第一章：牽引傳動裝置與技術(shù)

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牽引傳動控制技術(shù)第一章列車電氣裝備與系統(tǒng)2交流調(diào)速技術(shù)交流傳動技術(shù)發(fā)展電力傳動系統(tǒng)的分類變頻調(diào)速異步電機的控制方式交流傳動系統(tǒng)的控制技術(shù)3一、交流傳動技術(shù)發(fā)展電力傳動誕生于19世紀，20世紀初被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和日常生活中。執(zhí)行機構(gòu)由直流電動機驅(qū)動，則稱為直流電氣傳動系統(tǒng)，執(zhí)行機構(gòu)由交流電動機驅(qū)動，則稱為交流電氣傳動系統(tǒng)根據(jù)負載對象的運行要求，電氣傳動可分為恒速系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)420世紀30年代，人們已經(jīng)認識到變頻調(diào)速是交流電動機一種最理想的調(diào)速方法；60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻調(diào)速裝置的研制成功，交流調(diào)速技術(shù)成為電動機調(diào)速的發(fā)展方向；70年代中期，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)能源危機，節(jié)約能源成為人們關(guān)注的問題；許多過去不調(diào)速的傳動裝置，如風(fēng)機、水泵等，也都采用了調(diào)速傳動；590年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進展，逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快以及可作四象限運行等優(yōu)良的技術(shù)性能。目前，交流傳動已經(jīng)作為一種完全被肯定的系統(tǒng)，大舉進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。6二、電力傳動系統(tǒng)的分類直-直傳動系統(tǒng)交-直傳動系統(tǒng)直-交傳動系統(tǒng)交-交傳動系統(tǒng)交-直-交傳動系統(tǒng)7直-直傳動系統(tǒng)

工作原理：直流斬波實現(xiàn)直流電壓調(diào)節(jié)在地鐵機車、工礦機車等傳動系統(tǒng)中采用可調(diào)節(jié)直流電壓直流電網(wǎng)斬波器恒定電壓8交-直傳動系統(tǒng)

工作原理：整流器實現(xiàn)AC-DC變換并調(diào)節(jié)電壓在干線電力機車及內(nèi)燃機車中采用可調(diào)節(jié)直流電壓交流電網(wǎng)整流器恒定電壓9直-交傳動系統(tǒng)

工作原理：逆變器實現(xiàn)DC-AC變換并調(diào)節(jié)電壓在干線電力機車及內(nèi)燃機車中采用頻率電壓可調(diào)的三相交流電直流電網(wǎng)逆變器恒定電壓10交-交傳動系統(tǒng)

工作原理：變流器將頻率電壓恒定的三相交流電變換成頻率電壓可調(diào)的三相交流電在低頻交流傳動系統(tǒng)中如軋鋼等交流電網(wǎng)變流器頻率電壓可調(diào)的三相交流電頻率電壓恒定的三相交流電11交-直-交傳動系統(tǒng)

工作原理：將頻率電壓恒定的三相交流電變換成直流電，再將直流電變換成頻率電壓可調(diào)的三相交流電廣泛用于交通、工業(yè)、能源交流電網(wǎng)變流器頻率電壓可調(diào)的三相交流電頻率電壓恒定的三相交流電12三、交／直傳動系統(tǒng)（韶山型電力機車）組成：主整流裝置＋直流（脈流）牽引電機13靜止部分（定子）主磁極、勵磁繞組、電刷、軸承、磁軛和電刷裝置等旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子、電樞）電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等14151617181920速度調(diào)節(jié)方法：１、調(diào)節(jié)電樞電壓２、調(diào)節(jié)電樞電流３、調(diào)節(jié)勵磁電流21SS7E型電力機車整流調(diào)壓電路原理圖2223直流電機換向、制動及在韶山機車上的應(yīng)用：24四、交－直－交傳動系統(tǒng)（交流傳動電力機車及動車組）組成：牽引變流器＋三相異步牽引電動機交流電機：同步、異步異步：繞線式、鼠籠式25牽引傳動系統(tǒng)牽引高壓設(shè)備牽引變流牽引驅(qū)動高壓電器主變壓器四象限中間電壓過壓保護牽引逆變器牽引電機齒輪箱車輪網(wǎng)側(cè)變流控制器電機側(cè)變流控制器車輛控制接觸網(wǎng)受電弓主變壓器變流器牽引電機鋼軌牽引系統(tǒng)關(guān)系鏈再生26異步電機外形圖異步電機結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子

