不存在换向火花及环火等问题，因此，它的结构简单、体积小、重量轻、运行可靠，能以更高的转速运转。由于交流电动机克服了直流电动机固有的缺点，很早就引起了人们的极大注意，试图将它用作铁路机车的牵引电动机。只是限于当时的变频供电技术条件而无法实施。上世纪50年代中期，法国国铁曾在一台样车上装置旋转变频机组进行连续变频调速，但由于系统结构复杂、机组笨重庞大及效率低、成本高等原因而未能得到推广。60年代，随着电力电子技术的崛起与进步和变频调速装置的研制成功，重新唤起了人们对交流调速传动的重视。
3、进入70年代，因采用异步交流传动系统的DE-2500型内燃机车在原联邦德国研制成功，交流传动在牵引领域重新焕发出了前所未有的活力。,80年代交流传动的发展,进入80年代，随着电力电子器件和微电子技术的发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动技术取得了突破性的进展并已日趋成熟，在各种机车、动车上获得了推广运用。在这一时期，欧洲的交流传动发展势头较猛，出现了诸如DE500系列、Di4型、ME1500型、DE6400型等典型的欧洲系列交流传动内燃机车。同时期，美国的内燃机车制造厂家们对交流传动内燃机车的投入采取了比较审慎的态度，仅在老机车改造方面作了一些尝试，如GM公司的FLG型双动力源客运
4、机车改造，装用ABB公司提供的交流传动装置及MICASS微机控制系统，第一批改造的该型机车10台于1990年投入运用。此外GM公司还与德国西门子公司合作对F69PH型客运机车进行改造，装用西门子提供的交流传动装置及SIBAS16微机控制系统。,90年代交流传动的发展,进入90年代，交流传动技术成为机车技术热点、被认为是现代机车的标志而日益风靡世界。美国交流机车市场异军突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流传动内燃机车，之后又相继推出SD70MAC、SD80MAC以及SD90MAC型交流传动内燃机车。而80年代一直默默无声的GE公司也不甘示弱，相继推出AC4000、AC6000型交
5、流传动内燃机车。而且两大公司均拥有大批订货，几年来总计达千余台（据不完全统计截至1997年的定货已近1400台）。除德国、美国外，法国、意大利、西班牙、芬兰、日本等国也可以生产交流传动内燃机车，并有许多国家开始批量订购交流传动内燃机车。,我国交流传动的发展,早在70年代，国内有关科研院所、许多大专院校就开展了交流传动技术的研究工作，但由于种种原因，始终处于实验室研究阶段。进入90年代，由于我国经济、技术发展的需要，且有国外交流传动技术的成熟运用以及在研制、运用方面大量可供借鉴的经验，我国的交流传动技术的研究进入了一个新时期。作为国家“八五”重点攻关项目的我国第一台AC4000型大功率交流传动电
6、力机车（原型机），于1996年6月19日在株洲电力机车厂诞生，这标志着我国机车交流传动技术零的突破。经过机车试运行，并在西南交通大学国家牵引动力重点实验室的机车车辆滚动试验台上进行了全面的技术试验，为改进和完善交流传动机车获取了宝贵的第一手技术资料。在此基础上，又相继研制出性能更加优良的交流传动电力机车样机。“九五”期间，我国正式进入交流传动内燃机车的研制阶段。1997年，四方机车车辆厂承担了我国第一台交流传动内燃调车机车的研制任务，于1999年9月完成试制。随后各机车工厂也相继开发出交流传动内燃机车样车。我国已进入发展交流传动机车的实质性阶段。,异步交流牵引电动机的特点 1、构造简单，动力学
7、性能好,异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接触部分，电机转速可达到4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min。这是直流电机所望尘莫及的，直流电机转速因受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。由于异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，对轨面的冲击力小，使机车具有良好的动力学性能。,2、功率大，牵引力大,由于异步牵引电动机结构简单、转速可达4000r/min，所以能够做到功率大、重量轻，其单位重量千瓦（kw/kg）是直流电机的23倍。在机车结构所限制的空间条件下，异步牵引电动机功率可达到1400kw2000
8、kw。正因为如此，才可使机车的牵引功率大大提高，从而可获得更大的牵引力，再加上粘着性能好，大的牵引力能充分发挥机车的牵引能力。现以ND5型交直传动机车与SD60MAC交流传动机车进行比较：ND5型机车的柴油机标定功率为2940kw，起动牵引力为533.6kN，持续速度为22.2km/h时的持续牵引力为359.8kN；SD60MAC机车的柴油机标定功率为2835kw，起动牵引力为781kN，持续速度为20.5km/h时的持续牵引力为521kN。后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵引力都高出45%左右。,3、粘着性能好,由于异步电机具有很硬的机械特性，所以当某台电机发生空转时，随着转速的上升（上
