城軌車輛電氣系統(tǒng)課件：牽引電機轉速控制

城軌車輛電氣控制牽引電機轉速控制

目錄城軌列車牽引電機一.城軌列車牽引特性二.交流電機轉速控制三.

城市軌道交通列車目前應用的牽引電機主要有交流牽引電機（三相異步電動機、永磁同步電動機和直線電機）和直流牽引電機（永磁無刷直流電機）兩大類型，其中目前廣泛采用的是交流牽引電機。（一）三相交流異步牽引電機三相鼠籠式異步牽引電機因其結構簡單、維修方便、體積小、重量輕、功率大而廣泛應用于軌道交通車輛的牽引。城軌列車牽引電機一1、結構組成定子+轉子城軌列車牽引電機一2、安裝方式-----架懸式安裝城軌列車牽引電機一（二）永磁同步電機永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高結構簡單，是很好的節(jié)能電機，隨著高能的永磁體的發(fā)展，永磁電機目前已得到廣泛應用。1、結構組成與三相異步電動機一樣，也是由定子和轉子組成，不同的是其轉子結構采用了永磁體。城軌列車牽引電機一（1）轉子----將永磁體內埋在鐵芯中城軌列車牽引電機一（2）定子繞組----和異步電機相同城軌列車牽引電機一（三）交流電機工作原理

機械負載旋轉起來定子對稱三相繞組通入對稱三相電流定子旋轉磁場（磁場能量）

轉子磁場相互作用

轉子旋轉起來

三相交流電能電磁轉矩城軌列車牽引電機一結論：定子旋轉磁場帶動轉子旋轉。

1、列車牽引特性

當列車在某一定值的功率下運行時，隨著運行速度的變化，其輪周牽引力F也作相應變化，即F=f（v）。這種牽引力隨列車速度變化而變化的規(guī)律，稱為列車的牽引特性。（1）理想牽引特性

城軌列車牽引特性二

無論是哪一種列車，它的最大功率是一定的，稱為額定功率PN，即PN=F×v。由公式可見，當列車功率PN為定值時牽引力F與速度v成反比，把F與v的這種關系表示在坐標上是一條雙曲線，稱列車的理想牽引特性曲線。（2）實際的列車理想牽引特性在實際的應用中，受各種特定因素的影響，其曲線如下（1）恒牽引力（轉矩）區(qū)：T=C，v=0vN。（2）恒功率區(qū)：T=C，v=vNvmax

。城軌列車牽引特性二2、三相異步電動機的固有機械特性

三相異步電動機的固有機械特性指在電源電壓U1、電源頻率f1及電動機參數(shù)固定并按照規(guī)定的方式接線的條件下，其電磁轉矩T與轉子轉速n之間的關系。根據電機機械特性可知：電機的T、n與U1、f1、電動機參數(shù)、接線方式有關。城軌列車牽引特性二3、列車牽引特性與牽引電機特性之間的關系

由于列車是由牽引電機驅動的，列車速度v與電機轉速n相關，牽引力F與電機電磁轉矩T相關，因此只要控制電機的n、T變化以適應列車列車的牽引特性F=f（v）的變化規(guī)律，就可以用牽引電機的機械特性T=f（n）表示和“替代”列車的牽引特性。城軌列車牽引特性二（一）調速概述1、調速的概念人為的改變電動機的轉速，使電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人為機械特性上，稱為調速。2、調速的方法

根據交流電動機的工作原理可知，交流電動機能夠旋轉是因為其定子中形成的旋轉磁場與定子磁場相互作用的結果，簡單來說就是定子旋轉磁場帶動轉子旋轉。因此只要改變旋轉磁場的轉速（同步轉速）就可以改變轉子轉速。交流電機轉速控制三結論：要改變電機轉子轉速n,只需要改變定子旋轉磁場轉速n1即可。

