交流電動(dòng)機(jī)變頻控制-crh2動(dòng)車(chē)組電傳動(dòng)

第二章、交流電調(diào)速第一節(jié)概述一、交流電

調(diào)速的優(yōu)越性交流調(diào)速的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速二、交流電 原理及結(jié)構(gòu)第二章、交流電調(diào)速第二節(jié)

交流電

控制基礎(chǔ)Us1RsLlsL’lrLmrR’

/sIsI0I’rEgEsErLlrLm、、第二章、交流電調(diào)速EgEsErRsrR'LlsLlrLmsU、1s圖中，為氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)折合到定子邊。、為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；、為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；為定子相電壓和供電角頻率；為轉(zhuǎn)差率。第二章、交流電調(diào)速2'lrsL22'rs11

ls

sp

r3n

U

2

R'

/

sr1m1

m

eR

L

R

sR'p

I

'2

r3nPT三、三相異步電的機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性第二章、交流電調(diào)速2s

1lrlsR

2

)2R

'

r

(L

L'ms2s1

sp

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lsR23nU

2

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]

(L2

[R

e

maxT

第四節(jié)三相異步電的調(diào)速第二章、交流電

調(diào)速一、變壓變頻調(diào)速控制基礎(chǔ)（一）變壓變頻的基本控制方式Eg

4.44

f1NskN

ΦmS1．基頻以下調(diào)速f1Eg常值恒壓頻比的控制方式

常值f1Us第二章、交流電 調(diào)速U和s

Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，sU抬高一些，以近但是，在低頻時(shí)不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓Of

1似地補(bǔ)償定子壓降。Us

UsNb

—帶定子壓降補(bǔ)償a

—無(wú)補(bǔ)償f

1N第二章、交流電

調(diào)速2．基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從向上升高，但定子電壓卻不可能超過(guò)額定電壓，最多只能保持，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)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(huà)在一起f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速OΦmUsf1O第二章、交流電調(diào)速smTe0

1n

sn0

0TeTemaxTemax圖2-8

恒壓恒頻時(shí)異步電的機(jī)械特性第二章、交流電調(diào)速TeOnn0N03nn02n011N11

12

131N131211Temax圖2-10

恒Eg/1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性第二章、交流電調(diào)速s010Te恒Er

/1控制恒Eg

/1控制恒Us

/1控制abc圖2-11

不壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性第二章、交流電調(diào)速Eg

1在正弦波供電時(shí)，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。①恒壓頻比（Us

1＝恒值）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有限，須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。②恒Eg

1控制是通常對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到為恒值，從而改善了低速性能。線性調(diào)節(jié)范圍比恒壓頻比寬，為恒值時(shí)，恒定不變，穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒

Us

1，但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。③恒Er

1

控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，比較理想。按照轉(zhuǎn)子全磁通恒定進(jìn)行控制，即得＝恒值，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持恒定是矢量控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較復(fù)雜的。第二章、交流電

調(diào)速恒功率調(diào)速TeOn0Nn0cnn0b0an1a1N1c1b1N

<

1a

<1b

<1c圖2-12

基頻以上恒壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性3．基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性第二章、交流電

調(diào)速二、轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比交流調(diào)速系統(tǒng)－通用變頻器tuf斜坡函數(shù)U/f

曲線脈沖發(fā)生器tff

*ufu工作頻率設(shè)定升降速時(shí)間設(shè)定電壓補(bǔ)償設(shè)定驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生通用變頻器是根據(jù)異步電 穩(wěn)態(tài)模型來(lái)涉及其控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制，它采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨浮Ｖ饕梢詰?yīng)用在和通用的籠型異步電機(jī)配套使用，同時(shí)具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。近年來(lái)自動(dòng)控制功能的變頻器質(zhì)量不斷提高。第二章、交流電

