城軌車輛電氣系統(tǒng)課件：牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

城軌車輛電氣控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

目錄城軌列車牽引電機(jī)一.城軌列車牽引特性二.交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三.

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

機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)起來定子對稱三相繞組通入對稱三相電流定子旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）

轉(zhuǎn)子磁場相互作用

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來

三相交流電能電磁轉(zhuǎn)矩城軌列車牽引電機(jī)一結(jié)論：定子旋轉(zhuǎn)磁場帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

1、列車牽引特性

當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(guān)系表示在坐標(biāo)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?yán)硐霠恳匦栽趯嶋H的應(yīng)用中，受各種特定因素的影響，其曲線如下（1）恒牽引力（轉(zhuǎn)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(jī)的固有機(jī)械特性

三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性指在電源電壓U1、電源頻率f1及電動機(jī)參數(shù)固定并按照規(guī)定的方式接線的條件下，其電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系。根據(jù)電機(jī)機(jī)械特性可知：電機(jī)的T、n與U1、f1、電動機(jī)參數(shù)、接線方式有關(guān)。城軌列車牽引特性二3、列車牽引特性與牽引電機(jī)特性之間的關(guān)系

由于列車是由牽引電機(jī)驅(qū)動的，列車速度v與電機(jī)轉(zhuǎn)速n相關(guān)，牽引力F與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T相關(guān)，因此只要控制電機(jī)的n、T變化以適應(yīng)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(jī)的機(jī)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(diào)速概述1、調(diào)速的概念人為的改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人為機(jī)械特性上，稱為調(diào)速。2、調(diào)速的方法

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

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三

3、變頻調(diào)速改變電源頻率f1無級調(diào)速此種調(diào)速方法發(fā)展很快，且調(diào)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(jī)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(diào)速系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備投資較高。變頻電源

可變頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三（二）異步電機(jī)變頻調(diào)速的特性控制在進(jìn)行變頻調(diào)速時，電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，如何在調(diào)速過程控制其機(jī)械特性的（轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系）變化以適合列車的牽引特性是變頻調(diào)速控制的關(guān)鍵。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三

如果把轉(zhuǎn)速調(diào)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(jī)磁通一般設(shè)計在接近鐵心磁飽和點），從而增加勵磁電流和鐵損，導(dǎo)致電機(jī)過熱，這是不允許的。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時異步電動機(jī)的機(jī)械特性變化曲線交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三2、恒功率調(diào)速方式（2）在即高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速時，應(yīng)保持U1不變。這時磁通φ和轉(zhuǎn)矩T都將減小。轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)矩減小，將使功率近于不變。這是恒功率調(diào)速。如果把轉(zhuǎn)速調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速控制三恒轉(zhuǎn)功率調(diào)速時異步電動機(jī)的機(jī)械特性變化曲線交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三變頻調(diào)速時異步電動機(jī)的機(jī)械特性與列車列車?yán)硐霠恳匦詫Ρ热鐖D所示的對比不難發(fā)現(xiàn)，采用變壓變頻（VVVF）調(diào)速方法調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按照一定的控制規(guī)律，很容易的將其特性調(diào)節(jié)得和列車的牽引特性相“匹配”。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三3、變頻調(diào)速的特點：①基頻以下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻以上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式；②調(diào)速范圍大；③轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；④運行效率高；⑤頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速為無級調(diào)速交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三（三）異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速（拓展自學(xué)）交流調(diào)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(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三2、矢量控制的目標(biāo)讓交流電動機(jī)的調(diào)速控制象直流電動機(jī)線性化。3、矢量控制的基本思想通過對交流電動機(jī)模型實施必要的坐標(biāo)變換（矢量變換）實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的有效解耦，從而得到類似于直流電機(jī)的以勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流比例控制電磁轉(zhuǎn)矩的矢量控制模型，再仿造直流電動機(jī)控制方式建立交流電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)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(jī)轉(zhuǎn)速控制三變換過程具體的變換運算比較復(fù)雜，此處從略，需要時可參看相關(guān)參考文獻(xiàn)。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、坐標(biāo)變換（包括靜止和旋轉(zhuǎn)）ABC坐標(biāo)系

坐標(biāo)系dq坐標(biāo)系3/2變換C2s/2r交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三（四）異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速（拓展自學(xué)）1、概述1984年德國魯爾大學(xué)的DepenBrock提出直接轉(zhuǎn)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(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三2、直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三總的來說，直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過對定子電壓空間矢量的控制達(dá)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(zhuǎn)速度的大小交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制三矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制對比區(qū)別:（1）直接轉(zhuǎn)矩控制建立在定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。矢量控制建立在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中（2）矢量控制一般具有