逆变器_电机系统能量回馈制动问题研究

第19卷第12期 上海铁道大学学报 Vol.19,No.12 1998年12月 J OURN AL OF SHA NGHAI TIEDAO UNIVERSITY Dec.,1998

逆变器电机系统能量回馈制动问题研究

万 艳 徐国卿 陶生桂

(上海铁道大学电气工程系,上海200331)

摘 要 对逆变器电机系统制动过程的有关能量转换的物理本质进行了阐述;提出了在系统设计阶段制

动工况下能量回馈的性能计算的方法,并进行了仿真计算。

关键词 逆变器,能量反馈,制动

分类号 TM464;TM343.3

在铁道干线及城市轨道交通领域,交流传动得到了前所未有的重视。异步牵引电动机作为动力执行单元,需要运行在牵引工况(将电能转化为机械能)或制动工况(将机械能转换为电能)下。这两种工况通过逆变器控制来实现。当逆变器提供的频率所对应的电机同步转速高于电机运行转速时,电机工作于电动(即牵引)工况;当前者低于后者时,电机工作于发电状态(一般称为制动工况)。逆变器电机系统可以回馈电能。在内燃机车交流传动系统中,这部分回馈的能量无法回馈到内燃机一端,因此需要中间直流支路配以制动电阻将其消耗。在电力机车车辆中,出于网压限制与安全性的考虑,大都采用(或配备)电阻制动单元。

本文着重讨论逆变器电机系统的能量回馈制动过程的物理本质及其制动工况的性能计算等。

1 逆变器电机系统在制动工况下的能量转换问题

逆变器电机进行制动时,电机的能量流程可用图1所示的功率流向图[1]来表示:

图1 电机能量流向图

图1中,P1为制动工况下电机的轴端输入功率;P 为机械损耗功率;P 为附加损耗功率;P cu2为转子铜耗功率;P cu1为定子铜耗功率;P fe为电机铁芯基本损耗功率;电机输出功率为P2。则有:

P2=P1-P -P -P cu2-P cu1-P fe=

(P1-P -P -P cu2)-P c u1-P fe=P e m-P cu1-P fe(1)式中:P e m为电机电磁功率。

电机电磁转矩为:M em=P em/ 1(2)式中: 1=2 n1/60=2 f1/p

电机轴端输入机械转矩为:M1=P1/ (3)式中: =2 n/60,n为电机转速,r/min

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上述流程图可以用图2所示电机等值电路来描述:在图中,当S >0时,电动机处于电动状态;当S <0时,电动机处于发电状态。按电动机功率流程定义(即P 2>0为电动状态,P 2<0为发电状态),电机系统在制动工况时P em <0。图3给出了一台典型异步电机的P em 与转差(S)

的关系曲线。

图2 电机等值电路图 图3 P em 与S 关系曲线

为进一步阐述电机在两种工况下能量转换过程的物理本质,给出了S >0和S <0时的电机相量图,如图4(a)、(b )

所示。

图4

电机在不同工况下的相量图随S 从正值变至负值,E 1与I 2之夹角 2由小于90 变至大于90 。当0

1与I 2夹角小于90 ,电机能量由气隙传递至电机转子,转化为机械能;随S 变小转矩能量变少,至S =0,E 1与I 2成90 角,

能量转换值为0;当S 继续变小(S <0),E 1与I

2夹角大于90 ,能量流程与电动工况相反,即将由机械能通过磁场转换为电能。2 电机制动工况性能计算与仿真

2.1 T 型精确等值电机求解

为求电机性能,并考虑低频时性能求解[3],本文采用如图2所示的T 型精确等值电路。其中各参数由电路参数以标幺值表示,且

x m =k e1/i m ,R m =k 2

e10/P fe

式中:i m 、P fe 分别为电机励磁电流和基本铁耗(标幺值)。

电机电压由逆变器PWM 调制[2]实现。忽略电机端电压高次谐波(设相电压为U 1 =U 1 0),则有

电机相电流: 22 上海铁道大学学报 第19卷

I 1 =I p -j I R =A/(A 2+B 2)-j B /(A 2+B 2)

(4)电机转子电流:

I 2 =I 2p -j I 2R =C/(C 2+D 2)-j D/(C 2+D 2)

(5)A =R 1+

(aR 2/S )x m R m +x 2 x m R m b a 2+b 2(6)B =x 1 +x 2 x m R m a -(R 2/S)x m R m b

a 2+

b 2(7)

(a =x m R m +(R 2/S )x m +x 2 R m ,b =x m x 2 -R m (R 2/S )

C =(R 1+R 2/S)+x m (R 1R 2/S -x 1x 2)+R m (R 1x 2+x 1R 2/S )R m x m "中

:(8)D =(x 1+

x 2)+x m (x 2R 1+x 1R 2/S)+R m (x 1x 2-R 1R 2/S)

R m x m

!(P (9)图5 电机制动特性求解模块

电机输入电功率(负值):

P 2=U 1I 1p (10)电机输出功率(负值):

P 1=P 2-I 21r 1-P fe -I 22r 2-(P +P )(11)系统功率因素:

cos =I 1p /I 1(12)效率:

=P 1/P 2

(13)2.2 制动工况电机性能特性机车在制动工况时,电机的运行条件不同于一般的逆变器电机惯性负载系统。它在制动工况,端电压可以保持在一定范围内(并且是可控的)。因此,

有可能在电机制动时,其磁路运行在理想的工作

状态。另一方面,在城轨车辆运行中,对制动特性

也提出了新的要求(尤其是制动转矩要求)。如地

铁车辆的电机在牵引与制动工况时,制动电流会

略高于牵引电流。因此,进行制动特性计算,无论

对逆变器元件的选择以及控制方法和制动系统的

设计都有重要的作用,其计算精确性要求不亚于

牵引情况。

为使在制动工况下电机磁路工作于最佳状

态,逆变器控制须保证电机运行在恒磁能条件或

弱磁(恒功)条件下,且恒磁通条件下的磁通值与

电机对应频率下额定磁通相同,因此,在性能计算

中必须预先确定电机端电压(使之符合磁通要

求)。根据上述要求,给出了电机制动特性(恒磁通

条件下)的求解程序结构框图,如图5所示。

2.3 制动工况下逆变器电机系统稳态仿真

目前电机稳态性能计算(包括磁路计算),都是基于正弦供电电压条件下进行的。而在机车与城轨车辆交流传动系统中,电机电压由逆变器(电压型)控制,大都为PW M 波形或六阶梯波,电压为非正弦波。其高次谐波会对电机造成很大的影响,使电流峰值增大、电机产生转矩脉动、电机附加损耗增大等。 23 第12期 万 艳等:逆变器-电机系统能量回馈制动问题研究