調(diào)速三、轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)UsIsFBS電壓型逆變器M3

~ASRs

1

1UsasbU

scU

第二章、交流電

調(diào)速四、矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)i

it1等效直流3/2

i

VR

im1

電機(jī)模型異步電3/2VR等效直流電機(jī)模型ABCiAiBiCit1im1ii異步電第二章、交流電調(diào)速控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機(jī)模型控制器VR-1電流控制變頻器VR等效直流電機(jī)模型+i*m1i*t11i*1i*

2/31i*Ai*Bi*CiAiBiCi13/2

iβ1im1it1~反饋信號(hào)異步電給定信號(hào)圖2-18矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第二章、交流電調(diào)速2/3旋轉(zhuǎn)變換VR速度調(diào)節(jié)器控制器向量分析VA積分函數(shù)發(fā)生器磁鏈觀測(cè)器ACDCDCAC速度傳感器電流傳感器ω1sω

*ωrrω

*-+iCiBiAAi

*iB*iC*T*

sin

cos

iT1*iP1*iQ1*iM1*圖2-19

電流和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設(shè)備?？梢哉f(shuō)變流器是各種變流裝置的總稱。在電力電子變換裝置中，通常意義上的變流器包括從電源側(cè)至電力變換裝置輸出側(cè)的所有環(huán)節(jié)，例如對(duì)一個(gè)交一直一交電力傳動(dòng)系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說(shuō)明的是，在許多場(chǎng)合下，同一個(gè)電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以 也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)變流系統(tǒng)中直流環(huán)節(jié)性質(zhì)的不同可分為兩種類型.圖3-1

電流型異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖3-2

電壓型異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)電力半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中一般均要設(shè)計(jì)吸收電路，以控制開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓及電流的軌跡，抑制電壓、電流的變化率，降低開(kāi)關(guān)損耗。設(shè)計(jì)吸收電路一般依據(jù)下述原則：1減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的大小及變化率；2保證器件工作在安全區(qū)內(nèi)；3減少器件開(kāi)關(guān)損耗和系統(tǒng)總損耗；4改善器件的過(guò)載和短路能力。對(duì)于新型器件，諸如

，IPM，由于對(duì)di/dt，du/dt耐受能力增強(qiáng)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路可以簡(jiǎn)化吸收回路，甚至可以取消吸收回路。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)電力電子器件基礎(chǔ)—晶閘管表3-1、可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件狀態(tài)條件說(shuō)明從關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽(yáng)極電位高于是陰極電位。2、控制極有足夠的正向電壓和電流。兩者維持導(dǎo)通1、陽(yáng)極電位高于陰極電位。2、陽(yáng)極電流大于維持電流兩者從導(dǎo)通到關(guān)斷1、陽(yáng)極電位低于陰極電位。2、陽(yáng)極電流小于維持電流任一條件即可第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)二、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門(mén)極關(guān)斷晶閘管也具有單向?qū)щ娞匦?，即?dāng)其陽(yáng)極A、陰極K兩端為正向電壓，在門(mén)極G上加正的觸發(fā)電壓時(shí)，晶閘管將導(dǎo)通，導(dǎo)通方向A→K。在門(mén)極關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)，若在其門(mén)極G上加一個(gè)適當(dāng)有負(fù)電壓，則能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)近年來(lái)，GTO元件的性能不斷提高，可關(guān)斷電流達(dá)

4000A，阻斷電壓達(dá)6000V以上，開(kāi)關(guān)速度也有所提高。一個(gè)由ABB公司生產(chǎn)的三相逆變器GTO模塊，采用6個(gè)GTO元件，容量可達(dá)4000kVA，單位重量容量可以達(dá)

10kVA/kg，目前，最大的4軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)，功率超過(guò)7000kW。GTO元件在應(yīng)用中也存在不足，由于它增益比較小，關(guān)斷2000A～3000A電流，需要高達(dá)700-800A的門(mén)極電