9、升值不大），转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。当进行粘着控制时，根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力，实现最大可能的粘着利用。由于上述特性和良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。1992年美国铁路协会（AAR）在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数0.45，全天候牵引粘着系数为0.32（而GE公司在交直流机车上，采用“SENTRY”粘着控制装置后，全天候粘着系数实测值为0.240.25），动力制动粘着系数为0.24。如此之高的粘着利
10、用，正是针对交流传动机车所具有的良好的粘着控制而提出的，这对于交直传动系统是不可想象的。,4、可靠性高、维修简便,交流异步牵引电动机无换向器、无电刷装置，除轴承外，无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好，绝缘性能和耐热性好。因此故障率低，可靠性高。控制装置是模块结构，故障率也很低。电路系统中几乎全由无触点的电子元件组成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘接、接触不良、机械卡滞等问题。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公司直流牵引电动机的大修期一般在40万km48万km，而交流牵引电动机的大修期可高达120万km160万km。此外，交流传动机车配有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时
11、监视系统的技术状态，进行故障诊断。综上所述，可知交流传动系统的可靠性很高，维修量很小，且维修简便，维修费用大大降低。以德国现有E1200型机车和EA1000型机车比较，交流传动的E1200型机车的维修费仅为EA1000型机车的35%；E1200型机车的轮缘磨耗比EA1000型机车减少了53%。,5、效率高、利用率高、使用灵活性强,交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。根据有关测量数据表明，采用交流传动的内燃机车与直流传动比较，在发挥相同功率时节省燃料10%25%。由于可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高，如某铁路运输公司采用交流传动机
12、车后，机车利用率由原来的86%提高到95%，从铁路运营管理的角度来说，可减少机务段的备用机车数量以节省投资。正是交流传动机车所显示的高起动牵引力、大持续功率和宽恒功率区的特点，使其具有很强的使用灵活性，它既可满足货运列车对大的起动牵引力的要求，又可满足客运列车对高速度的要求，因此对客、货列车编组来说，成为名副其实的“通用机车”。,第二节 异步牵引电动机的调速 一、异步电动机调速的基本方法,1、电磁转矩特性 电磁转矩T公式（5-1）式中 Cm电机结构常数；旋转磁场每极磁通（wb）；I2转子电流（A）；cos 2转子电路功率因数；S转差率；n1同步转速；（f1电源频率，p磁极对数）；n转子实际转速
13、（r/min）；E2转子电势，E2=4.44k2w2f2=4.44K2W2Sf1=SE20；R2转子电路电阻（）；XL2转子漏感抗，XL2=2f2LL2=2Sf1LL2=SXL20。,异步电动机的转矩特性曲线：T=f(S),当电源电压U1及其频率f1均不变时，则电磁转矩T仅随转差率S变化。（1）起动转矩Tq（S=1）（2）最大转矩Tmax（求极值）临界转差率（3）额定转矩Te额定功率Pe（kw），额定转速ne（r/min）,2、异步电动机的机械特性 T=f(n),由 很容易将转矩特性T=f（S）转换为机械特性T=f（n）（1）不稳定运行区0nK：当负载转矩小于电机转矩时，电机很快加速进入稳定运
14、行区；当负载转矩大于电机转矩时，电机很快减速而堵转。（2）稳定运行区nKn1：为电机正常工作区段，机械稳定性好，能适应负载的变化。一般额定转差率Se=0.040.06,3、异步电动机调速的基本方法,（1）改变电压U1的调速 在电源频率f1不变的条件下，异步电动机转矩M与电压U1的平方成正比，最大转矩Tmax所对应的SK与U1无关。可见改变U1不但不能使转速有多大的变化，反而使电机最大转矩发生较大的波动，削弱了电机适应负载变化的能力。（2）改变磁极对数的调速 由 可知，改变磁极对数p可改变它的同步转速n1，也就改变了转子的转速。但调速范围受到限制，且为有级调速。,（3）改变频率的调速 若能平滑地