定子

風(fēng)扇

冷空氣流

罩

殼（非驅(qū)動端）

端蓋（驅(qū)動端）27三相異步電動機的結(jié)構(gòu)：定子：

1）定子鐵心；

2）定子繞組；

3）機座；轉(zhuǎn)子：

1）轉(zhuǎn)子鐵心；

2）轉(zhuǎn)子繞組（籠型繞組、繞線型繞組）；

3）轉(zhuǎn)軸；端蓋氣隙28(1)定子

定子鐵心：電機主磁路的組成部分，并嵌放定子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，在定子沖片內(nèi)圓周上均勻地沖制若干個形狀相同的槽。29

定子繞組：構(gòu)成電路部分。其作用是感應(yīng)電動勢、流過電流、形成磁場，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。

機座：固定和支撐定子鐵心。因此要求有足夠的機械強度。30(2)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子鐵心：電機主磁路的組成部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成，在轉(zhuǎn)子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽。

轉(zhuǎn)子繞組：構(gòu)成電路部分。有兩種結(jié)構(gòu)型式：籠型繞組和繞線型繞組。

轉(zhuǎn)軸：整個轉(zhuǎn)子部件的安裝基礎(chǔ)，又是力和機械功率的傳輸部件，整個轉(zhuǎn)子依靠轉(zhuǎn)軸和軸承被支撐在定子鐵芯內(nèi)腔內(nèi).31轉(zhuǎn)子鐵心槽形繞線式轉(zhuǎn)子槽形單鼠籠轉(zhuǎn)子槽形雙鼠籠轉(zhuǎn)子槽形32

籠型繞組：在轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布的每個槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵心兩端放置兩個端環(huán)，分別把所有的導(dǎo)體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來?？捎勉~條加銅端環(huán)制成；也可用鋁澆鑄的。對中大型電機為減小損耗、提高效率，往往采用銅條焊接而成。3333

繞線型繞組：與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對稱繞組。一般接成星形。將三相繞組的三個引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上三個滑環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。繞線型轉(zhuǎn)子的特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善電動機的起動性能、調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。34三相繞線型異步電動機的結(jié)構(gòu)35（3）端蓋

轉(zhuǎn)軸兩端通過軸承和端蓋固定起來。

(4)氣隙定、轉(zhuǎn)子之間的間隙，也是電機主磁路的組成部分。氣隙大小對異步電機的性能影響很大。為減小電機主磁路的磁阻，降低電機的勵磁電流，提高電機的功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡可能小。中、小型異步電機中，氣隙長度一般為0.2～1.5mm。36牽引電機采用三相鼠籠式異步電機的優(yōu)越性：結(jié)構(gòu)簡單粘著性好功率大，牽引力大可靠性好，維修簡單動力性能、制動性能好功率因數(shù)高，諧波干擾小37異步電動機轉(zhuǎn)動的一般原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和載流導(dǎo)體在磁場中會受到電磁力的作用這兩個基本因素。用一個簡單的試驗觀察三相異步電動機的工作原理：當搖動磁鐵時，籠形轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動；如果搖把方向發(fā)生改變，籠形轉(zhuǎn)子方向也會發(fā)生變化。故可得出如下結(jié)論：旋轉(zhuǎn)磁場可拖動籠形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。異步電機的工作原理38

三相異步電動機工作原理

定子加電源定子電流旋轉(zhuǎn)磁通勢氣隙磁場轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子電流和氣隙磁場相互作用電磁轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)動起來39異步電動機模型140

機械負載旋轉(zhuǎn)起來對稱三相繞組通入對稱三相電流旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）

磁感線切割轉(zhuǎn)子繞組

轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生e和

i

轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力的作用

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來

三相交流電能電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)41同步轉(zhuǎn)速n1---定子繞組中流過頻率為f1的三相對稱電流，在氣隙中產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為n1。該轉(zhuǎn)速大小取決于電流的頻率f1和繞組的極對數(shù)p，轉(zhuǎn)向為從超前電流相繞組轉(zhuǎn)向滯后電流相繞組。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差率s

---同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差對同步轉(zhuǎn)速n1之比值

異步電機的轉(zhuǎn)差率42電磁制動狀態(tài)電動機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)s>11>s>0s<0n<00<n<n1

n>n1

異步電機只有定子側(cè)是外加電源的，轉(zhuǎn)子側(cè)的電動勢和電流，均是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，因此稱作為“感應(yīng)電機”，而這一感應(yīng)作用，只有在轉(zhuǎn)子與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場不同步，即“異步”－轉(zhuǎn)差率s不等于0的情況下，才可以產(chǎn)生，因此“感應(yīng)電機”又稱作“異步電機”。43異步電動機調(diào)速方法變極調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變頻調(diào)速44變極調(diào)速：有級的變轉(zhuǎn)差調(diào)速：不能改變電動機的同步速度，調(diào)速范圍有限，損耗大，效率低變頻調(diào)速：效率高，調(diào)速范圍廣，調(diào)節(jié)精度高，目前應(yīng)用最廣泛，最有市場前景。45在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。因此，在調(diào)頻調(diào)速時，需要同時改變加在電機上的電壓（ＶＦ＋ＶＶ）46