流，這對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)裝置的要求很高。另外，GTO元件在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，電流、電壓變化率及應(yīng)力很大，需要設(shè)置性能良好的吸收電路，這就增加了開(kāi)關(guān)損耗，降低了效率，并對(duì)冷卻系統(tǒng)提出更高要求第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)三、絕緣柵雙極晶體管（/IPM）是雙極型晶體管（BJT）絕緣柵雙極型晶體管和MOSFET的復(fù)合器件，其將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高阻漂移區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通性，同時(shí)它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗，為電壓驅(qū)動(dòng)器件。開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)均具有較寬的 區(qū)，所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）等器件,與其他電力電子器件相比， 具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)。的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給

PNP晶體管提供基極電流，使

導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 關(guān)斷。的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET

基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET

，所以具有高輸入阻抗特性。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)表3-2GTO與/IPM基本性能較GTO元件/IPM元件電壓4500V(＞6000V)3300V(＞4000V)電流3000A-4000A(可關(guān)斷電流)1200A開(kāi)關(guān)頻率ca.500Hz5kHz開(kāi)關(guān)損耗大小通態(tài)損耗小大吸收回路損耗大小驅(qū)動(dòng)功率大(電流控制型)小(電壓控制型)di/dt,du/dt限制嚴(yán)格(需加陽(yáng)極電抗器)不嚴(yán)(無(wú)需陽(yáng)極電抗器)保護(hù)功能外設(shè)完善的自我保護(hù)第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)需要

的是，開(kāi)關(guān)頻率的提高，帶來(lái)了很多好處，例如，

調(diào)制頻率提高，在電機(jī)側(cè)，可使得電機(jī)電流的高次諧波減少，使電機(jī)的損耗，噪聲下降；在電網(wǎng)側(cè)，可降低電網(wǎng)電流的諧波，減小等效干擾電流，減少變壓器的損耗和噪聲。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)模塊的使用應(yīng)特別注意以下幾方面的問(wèn)題。1.防靜電對(duì)策的VGE保證值為±20V，在上加上超出保證值的電壓有損壞的模塊，因而在柵極－發(fā)射極之間接一只10kQ左右的電阻器為宜。2.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)嚴(yán)格地說(shuō)，能否充分利用關(guān)鍵取決于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。器件的性能，驅(qū)動(dòng)電路必須能提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?、足夠的反向柵壓、足能?以及具有柵壓限幅電路夠的輸入輸出電等。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)模塊因過(guò)電流、過(guò)電壓等異常現(xiàn)象有可能損壞。因此，必須在對(duì)器件的特性充分了解的情況下，設(shè)計(jì)出與器件特性相匹配的過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱等保護(hù)電路。散熱設(shè)計(jì)取決于模塊所允許的最高結(jié)溫（Tj）,在該溫度下，首先要計(jì)算出器件產(chǎn)生的損耗，該損耗使結(jié)溫升至允許值以下來(lái)選擇散熱片。在散熱設(shè)計(jì)不充分的場(chǎng)合，實(shí)際運(yùn)行在中等水平時(shí)，也有可能超過(guò)器件允許溫度而導(dǎo)致器件損壞。柵極串聯(lián)電阻（Rc）對(duì)

來(lái)說(shuō)，增大柵極電阻能夠減少

開(kāi)通時(shí)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過(guò)電壓，減少通態(tài)下出現(xiàn)短路的沖擊電流值；與此同時(shí)，增大柵極電阻的結(jié)果將使開(kāi)通關(guān)斷損耗增加，延長(zhǎng)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。因此最好的辦法是配置兩個(gè)串聯(lián)電阻器，即RG（on）和RG（off），在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮具體的應(yīng)用要求。如在高壓二極管的情況下，恢復(fù)時(shí)間趨長(zhǎng)，RG（on）應(yīng)比產(chǎn)品的值大2倍～4倍。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)IPM(In ligentPowerModule—智能功率模塊)元件是在