15、大范围改变f1，就可以平滑改变n1，从而平滑宽广地调节电机的转速n，可满足机车牵引电动转速从零到最大值的调速要求。,二、异步电机的等值电路及转矩表达式,、电源相电压和电机定子电流；归算到定子侧的转子电流；电机激磁电流；分别为一相定子感应电势和归算到定 子侧的转子感应电势；S 转差率，为转差频率与定子频率的比值：S=f2/f1；R1、X1 定子绕组电阻及漏电抗；R2、X2 归算到定子侧的转子电阻及漏电抗；Xm 激磁电抗。,Pe=mI22R2/S,电磁转矩公式：,令X1+Xm=X11，X2+Xm=X22,三、变频调速的控制方式及其特性,异步电动机在进行变频调速传动时，需要根据负载特性要求对变频器的
16、电压、电流及频率进行适当的控制。变频调速控制方式的发展大体分为三个阶段：第一阶段是普通功能型U/f控制方式的通用变频器，该控制方式是转速开环控制，不具有转矩控制功能；第二阶段是高功能型的转差频率控制方式，其转速需要闭环检测，具有转矩控制功能，能使电动机在恒磁通或恒功率下运行，能充分发挥电动机运行功率，其输出静态特性较U/f控制有较大的改进；第三阶段是高性能型矢量控制或直接力矩控制方式，可实现直流电动机的控制特性，具有较高的动态性能。,1、恒磁通（E1/f1=常数）的控制方式,异步电动机的每极磁通正比于E1/f1，在进行频率调节时，若能保持E1/f1不变，也就可以保持磁路的一定饱和程度，这样可以
17、充分利用电机的铁磁材料，充分发挥电机转矩的能力，实现恒转矩运行。根据电机的等值电路可导出转矩表达式：,临界转差频率：,最大转矩：,恒磁通控制，在一定的f2指令下又称为恒转矩控制，它可使电动机在调频范围内获得恒定的过载倍数：,2、恒电压频率比（U1/f1=常数）的控制方式,应该指出，E1是电动机内部电势，难以直接检测与控制，通常只能控制电机的端电压U1。在一般情况下，定子绕组的漏阻抗所引起的电压降与电机端电压相比可以忽略，即可认为U1E1，因此可按照U1/f1=常数来进行调节，即只需要由变频器提供线性的电压频率输出特性，技术上很容易实现。,高频时定子电阻R1的影响可忽略，U1与f1近似于线性关系
18、；然而在低频时，R1的影响不容忽略，此时电压U1相对有所提高。这是控制系统中电压函数发生器V/F设计的依据。,3、恒定电流运行控制方式,由电机等值电路可得：,不难看出，若保持电流I1和转差频率f2不变，则式中 必为常值，同样可以实现恒磁通运行。这种维持电机电流I1不变的控制方式，使逆变器在运行范围内没有过分的电流波动，可以充分利用装置容量，使逆变器的设计可更为经济。另外，从控制的角度来说，I1的恒定可通过电流闭环调节作用来实现，技术上也易行。由于=常数不能直接控制，只能用调节=常数来近似。因此，在低频范围内，往往在控制转差频率f2恒定的同时，控制电流I1恒定，以达到=常数的良好效果。,4、恒功
19、率运行控制方式,在恒转矩运行中，随着电机频率和转速的上升，电压U1相应提高，电机的输出功率增大。但是电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制。通常在频率调节大于基准频率（f1f1N）时，即当电压U1提高到一定数值后将维持不变，或者不再正比于f1上升。此后电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率的控制。在闭环控制系统中，转差频率f2总是限定在小于fm的极小范围内，转差率S极小，且在恒功率范围内，电压U1已提高到一定数值，可认为U1E1，经简化后得：,或写成：,式中：,（1）U1不变，S=f2/f1=常数的调节方式,在最高转速nmax时，保证有最小允许的过载能力；而在低速时，特别在恒功范围的
20、最低速度点nA以下，转矩过载能力就出现了不必要的裕度。电机的设计尺寸和容量实际上只能由低速状态所决定，故有较大的数值，电机本身的功率利用不充分。而逆变器 具有较小的设计容量和尺寸。,（2）f2不变，U12/f1=常数的调节方式,U12/f1=K 1,电机具有不变的过载系数，电机的设计工作点可以选择在恒功范围的最低转速nA时具有最小允许的过载能力。这样即使在高速运行时仍然有适度的转矩裕量，使在整个恒功调速范围内稳定运行，并能较充分地利用电机的功率，因而电机的设计尺寸较小。但逆变器的设计容量和尺寸较大。,5.机车牵运行方式,（1）起动加速区：12 段属内燃机车，12属电力机车。起动时，控制系统应使
21、转差频率f2保持恒定，U1/f1近似为常数，牵引电动机在恒转矩下运行。通常要求牵引电动机能发出1.21.5倍的额定转矩，使机车尽快平稳起动和加速。,（2）变电压、恒功率运行区：56区段，采用U12/f1=常数、f2不变的恒功率调节方式。这一区段对内燃机车来说，是为了充分利用柴油机的功率，扩大恒功率调速范围，通常更为重要。（3）恒电压、恒功率运行区：67区段属内燃机车，57属电力机车。采用U1不变、f2/f1=常数的恒功率调节方式。在恒电压下，供电频率的增加使牵引电动机产生磁场削弱的效果。,第三节 牵引逆变器,如前所述，对于异步电动机的变压变频调速，必须提供能够同时改变电压和频率的交流电源。而现