異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美，因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣。47定子每相電動勢（3-1）

式中：Eg

—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNsm變頻調(diào)速異步電機的控制方式48

由式（3-1）可知，只要控制好Eg

和f1，便可達到控制磁通m

的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

491.基頻以下調(diào)速

由式（3-1）可知，要保持m

不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg

，使常值

（3-2）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

50

然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us

≈

Eg，則得（3-3）

這是恒壓頻比的控制方式。51

但是，在低頻時Us

和Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能忽略。這時，需要人為地把電壓Us

抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。52OUsf1恒壓頻比控制特性

帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

U1/f=常數(shù)近似的機械特性：Tmaxnf11f12f130Tf14U1/f=常數(shù)補償后fU1補償054

若把電壓-頻率控制中的電壓Us相對地再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降抵消，就得到恒轉(zhuǎn)子全磁通控制，此狀態(tài)下電動機特性最好，是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的目標，它的控制實現(xiàn)可用矢量控制。552.基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從f1N

向上升高，但定子電壓Us

卻不可能超過額定電壓UsN

，最多只能保持Us

=UsN

，這將迫使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。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。

機械特性情況的分析：機械特性：nf11=fNf12f130Tf14f14>f13>f12>f1158f1N

變壓變頻控制特性異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O59

如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。60

交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中的電力變換器，無論是電源側(cè)的變流器還是電機側(cè)的變流器都是開關(guān)電路，電路中開關(guān)元件的周期性通斷，破壞了交流電壓、電流的連續(xù)性和正弦性。電壓電流中高次諧波嚴重危害交流電網(wǎng)惡化電機運行性能消除諧波含量的有效方法電力變換器采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)交流傳動系統(tǒng)的控制技術(shù)

61正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)1.PWM調(diào)制原理

以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。62PWM調(diào)制原理63

按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。642.SPWM控制方式如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。65

單相橋式PWM逆變電路

單相橋式PWM逆變電路

VT1VT2VT3VT466（1）單極性PWM控制方式67（2）雙極性PWM控制方式683.PWM控制電路模擬電子電路采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM控制；數(shù)字控制電路硬件電路；軟件實現(xiàn)。69

模擬電子電路70

數(shù)字控制電路自然采樣法——只是把同樣的方法數(shù)字化，自然采樣法的運算比較復(fù)雜；規(guī)則采樣法——在工程上更實用的簡化方法，由于簡化方法的不同，衍生出多種規(guī)則采樣法。71（1）自然采樣法原理72（2）規(guī)則采樣法

73規(guī)則采樣法原理三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，使計算大為簡化74在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近75規(guī)則采樣法原理正弦調(diào)制信號波式中，M稱為調(diào)制度，0≤a<1；r為信號波角頻率。從圖中可得

76因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度77

根據(jù)上述采樣原理和計算公式，可以用計算機實時控制產(chǎn)生SPWM波形，具體實現(xiàn)方法有：查表法——可以先離線計算出相應(yīng)的脈寬d等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實時控制過程中通過查表和加、減運算求出各相脈寬時間和間隙時間。78實時計算法——事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)和Tc/2值，控制時先查出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的調(diào)制度M作乘法運算，再根據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的Tc/2值，由計算公式計算脈寬時間和間隙時間。79

由于PWM變壓變頻器的應(yīng)用非常廣泛，已制成多種專用集成電路芯片作為SPWM信號的發(fā)生器，后來更進一步把它做在微機芯片里面，生產(chǎn)出多種帶PWM信號輸出口的電機控制用的8位、16位微機芯片和DSP。

804.PWM調(diào)制方法載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N，既N=fc/fr

根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。81（1）異步調(diào)制

異步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的；在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；82當fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較??；當fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。83（2）同步調(diào)制

同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步?；就秸{(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱；84為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)；fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。85同步調(diào)制三相PWM波形

ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud-2Ud86（3）分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同；在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低；87

分段同步調(diào)制方式88（4）混合調(diào)制

可在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。895.PWM逆變器主電路及輸出波形三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT290三相橋式PWM逆變器的雙極性