变频调速控制系统(5)

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第一节 机车牵引运行方式 二、具有转矩和速度双闭环控制的交流传动系统
铁路牵引传动要求在宽广的速度范围内，对每个速度点 都能提供合适的力矩值。所以速度和转矩值被认为是系统的 被调量，并被取为闭环控制的反馈信号。 转速闭环系统的关键是如何提高系统的动态性能，来适 应机车牵引时的较大负载变化和速度变化。
其中 U10=Kf1+U0 ， U0 则是考虑零速度附近对定子绕组电阻压降的补 偿。； ΔU1表示电流反馈控制的影响——由电流反馈闭环控制。
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第二节 转差频率控制系统
（1）生成电机控制变量 （a）恒转矩起动阶段 电流反馈控制环节包括生成电流给定值 I1* 的 I1 函数发生 器和电流调节器，而电流实际值可用电流传感器测得。 如果给定电流 I1* 大于电机的实际电流，则增加ΔUl；反 之，则使ΔU1减少。 在Ul的组成中，U10所占的比重较大，以保证电压与频率 的线性关系。而在进入方波以后，逆变器的输出电压保持恒 值，电流反馈控制将不再产生影响。
f2 = KU12 S = 常数 Tf1 = KU f1
2 1
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第二节 转差频率控制系统
（3）恒电压、降功率区（自然特性区）——U1=C，f2=C 在该区段因为 f2 的提高受最小允许的转矩过载能力的限 制，当f2达到允许的最大值后就不再增加，进入降功率运行方 式。由式（2—50）可知，当U1=C，f2=C时，T ∝1/f12。
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第一节 机车牵引运行方式 一、机车牵引运行方式
（2）恒功率区 逆变器输出电压U1已达到限制电压而保持恒定，进入恒 功率运行。在恒电压下，随着供电频率的增加使牵引电动机 产生磁场削弱的效果，此时牵引力随机车速度（供电频率） 的增加成反比下降。 （3）降功率区（自然特性区） 由于转差频率 f2 的提高受最小允许的转矩余量的限制而 保持恒定，并在恒电压下降功率运行方式。
mp U1 2 T= ( ) f2 2πR'2 f1
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第二节 转差频率控制系统
（4）转差频率控制的牵引特性 （F） T U1 I1 f2 f1
恒转矩区 恒功率区 降功率区
0
（V）
图5-5
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动车组牵引运行特性
第二节 转差频率控制系统 3．具有电流反馈的的转差频率控制系统实例
为了较精确地控制磁通ф和转矩，须要采用具有电流反 馈和速度反馈的转差频率控制系统。 图5-6所示的控制结构是已经在一些机车和动车组上采用 的实例。可以看出，这是一种采用速度外环和电流内环的双 闭环控制系统，已经在机车和动车上应用。
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第一节 机车牵引运行方式
（2）矢量控制方法 为了使异步牵引电机具有象直流电机同样优良的动态性 能，提出了两种控制方案：矢量控制和直接力矩控制。 矢量控制（磁场定向控制）的转速闭环系统是实现高性 能交流调速的有效办法。在一定的条件下，矢量控制系统相 当于把非线性、强耦合的异步电动机调速系统解耦成两个独 立的线性系统：转矩控制系统和磁链控制系统。 线性系统的调节器比较容易设计，因此矢量控制交流调 速系统的静、动态性能可以和直流调速系统的性能媲美。
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第一节 机车牵引运行方式 一、机车牵引运行方式
为了满足上述三个区段的运行要求，应对牵引电动机作 出相应的性能调节。 机车在运行过程中，要求不断迅速地加速或减速，而其 机械惯性极大，当为了加、减速度而改变定子频率 f1 时，可 能会因定子频率和电机的实际旋转频率 fr 相差过多而超出临 界转差频率的范围，从而导致不稳定的运行。 因此，车上需要一个有着快速响应的闭环系统进行精确 控制。
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第一节 机车牵引运行方式 二、具有转矩和速度双闭环控制的交流传动系统
任何电气传动自动控制系统都服从于基本运动方程式：
Jdω T − TL = dt
式中： T—电动机的电磁转矩； TL—负载转矩； 量； dω/dt—电机角加速度。 J—电机的转动惯
要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化 率dω/dt。显然，控制电磁转矩T就能控制dω/dt 。因此， 调速系统动态性能的好坏就取决于控制其转矩的能力。
