机车变频调速

以人为本 · 发表于 2015-2-3 17:30:35

通过改变和控制机车上交流牵引电机的供电频率，即改变异步机或同步机的定子频率来改变电机中磁场的旋转速度，达到改变机车交流牵引电机机械传动轴的速度的方法。

机车变频调速（variable frequency speed control for locomotive）通过改变和控制机车上交流牵引电机的供电频率，即改变异步机或同步机的定子频率来改变电机中磁场的旋转速度，达到改变机车交流牵引电机机械传动轴的速度的方法。

由电机运动方程可知，在负载确定的条件下，电磁转矩是电机转速调节的基本控制参数。概括而言，所有电机的电磁转矩是由定、转子磁场相互作用的结果。不同的电机结构产生定、转子磁场分量，转子（电枢）中形成交轴磁场分量，两个磁场分量在空间上处于静止状态，相互呈90°交角。在交流电机中，定、转子磁呈正弦态分布并在空间以同步角速度旋转，若以空间矢量的概念来表述，交流电机的定、转子磁链空间矢量的幅值和相对位置是控制电磁转矩的变量。相比较而言，由于交流电机的定、转子之间的强耦合关系和磁场的空间旋转变化，其磁场和转矩控制较复杂。尽管直流电机便于控制，但其机械换向结构制约了直流传动系统的广泛应用和进一步发展。交流传动系统已呈现取代直流传动系统的趋势。

目前，由交—直一交电压型变流装置和鼠笼式异步牵引电机构成的电传动系统已成为技术主流，广泛应用于机车车辆上。该系统可分为三个主要缓解：网侧交一直整流器实现功率调节，电机侧直一交逆变器实现频率变换，异步牵引电机和机械传动部分实现机电能量转换。在异步牵引电机中，转矩和转速的输出与磁场空间矢量的幅值和同步旋转角速度存在着必然的联系，因此为了在整个调速范围内，各运行转速下能输出所需的电磁转矩，必须给牵引电机施加适当频率和幅值的端电压，这就是电机侧直一交逆变器所完成的基本任务，以实现变频调速功能。而网侧交一直整流器作为功率调节单元，一般采用四象限脉冲整流器，它一方面从电网有效地吸收或反馈所要求能量，稳定中间直流环节电压；另一方面，提高网侧功率因数，降低谐波电流。

随着电力电子技术的发展，变流器采用了越来越先进的功率开关器件。目前，GTO变流器已广泛应用于电力牵引系统中，而开关和控制性能更为优越的IGBT、IPM等器件逐步进入该领域，并呈现出强劲的发展趋势和前景。变流器冷却技术也在同步发展，水冷技术以无污染和冷却效果好等主要优势已成为发展方向。

控制技术是实现机车交流传动的关键。典型的机车牵引特性曲线包含了恒转矩启动区和恒功率运行区，前者可以保证必要的机车车辆的启动加速度，后者使设备容量得以充分利用。此外，为了更好地利用牵引电机的有效材料和提高电机动态相应，在启动阶段应采用恒磁通控制，因此，必须对电机侧直一交逆变器采用PWM控制技术和合适的电机闭环调节策略。目前，典型的PWM方法有自然采样SPWM法、磁场轨迹跟踪法以及优化PWM法等，这些方法都能实现变频电压控制，随着电机闭环控制理论和微电子技术的进步，高性能的磁场定向控制和直接转矩控制已代替转差一电流控制方法。前者以转子磁场定向通过矢量变换实现解耦控制，后者采用空间矢量的概念通过双位调节器直接控制转矩和定子磁链。