交流電機轉速控制三

3、變頻調速改變電源頻率f1無級調速此種調速方法發(fā)展很快，且調速性能較好。優(yōu)點是無級變速，變速范圍大，且具有較硬的機械特性。非常適合用于列車牽引。缺點是需配備專門的變頻電源，調速系統(tǒng)較為復雜，設備投資較高。變頻電源

可變頻率調節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲交流電機轉速控制三（二）異步電機變頻調速的特性控制在進行變頻調速時，電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，如何在調速過程控制其機械特性的（轉速n和轉矩T的關系）變化以適合列車的牽引特性是變頻調速控制的關鍵。交流電機轉速控制三

交流電機轉速控制三

交流電機轉速控制三

如果把轉速調低時U1=UIN保持不變，在減小f1時磁通Φ則將增加。這就會使磁路飽和（電動機磁通一般設計在接近鐵心磁飽和點），從而增加勵磁電流和鐵損，導致電機過熱，這是不允許的。交流電機轉速控制三恒轉矩調速時異步電動機的機械特性變化曲線交流電機轉速控制三2、恒功率調速方式（2）在即高于額定轉速調速時，應保持U1不變。這時磁通φ和轉矩T都將減小。轉速增大，轉矩減小，將使功率近于不變。這是恒功率調速。如果把轉速調高時的比值不變，在f1

增加的同時U1也要增加。U1超過額定電壓也是不允許的。交流電機轉速控制三恒轉功率調速時異步電動機的機械特性變化曲線交流電機轉速控制三變頻調速時異步電動機的機械特性與列車列車理想牽引特性對比如圖所示的對比不難發(fā)現(xiàn)，采用變壓變頻（VVVF）調速方法調節(jié)異步電機的轉速，按照一定的控制規(guī)律，很容易的將其特性調節(jié)得和列車的牽引特性相“匹配”。交流電機轉速控制三3、變頻調速的特點：①基頻以下調速，為恒轉矩調速方式；基頻以上調速，近似為恒功率調速方式；②調速范圍大；③轉速穩(wěn)定性好；④運行效率高；⑤頻率可以連續(xù)調節(jié)，變頻調速為無級調速交流電機轉速控制三（三）異步電動機矢量控制調速（拓展自學）交流調速理論的重大突破：矢量控制理論的提出。1、矢量控制定義：通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。交流電機轉速控制三2、矢量控制的目標讓交流電動機的調速控制象直流電動機線性化。3、矢量控制的基本思想通過對交流電動機模型實施必要的坐標變換（矢量變換）實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉矩分量的有效解耦，從而得到類似于直流電機的以勵磁電流、轉矩電流比例控制電磁轉矩的矢量控制模型，再仿造直流電動機控制方式建立交流電動機矢量控制調速系統(tǒng)。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)，簡稱VC系統(tǒng)（VectorControlSystem）。交流電機轉速控制三變換過程具體的變換運算比較復雜，此處從略，需要時可參看相關參考文獻。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換（包括靜止和旋轉）ABC坐標系

坐標系dq坐標系3/2變換C2s/2r交流電機轉速控制三（四）異步電動機直接轉矩控制調速（拓展自學）1、概述1984年德國魯爾大學的DepenBrock提出直接轉矩控制系統(tǒng)簡稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)。在它的轉速環(huán)里面，利用轉矩反饋直接控制電機的電磁轉矩，因而得名。交流電機轉速控制三2、直接轉矩控制原理直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標系下計算并控制電機的轉矩和磁通；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)產生PWM（空間矢量SPWM）直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。交流電機轉速控制三總的來說，直接轉矩控制就是通過對定子電壓空間矢量的控制達到以下兩個目的：（1）維持定子磁鏈幅值的恒定（2）控制定子磁鏈旋轉速度的大小交流電機轉速控制三矢量控制與直接轉矩控制對比區(qū)別:（1）直接轉矩控制建立在定子磁場旋轉坐標系中。矢量控制建立在轉子磁場旋轉坐標系中（2）矢量控制一般具有