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第一节 机车牵引运行方式 二、具有力矩和速度双闭环控制的交流传动系统
ω*
+ － ω
速度 调节器
T* + － T
力矩 调节器
功率 变流器
电动机
负载
图5-2 力矩和速度双闭环控制的交流传动系统框图
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第一节 机车牵引运行方式 二、具有力矩和速度双闭环控制的交流传动系统
在牵引传动中，力矩环是一个必不可少的基本单元。如图中内环所 示，指令力矩T*由一个直流参考电压表示，实际力矩信号T由测定的电流 和磁通等确定，二者比较后的偏差△T＝T*－T送到力矩调节器，以获得 满意的力矩控制性能。 图中外环是速度控制环，其参考信号以模拟电压的大小和极性表示电 动机转速与转向的指令值ω*。该指令速度与负载的实际转速ω相比较， 所得的速度偏差△ω=ω*－ω提供给速度调节器，发出的补偿误差信号作 为力矩内环的力矩指令信号，从而获得双闭环的速度控制系统。
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第一节 机车牵引运行方式 三、控制策略
（1）在直流电动机中，转矩闭环控制比较容易实现：
当电机气隙磁通恒定时，电动机的转矩与电枢电流成正比，所 以，利用一个快速作用的电枢电流闭环既可以有效地控制转矩，又可以 在动态或稳态过载时保护变流器或电动机出现的过电流现象。
（2）对交流异步电动机的控制问题
异步电动机是一个复杂、非线性、多变量控制对象，而且在鼠笼结 构中无法直接检测转子电流。因此，交流传动不象直流电动机传动系统 那样，有一种标准的控制结构，而是先后开发出各种各样的控制方法。
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第二节 转差频率控制系统 3．具有电流反馈的的转差频率控制系统实例
整流器 逆变器
M 3~
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图5-6 转差频率控制系统
第二节 转差频率控制系统
（1）生成电机控制变量 （a）恒转矩起动阶段
力矩给定值T*，通过f2函数发生器产生给定的转差频率f2* 。 牵引工况下，转差频率与反馈的电机转子频率fR相加得f1=fR+f2*； 再生制动工况下，相减得f1=fR－f2*，确定逆变器输出电压的频率f1 。 此外，因恒力矩起动对恒磁通Φ≡El／f1≈U1／f1的要求， 取 U1= U10+ΔU1 ——频/压函数发生器
由上式可见，只要保持E1/f1恒定，同时保持f2也恒定，即可实现恒转 矩控制。但是E1难以直接检测，因此必须通过间接的检测与控制来实现 E1/f1恒定。
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第二节 转差频率控制系统
（1）恒磁通恒转矩区——ф∝ E1/f1=C， f2=C
根据第三章，要保持 E1/f1=C ，可在维持 f2=C 的同时保持 I1=C 来间接 达到。
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第一节 机车牵引运行方式 三、控制策略
根据异步电动机转矩生成的物理机理和数学表达式，除了直接采用 转矩作为反馈信号进行直接转矩控制外，还可以结合与转矩相关的气隙 磁通、转差频率或定子电流的控制环，实现间接转矩控制。但无论控制 结构如何复杂，或采用什么样的反馈环和反馈量，逆变器只有两个控制 变量，即电压和频率，故一般通称为VVVF（变压变频）逆变器。 目前，在交流传动机车和动车组上，比较普遍采用的电动机控制策 略有三种： （1）转差频率控制； （2）磁场定向矢量控制； （3）直接转矩控制。
& ⎤⎡ 1 ⎤ ⎡ E f2 − 1 & & & I1 = I m − I ' 2 = ⎢ + ⎥ ⎥⎢ f j 2 π L R ' j 2 π L ' f + m 2 2 2⎦ ⎣ 1 ⎦⎣
同时，可知在保持E1/f1=C时，U1随f1的函数变化关系。
& = −E & + ( R + jX ) I & U 1 1 1 1 1 & ⎤ ⎡− E & = ⎢ 1 ⎥ f1 + ( R1 + j 2πf1 L1 ) I 1 f ⎣ 1 ⎦
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第一节 机车牵引运行方式
（3）直接力矩控制方法 近年提出的直接力矩控制比矢量控制简单，易于实现。 牵引电机的响应快，动态性能优良，对空转时电机动态特性 及其粘着恢复有利。
由于列车具有巨大的惯性，在正常运行条件下，与列车 的机械时间常数相比，异步电机的电磁时间常数可以忽略不 计。从此观点出发，对牵引电机快速响应的动态性能不必有 过份要求；但当空转发生时，应快速响应进行空转保护。
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第二节 转差频率控制系统
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第二节 转差频率控制系统 1．转差频Байду номын сангаас控制的基本概念