22、有的通用交流电源是恒压恒频的（如工频50HZ、线电压380V）；电力机车上通过牵引接触网供电的电压和频率也是基本上恒定的；内燃机车上的柴油机恒转速、恒功率运转时，所驱动的牵引发电机的输出电压频率亦是恒定的。因此，必须配备专门的变压变频装置，通称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency的缩写）装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，现在已无一例外地由静止式电力电子变压变频装置所取代了。变压变频装置从结构上可分为两类，即间接变压变频的所谓交-直-交变压变频装置和直接变压变频的所谓交交变压变频装置。,一、交-直-交变压变频装置,1、可控整流器调压、逆变器调频：
23、其结构简单，控制较方便。但当电压调得较低时，电源端功率因数较低。而输出端的三相六拍逆变器，其输出的谐波较大。2、不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频：多了一个斩波器，但调压时输入端功率因数不变，克服了前装置的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍存在谐波较大的问题。3、不控整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频：采用不控全波整流，输入功率因数不变；采用PWM逆变，则输出谐波成分可大为减小。,二、交-交变压变频装置,正、反向两组整流装置按一定周期相互切换，从而在负载上获得交变的输出电压u0。u0的幅值取决于各组整装置的控制角，u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。,若在正向整流装置导通期
24、间不断地改变其控制角在 0 之间变化，使u0由零变到最大值再变到零，呈正弦规律变化，得到正半周；在=处相互切换，由反向整流装置同样控制得到负半周，即可得到交变的正弦波电压。最高输出频率一般不超过输入电源频率的1/31/2，一般适用于低速、大容量的调速设备，或高转速的燃汽轮机车。,三、电压源型变频器和电流源型变频器,1、电压源型变频器：在交-直-交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下近似一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波。2、电流源型变频器：当交-直-交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗
25、很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波。虽然中间直流环节滤波器的形式不同，但作为储能元件，对无功能量具有缓冲作用，使它们致影响到交流电源（电网）。,四、逆变器的基本原理,在交-直-交变压变频装置中，整流器一般是不可控的，用半导体二极管组成三相桥式整流电路；逆变器是将直流电逆变成交流电，同时还对输出的交流电进行变频、变压调节，以满足异步电动机进行变频调速的要求。由此可见，逆变器在交-直-交电力传动系统中起着重要作用。,在每个周期中，控制各个晶闸管轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压，改变晶闸管导通和关断的时间，即可得到不同的输出频率。在某一瞬间，控制一个晶闸管导通
26、，同时迫使另一个晶闸管关断，在两管之间实现换相。按照换相顺序的不同，三相桥式逆变器分为180导通型和120导通型两种工作方式。,1、任意瞬间都有三个晶闸管同时导通（180导通型）,在同一桥臂上、下两管之间互相换相、每个晶闸管在一个周期中导通180电角，三相对应元件相差120电角轮流导。这种导通规律使VT1VT6各元件每隔60电角轮换导通，在每一时刻都有三个元件同时导通。具体分组顺序为5、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；，这样便得到各相电位波形和相电压波形。,三相逆变器的等效电路及相电压,若将每一时刻逆变器各晶闸管元件的开关情况以一等效（元件开通时认为短路，元
27、件断开时认为断路）电路表示，即可计算出任一时刻的相、线电压，从而绘出相、线电压波形。例如在060范围内（左1图）各相电压：,可见，在每个周期内，相电压波形由六个阶梯状波形组成（常称六阶波），常称这时逆变器是按矩形波法控制。,六阶波中高次谐波的影响,相电压为六阶波，线电压为矩形波，都不是正弦波。利用富氏级数对相电压和线电压进行谐波分析，这种电压含有5、7、11次等高次谐波，将给电机的运行性能带来一定的影响。逆变器的负载是异步电动机，属电感性负载。当逆变器以六阶波电压对电机供电时，其电流波形在负载电感的作用下将趋于平滑。当频率较高时，电流波形接近正弦波；而在低频时，电流波形趋于六阶波，高次谐波电流