模塊中集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路而派生出來(lái)的，其結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。IPM的觸發(fā)信號(hào)可和TTL電平兼容，它本身具有短路、過(guò)流、過(guò)熱及電流實(shí)時(shí)控制等完善的保護(hù)功能，更有利于應(yīng)用。目前，新干線E2系高速動(dòng)車(chē)的牽引變流器即采用IPM元件。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)、整流技術(shù)基礎(chǔ)一、典型整流電路（一）半波不可控整流電路圖3-26半波整流電路第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)圖3-27半波整流波形第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)（二）單相半波可控整流電路圖3-28

單相半波可控整流第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)3、單相半波可控整流（1）電阻性負(fù)載（見(jiàn)圖3-30）電阻性負(fù)載，id波形與ud波形相似?？煽毓鑄承受的正向電壓隨控制角α而變化，但它承受的反向電壓總是負(fù)半波電壓，負(fù)半波電壓的最大值為U2。線路簡(jiǎn)單，多用在要求不高的電阻負(fù)載的場(chǎng)合。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)（2）感性負(fù)載（不帶續(xù)流二極管，見(jiàn)圖3-30）：第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)（3）感性負(fù)載（帶續(xù)流二極管，見(jiàn)圖3-31）圖3-31、電感性負(fù)載有續(xù)流第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)(三)、全波整流電路圖3-32全波整流電路圖3-33

半波整流波形第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)(四)、單相橋式半控整流電路圖3-34、單相橋式半控整流第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)整流器的基礎(chǔ)是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是其中用到了全控型器件，器件性能的好壞決定了

整流器的性能。優(yōu)質(zhì)的電力電子器件必須具有如下特點(diǎn)：(1)能夠控制通斷，確保在必要時(shí)可靠導(dǎo)通或截止；（2）能夠承受一定的電壓和電流，阻斷狀態(tài)時(shí)能承受一定電壓，導(dǎo)通時(shí)勻許通過(guò)一定的電流；（3）具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)具有足夠短的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并能承受高的di/dt和dv/dt。(五)整流電路第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)圖3.36

整流器主電路圖3-36(a)和(b)即為單相和三相電壓型整流電路，通過(guò)對(duì)它的適當(dāng)控制，可使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。圖

流

側(cè)電感L用以濾波和傳遞能量，直流側(cè)電容Cdc起著濾除直流電壓上開(kāi)關(guān)紋波和平衡直流輸入與輸出能量的作用。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)a)負(fù)載b)usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+++udusL

Rs

sV1V2VD1VD2ud負(fù)載C1C2單相半橋單相全橋圖3.37單相整流電路第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)圖3.38整流器交流側(cè)等效電路和相量圖第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)2.三相多開(kāi)關(guān)

整流電路六開(kāi)關(guān)Boost型：也可稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆 整流器。電路如圖3-42所示，每個(gè)橋臂上的可關(guān)斷開(kāi)關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，每只開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通作用，一般都是使交流側(cè)濾波電感L蓄積磁能，而在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，迫使電感產(chǎn)生較高的電壓Ldi/dt，通過(guò)另一橋臂的續(xù)流二極管向直流側(cè)

磁能。因此，從廣義上講，這種橋式仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開(kāi)關(guān)Boost型可逆整流器拓?fù)洌髌鞯奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且宜于實(shí)現(xiàn)有源逆變，因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型，也是多開(kāi)關(guān) 整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)圖3-42三相多開(kāi)關(guān)Boost型第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)六開(kāi)關(guān)Buck型：也可稱為兩電平電流型整流器，電路如圖3-43所示，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點(diǎn)，交流側(cè)輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點(diǎn)是由于直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導(dǎo)致其效率略低于六開(kāi)關(guān)Boost型。第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)圖3-43三相多開(kāi)關(guān)Buck型第三章、交流技術(shù)基礎(chǔ)3三電平在大功率整流電路變流裝置中，常采用拓樸結(jié)構(gòu)