交流传动机车变频调速-轨道机车毕业论文

毕毕业业论论文文 第第 1 页页 共共 15 页页 毕毕业业论论文文 论论文文 题题 目：目：交流传动机车变频调速交流传动机车变频调速 学学生生 姓姓 名：名：王涛王涛 专专业：业：铁铁 道道 机机 车车 班班级：级：高职机车高职机车 11081108 班班 学学号：号：142202040187142202040187 指指 导导老老 师：师：李艳霞李艳霞 包头铁道职业技术学院包头铁道职业技术学院 毕毕业业论论文文 第第 2 页页 共共 15 页页 专专业业机车运用与检修机车运用与检修班班级级机车机车 1108 班班 姓姓名名王涛王涛学学号号142202040187 论文题目：论文题目：交流传动机车的变频调速交流传动机车的变频调速 论文摘要：论文摘要： 指导教师评语：指导教师评语： 论文评定成绩论文评定成绩指导教师签字指导教师签字 毕毕业业论论文文 第第 3 页页 共共 15 页页 目录 第1章绪论 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 2 章 交流异步电动机- 5 2.1 交流异步电动机的结构- 5 2.2 什么是旋转磁场-6 2.3 三相异步电动机的旋转原理-7 第 3 章变频调速8 3.1 异步电动机的调速方法- 8 3.2 变频调速的工作原理- 9 3.3 变频调速的优点-9 第四章 HXD3 型交流传动机车变频调速及其控制策略11 4.1 调速-11 4.2 控制策略-11 毕毕业业论论文文 第第 4 页页 共共 15 页页 第第 1 章章 绪论绪论 从十九世纪七十年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动 技术。1879 年的世界第一台电力机车和 1881 年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。 1891 年西 门子试验了三相交流直接供电、 绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917 年德国又试制了采用 “劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。这些技术探索终因系统 庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模 式。1955 年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957 年,硅可控 整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。大功率硅整流技术的 出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电 动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。 1965 年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起 了单相工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO) 的出现和微机控制技术等的发展， 20 世纪 70 年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流 供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。与直 流传动机车相比，交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护 简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。 毕毕业业论论文文 第第 5 页页 共共 15 页页 第第 2 章章 交流异步电动机交流异步电动机 2.1 交流异步电动机的结构 和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子两大部分组成。定 子与转子之间有个较小的气隙。异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分 组成。 （1）定子铁心 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。为了使异步电动机能产生较大的电磁转 矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心 中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损 耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的 0.5mm 厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而 成。对于容量较大(10kW 以上)的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。定 子铁心上的槽形通常有三种半闭口槽，半开口槽及开口槽。从提高电动机的效率和功率因 数来看，半闭口槽最好。 （2）定子绕组 定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈按一定规律联接面成。能分散 嵌入半闭口槽的线圈由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成，放入半开口槽的成型线圈用高强度 漆包扁沿线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用 云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现 击穿或短路故障。一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型 式。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上 下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。小容量异步电动机常采用单层绕组。槽内定子绕组的 导线用槽楔紧固。槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。 点击图片放大。 （3）机座 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。中小型异步电动机一般都采用铸铁机坐，并根 毕毕业业论论文文 第第 6 页页 共共 15 页页 据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量 全都要通过机座散出。为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增 大散热面积。对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。 （4）转子铁心 转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般也由 0.5 毫米厚冲槽的硅钢片叠成，铁心 固定在转轴或转子支架上。整个转子铁心的外表面成圆柱形。2转子绕组转子绕组分为笼 型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。 （5）笼型绕组 由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的，不需由外电源对转子绕 组供电，因此绕组可自行闭合；绕组的相数亦不必限定为三相。因此笼形绕组的各相均由单 根导条组成，因为异步电动机正常运行时，旋转磁场与转子导条的相对转速不大，即转差率 在 5之下，所以导条中的感应电动势不大，如导条与铁心之间不加绝缘，由导条与铁心之间 的接触电阻来限制导条间的漏电流也是可以的，一般无须用绝缘材料把导条与铁心隔开，这 样的绕组工艺极为简单。