28、成分较多。,2、任意瞬间有两个晶闸管同时导通（120导通型）,每个晶闸管导通120，则同一桥臂上的两个晶闸管的导通时间将有60的时间间隔，这将有利于安全换流。这种逆变器的换相（或称换流）是在同一排桥臂左、右两管之间进行的。,五、脉宽调制（PWM）逆变器的基本原理,在传统的交-直-交变压变调速系统中为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，交-直流整流器必须是可控的，且在调速时须同时控制整流器和逆变器，如此就带来了一系列的问题。主要是：（1）主电路有两个须控制的功率环节，相对来说比较复杂；（2）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性储能元件存在，使系统的动态响应缓慢；（3）由于整流器为可控的
29、，使供电电源的功率因数随变频装置输出的频率的降低（电压也随之降低）而变差，并产生高次谐波电流；（4）逆变器输出为六阶波交流电压（电流），在交流电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。1964年，德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器，用这种技术构成的PWM逆变器基本上解决了六阶波变频器中存在的问题。,PWM变压变频器的主要特点,仍然为交-直-交变压变频供电系统，只是整流器是不可控的，它的输出电压经电容滤波（附加小电感限流）后形成基本恒定的直流电压，加在逆变器上，逆变器的功率开关器
30、件按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。通过改变矩形脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。PWM变压变频器的主要特点如下：（1）主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；（2）采用了不可控整流器，使电网（输入交流电源）的功率因数接近于1，且与输出电压大小无关；（3）逆变器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节滤波器参数无关，加快了系统的动态响应；（4）可获得比六阶波更接近正弦波的输出电压波形，能抑制或消除各次谐波，因而转矩脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围（特别低速区），提高了系统的
31、性能。,1、正弦脉宽调制逆变器的基本原理,所谓的正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是两波形每一对应区间的面积相等。即可以把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称作SPWM波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负矩形脉冲波等效。这种正弦波正、负半周分别用正、负矩形脉冲等效的SPWM波形称作单极式SPWM。,单极式SPWM,根据面积相等的等效
32、原则：,若异步电动机定子绕组为Y联结，其中点O与整流器输出端滤波电容器的中点O相连，因而当逆变器任一相导通时，电机绕组上所获得的相电压为US/2。,SPWM的原理,实用的办法是引用通讯技术中的“调制”这一概念，将所期望的正弦波形作为基准的调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常用等腰三角波作为载波。当调制波与载波相交时，由它们的交点时刻控制逆变器开关器件的通断，即可在逆变器的输出端得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦函数值的矩形脉冲。,改变参考电压的频率时，逆变器输出电压基波的频率也随之改变；改变参考电压的幅值时，输出电压基波的幅值也改变，从而实现变频变压。,双极式SPWM,单极式SPWM
33、波形在半周内的脉冲电压只在“正”（或“负”）和“零”之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地通断，处于互补工作方式，则输出脉冲就在“正”和“负”之间变化，从而得到双极式的SPWM波形。,逆变器输出的相电压、相电流波形,六阶波与PWM的电压、电流波形,低频载波与高频载波所调制的PWM电流波形,2、对脉宽调制的制约条件,根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的功率开关器件在其输出电压半周内要开关n次。当n越大，脉冲序列波的脉宽i越小时，SPWM的基波更接近期望的正弦波。但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，所以在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约，