目前，在铁路牵引的交流传动系统中，几乎都采用脉宽调制 （PWM）逆变器。这种逆变器特点在于：可方便地进行变压变频控制。 当控制系统给定电压U1和频率f1时，PWM逆变器的输出总是能保证 电动机的气隙磁通φ1∝ E1/f1 ≈ U1/f1接近于恒值来满足恒磁通控制的要 求，从而近似地使转矩T∝f2。只要控制f2不变，就可保持转矩T恒定，以 满足机车起动和加速牵引力恒定的要求。 当f1达到一定值后，U1保持不变，电动机便进入磁场削弱状态，如果 合适地控制f2随f1的变化规律，就能够使电动机在每个速度点发出所要求 的转矩，实现机车恒功率运行。
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第一节 机车牵引运行方式
（1）转差频率控制方法 早期的机车交流异步牵引电动机较多采用转差频率控 制，该种控制方式力求保持恒磁通，易于实现，技术也比较 成熟。电机产生的转矩和流过的电流大致与转差频率成比例。 在不同给定供电频率之下，控制转差，即可控制异步电机的 转速和转矩，以及相应的功率。 但其主要问题是，在瞬态条件下无法精确地控制转子磁 通向量与定子电流向量之间的相位角。
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第二节 转差频率控制系统
（1）恒磁通恒转矩区——ф∝ E1/f1=C， f2=C
U1、E1 I1
U1 E1
I1
0
f1 图5—3 电机电压U1、电势E1、电流 I1与频率f1的关系
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第二节 转差频率控制系统
（2）恒电压、恒功率区——U1=C，f2/f1=C
由于电压U1的提高事实上受到逆变器输出电压和电机功率的限制， 因此当电动机达到最高电压后一般不再增加，进行恒功率的控制。在恒 电压下，供电频率的增加使牵引电动机产生磁场削弱的效果。 由式（2-51）可知，在保持U1=C 的条件下，只要控制 f2/f1=C，即可 实现恒功率控制。
现代轨道车辆牵引传动与控制
胡汉春 西南交通大学机械工程学院
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现代轨道车辆牵引传动与控制
第五章 变频调速控制系统
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第一节 机车牵引运行方式
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第一节 机车牵引运行方式 一、机车牵引运行特性
对于铁路牵引来说，无论是机车还是动车组都应满足 的牵引性能，包括： 平稳起动、足够大的起动牵引力、调速范围尽可能宽、 有较大的高速利用功率、能进行动力或再生制动、并能较 好地抑制空转和滑行。 为适应牵引运用的要求，通常将整个变频调速范围分 成三个区段，如下图牵引特性曲线所示。
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第二节 转差频率控制系统 2．转差频率控制的基本规律
（1）恒磁通恒转矩区——ф∝E1/f1=C， f2=C
为了使机车能尽快起动和加速，应保证一定数值的牵引力。 根据异步电机等值电路及转矩表达式：
T=
mp E1 2 f 2 R '2 mp E1 2 ( ) ≈ ( ) f2 2 2 2π f1 R'2 + (2πf 2 L'2 ) 2πR'2 f1
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第二节 转差频率控制系统
（1）生成电机控制变量 （b）恒电压、恒功率运行阶段
当U1增大到一定值时保持恒定（进入方波控制），转差频率闭环控 制起作用。， 将司机给定的指令力矩T*与电机实际转速fR相乘，得出电动机的给定 输出功率，加上逆变器与电动机损耗ΔP后，得到功率指令值P*，再与中 间回路反馈功率 Pd 信号比较，差值送到功率 PI 调节器，调节器的输出对 力矩给定值进行修正。经过修正的力矩给定值T*，通过f2函数发生器产生 给定的转差频率f2*。
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第一节 机车牵引运行方式 一、机车牵引运行方式
T （F）
0
f1
恒转矩区 恒功率区 降功率区
（V）
图5-1
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动车组牵引运行特性
第一节 机车牵引运行方式 一、机车牵引运行方式
（1）恒转矩区 为起动加速区，牵引电机一般实行恒磁通运行。为了使 机车能尽快起动和加速，应保证一定数值的牵引力，但同时 也要考虑到起动期间轮轨之间粘着特性的限制，通常要求牵 引电动机能发出1.2~1.5倍的额定转矩。 随着速度的提高，牵引电动机的输出功率增大，起动终 了的速度决定于机车供馈能源所允许的持续功率，此时的速 度为额定速度。