34、主要表现在以下两方面：（1）功率开关器件的开关频率 各种功率开关器件的开关速度和开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数。（2）调制度 为保证调制成的脉冲波的最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff。要求参考电压信号的幅值Urm不能超过三角载波的峰值Utm的某百分数。为此，定义Urm与Utm之比为调制度为：在理想情况下，M值可在01之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。实际上由于上述的原因，一般取最高的M=0.80.9。,3、同步调制和异步调制,定义载波频率ft与参考调制波频率fr之比为载波比N（或称调制比），即 在实行SPWM脉宽调制时，载波比N对变
35、频调速系统的工作性能很有影响。视载波比N的变化与否，有同步调制与异步调制之分。,（1）同步调制,在同步调制方式中，N=常数，变频时三角载波的频率ft与正弦调制波的频率fr同步变化，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。若取N等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲的间距增大，谐波成分会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。,（2）异步调制,在逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变参考信号频率fr时保持三角载波频率
36、ft不变，因而提高了低频时的载波比。这样逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电机的转矩脉动与噪音，从而改善了系统的低频工作性能。有利则有弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使逆变器输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出间的对称性，将造成电机工作的不平稳。因此，在实际应用中，可将同步与异步两种调制方式结合起来，成为分段同步的调制方式。,（3）分段同步调制,为了杨长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式。该调制方式是把逆变器的整个变频
37、范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定（即同步），而对不同的频率段取不同的N值，频率低时，N值取大些，同时注意最高开关频率的限制，一般大致按等比级数安排。,六、由晶闸管构成的逆变电路 1、电压型逆变电路,强迫换流过程,换流过程的波形,麦氏电路的演变,2、电流型逆变电路及电流波形,强迫换流过程,七、由门极可关断晶闸管GTO构成的逆变电路,众所周知普通晶闸管一经触发导通，门极就失去了控制作用，因而需要较复杂的辅助换流电路来强迫关断。而GTO属于全控型器件，也称自关断器件，即在其门极上加入极性不同的电流，可使GTO在导通状态和关断状态之间转换。当门极加上正信号时，GTO导通；若在处于导通
38、状态GTO的门极加上负信号，它立即从导通转为关断状态。由于不需要辅助换流电路，所以由GTO构成的逆变电路可大为简化。,（一）GTO的变频调速系统,（二）GTO的缓冲吸收电路及保护问题,GTO一般工作于开关状态，但是它不具备功率晶体管那种良好的关断性能，因此，阳极吸收是应用中很重要的技术问题，它将直接影响GTO到能否正常工作。GTO的吸收电路包括开通电路与关断吸收电路。开通吸收电路抑制GTO导通时的阳极电流上升率di/dt，转移和减小GTO开通期的功耗。关断吸收电路限制GTO关断时的重加阳极电压上升率dv/dt，确保关断电流，转移和减小GTO关断期的功耗；抑制重加阳极过电压，防止GTO再次触发。
39、,（三）GTO的门极驱动问题,1、门极驱动电路的基本结构,2、门极驱动信号的波形,八、二点式逆变器和三点式逆变器,三点式逆变器具有以下两个突出的优点：1、二点式逆变器的输出端电位在Ud/2和Ud/2之间变化，而三点式逆变器在Ud/2和0之间或者0和Ud/2之间变化。这样，GTO器件的阻断电压被限制在输入端直流电压的一半。对于目前在牵引系统广泛采用的4.5kV的GTO器件，中间直流电压可提高到3.0kV以上。2、三点式逆变器的输出电压波形比二点式逆变器的波形包含较少的谐波分量。在一个周期内，二点式逆变器电路只有8种状态，而三点式逆变器电路中有27种状态。因此，这将有利于减少相邻两种电路状态间转换
40、时引起的电压和电流冲击。从而有利于降低损耗、提高系统效率，减少电机转矩脉动。三点式逆变器的缺点在于增加元件数目和安装位置。,二点式逆变器与三点式逆变器比较,三点式逆变器的工作原理,三点式逆变器一个相半桥电路各元件的开关状态,第四节 机车交流传动控制系统,设异步牵引电动机稳定工作在恒功率曲线上的g点，即供电频率是f1的异步牵引电动机机械特性与阻力矩曲线TL1的交点。如果机车的阻力矩曲线由TL1变化到TL2，则异步牵引电动机的新的工况点必然落在新的阻力矩曲线TL2与机械特性曲线的交点g1上，此时为机车柴油机“欠载”。功率闭环控制系统发出一个“增功率”信号“增频率”信号，使电源频率由f1增加到f”1
41、，新的工况点h点正好落在恒功率牵引特性上为止。,控制系统的简单调节过程：,交流传动机车的控制策略,机车牵引传动要求在宽广的速度范围内，对每个速度点都能提供合适的力矩值。所以速度和力矩值被认为是系统的被调量，而调速系统动态性能的好坏取决于对转矩的控制能力。交流异步电动机是一个复杂、非线性、多变量控制对象，因此，交流传动不象直流电动机传动系统那样，有一种标准的控制结构，而是先后开发出各种各样的方法。根据异步电动机转矩生成的物理机理和数学表达式，除了直接采用转矩作为反馈信号进行直接转矩控制外，还可以结合与转矩相关的气隙磁通、转差频率或定子电流的控制环，实现间接转矩控制。应当注意的是，无论控制结构如何
42、复杂，或采用什么样的反馈环和反馈量，逆变器只有两个控制变量，即电压和频率，故一般通称为VVVF（变压变频）逆变器。目前，在交流传动机车和动车组上，比较普遍采用的电动机控制策略有三种：转差频率控制、磁场定向矢量控制和直接转矩控制。,一、转差频率控制,目前，在铁路牵引的交流传动系统中，几乎都采用脉宽调制（PWM）逆变器。这种逆变器特点在于，当控制系统给定电压U1和频率f1时，PWM逆变器的输出总是能保证电动机的气隙磁通1U1/f1接近于恒值，这就自动满足了关于恒磁通控制的要求，从而近似地使转矩Tf2。只要控制转差频率f2不变，就可保持转矩T恒定，以满足机车起动和加速牵引力恒定的要求。当f1达到一定
43、值后，U1保持不变，电动机便进入磁场削弱状态，如果合适地控制f2随f1的变化规律，就能够使电动机在每个速度点发出所要求的转矩，实现机车恒功率运行。的变化规律，就能够使电动机在每个速度点发出所要求的转矩，实现机车恒功率运行。,交流传动机车的转差频率控制系统实例,二、矢量控制 1、异步电动机的坐标变换结构图和等效直流电机模型,在三相坐标系下的定子交流电流IA、IB、IC通过三相/两相（3/2）变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流i1、i1，再通过按转子磁场定向的旋转变换（VR），可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流im1、it1。如果观察者站在铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电
44、机，原交流电机的转子总磁通2就是等效直流电机的磁通，im1相当于励磁电流，it1相当于与转矩成正比的电枢电流。,图656 异步电机的坐标变换结构图3/2三相两相变换；VR同步旋转变换；M轴与a轴（A轴）夹角。,2、矢量控制系统的基本概念,既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相应的坐标反转换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以其控制系统称矢量控制系统。图中虚线框内的部分可以完全抵消，剩下的部分就和直流调速系统非常相似了。可以想象，矢量控制交流变压变频调速系统的静、动态性能应该完全能够与直流调
45、速系统相媲美。,三、内燃机车交-直-交传动控制,在内燃机车上对柴油机按额定功率或部分功率最佳化进行恒转速恒功率控制，交流传动控制系统须与之相配合。因此，内燃机车交-直-交传动控制系统是集柴油机控制和交流传动控制为一体的机车牵引控制系统。而在常用的电压型交-直-交传动系统中，当司机手柄位一定时，中间直流回路电压恒定，不可能象交-直流传动那样通过调节牵引发电机励磁电流达到恒功率运行，而是通过牵引逆变器对异步牵引电动机进行变频调速来实现恒功率运行。只有当司机手柄位改变时，中间直流回路电压才得以改变，即随着手柄位的提高而上升，反之则降低。因此，每个手柄位在低速区的恒力矩运行，是通过对牵引逆变器进行PWM变压变频控制来实现的。,（一）采用联合调节器的转差频率控制系统,（二）NJ1型交流传动内燃调车机车控制系统,交流传动矢量控制系统,