笼型绕组就可以由插入每个转子中的导条和两端的环形端环组成。 如果去掉铁心，整个绕组的外形就象一个关松鼠的笼子，如图 38。所以具有这种笼型绕组 的转子，习惯上称为笼型转子。为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都 采用铸铝转子。这种转子的导条和端环一次铸出。对容量大于 100kW 的电机，由于铸铝质量 不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼形绕组。笼型转子上既无集电环， 又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运行可靠。 （6）绕线型绕组 它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上 三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。这种转子的特点是，通过集电环和电刷 可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。为 了减小电刷的磨损与摩擦损耗，中等容量以上的异步电动机还装有一种提刷短路装置。这种 装置当电动机起动以后而又不需要调节速度时，移动其手柄，可使电刷提起，与集电环脱离 接触，同时使三只集电环彼此短接起来。 （7）气隙 异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机般为 0.22mm。气隙的大小与 异步电动机的性能关系极大。气隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场 就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流(与变压器中的情况一样)，该电流增大会使电机 的功率因数变坏。然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且 改善起动性能。气隙过小，会使装配困难和运转不安全。如何决定气隙大小，应权衡利 弊，全面考虑。一般异步电动机的气隙以较小为宜。 2.2 什么是旋转磁场 交流电机气隙中的磁场。因其沿定、转子铁心圆柱面不断旋转而得名。旋转磁场是电能 和转动机械能之间互相转换的基本条件。 通常三相交流电机的定子都有对称的三相绕组（见 电枢绕组）。任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场。但若以平衡三相电流通入三 相对称绕组，就会产生一个在空间旋转的磁场。磁场的对称轴线随时间而转动，其转速 ns 毕毕业业论论文文 第第 7 页页 共共 15 页页 由电流频率 f 和磁极对数 P 决定公式 ns 称为同步转速或同步速（以转每分表示）。中国现在 应用的工业电源的频率 f 为 50 赫,于是两极电机(P1)的 ns=3000 转/分；四级电机(P=2)的 ns=1500 转/分；余类推。 在一般情况下，电流变化一个周期，磁场轴线在空间就转过一对极。 若近似地认为磁场沿圆周作正弦形分布，并用磁场轴线处的空间矢量来代表，用矢量长度表 示磁场振幅，则理论分析证明，三相对称绕组通以平衡的三相电流时，产生的是一个振幅不 变的旋转磁场。这时矢量在旋转过程中它的末端轨迹为一圆形，故名圆形旋转磁场。这个结 论可以推广到一般的多相（包括两相）系统。即多相电机对称绕组通以平衡多相交流电流， 则产生圆形旋转磁场。 一般说来，旋转磁场的转向总是从电流超前的相移向电流滞后的相。 如果将三相的 3 个引出线任意两个对调再接向电源，即通入三相绕组的电流相序相反，则旋 转磁场的转向也跟着相反。 如果三相电流不平衡，可用对称分量法把三相电流系统分解为正 序电流系统和负序电流系统。正序电流系统产生一个正向圆形旋转磁场，负序电流系统产生 一个反向圆形旋转磁场。一般情况，两个磁场振幅大小不等，其合成磁场矢量的末端轨迹为 一椭圆形，故名椭圆形旋转磁场。这个结论也可以推广到一般的多相(包括两相)电机。 2.3 三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕 组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度 的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120 度，这样，当在定子绕组中 通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图 1 所示。图中分四个 时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转 磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中 f 为电源频率、P 是磁场的磁极对数、n 的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和 使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：（1）改变磁极法（2）.变 频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。旋转 磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三 根电源线中的任意两根对调，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改 变三相电动机的旋转方向。 定子绕组产生旋转磁场后，转子导条将切割旋转磁场的磁力线而 产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转 矩驱动转子沿旋转磁场方向以 n1 的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速 n1 低于 旋转磁场的转速 n。因为假设 n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁 力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速 n1 必然小于 n。为此我们称三相电动机为异 步电动机。 毕毕业业论论文文 第第 8 页页 共共 15 页页 第第 3 章章 变频调速变频调速 3.1 异步电动机的调速方法 从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转 两种。不改变同步转速的调速方法有（1）绕线式电动机的转子串电阻调速（2）斩波调速（3） 串级调速以及应用电磁转差离合器（4）液力偶合器（5）油膜离合器等调速。不改变同步转 速的调速方法在生产机械中广泛使用。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改 变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。高效调速指时转差率不变，因此无 转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转 差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离 合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油 中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。我 们清楚三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率 f、电动机的极 对数 p 及转差率 s 均可太到改变转速的目的，下面松文机电具体介绍其几种调速方法。 （一）变极对数调速方法： 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目 的。特点如下：（1）具有较硬的机械特性，稳定性良好（2）无转差损耗，效率高（3）接线 简单、控制方便、价格低（4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速（5）可以与调压调 速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 （二）变频调速方法： 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系 统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频 器两大类， 目前国内大都使用交-直-交变频器。 本方法适用于要求精度高、 调速性能较好场合。 其特点：（1）效率高，调速过程中没有附加损耗（2）应用范围广，可用于笼型异步电动机 （3）调速范围大，特性硬，精度高（4）技术复杂，造价高，维护检修困难。 （三）串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达 到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收 的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为 电 机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。本方法适合于 风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。其特点为（1）可将调速过程中的转差损 耗回馈到电网或生产机械上，效率较高（2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调 速范围在额定转速 70%-90%的生产机械上（3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停 毕毕业业论论文文 第第 9 页页 共共 15 页页 产（4）晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 （三）绕线式电动机转子串电阻调速方法： 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下 运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发 热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 3.2 变频调速的工作原理 变频调速基本原理三相异步电动机的转速公式为:n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p 式中:n 电机的转速r/minn1同步转速r/minp磁极对数 s 转差率f 频率Hz 由转速公式可知, 我们可 以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大， 效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率 实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高 效、调速范围宽(10%100%)和精度高等性能，节电效果 20%30%。实际上仅仅改变电动机 的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率 和磁通乘积成正比，即：UE=C1f式中，C1 为常数，因此有E/fU/f 若外加电压不变， 则磁通随频率而改变，如频率 f 下降，磁通会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功 率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就 要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变， 需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速。 3.3 变频调速的优点 由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到 20%60%，这 是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、 水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用 功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的 20%30%，它们的节能就具有 非常重要的意义。对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。除 此之外，原有调速方式耗能较大者，原有调速方式比较庞杂，效率较低者，采用了变频调速 毕毕业业论论文文 第第 10 页页 共共 15 页页 后，节能效果也很明显。变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、 反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当 而烧毁电动机的问题。变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以 任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速 系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可 回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流 制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控 制电路。以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除了在风机、泵类负载上的应用 以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以 提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化， 有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。 毕毕业业论论文文 第第 11 页页 共共 15 页页 第第4章章HXD3型交流传动机车变频调速及其控制策略型交流传动机车变频调速及其控制策略 4.1 调速 以交流电动机作为系统的传动单元，关键是电磁力矩的产生与控制，前述的转差频率控 制系统，就是根据电压（或电流）和转差来控制电磁力矩的。但转差频率控制的变频系统， 其控制方式是建立在异步电动机稳态数学模型的基础上的，其动态性能不够理想。随着现代 控制理论及控制技术的发展，一种模仿直流电机控制的矢量控制系统取得了重大的进展，并 已在许多变频调速系统、铁路干线机车和高速动车（如德国的 ICE 动车）上得到应用。在 图 4 一 18 所示的控制系统中，通过转速传感器将电动机的实际转速信号田检测出来与给定转 速信号矿进行比较，转速偏差信号山经速度调节器 SR 产生力矩给定值 T，而转速信号山送 到磁通函数发生器必 F，该发生器在基速以下提供恒定的转子磁化电流给定值（恒力矩运行 区），在超过基速后实现磁场削弱（恒功率运行区）。由给定力矩 T和给定转子磁链扩 通过磁链观察器平 M 计算出给定电流弓，、瓜 1 和给定转差角频率矿，与实测得的转速信号 山相加得定子角频率信号山：，经积分得到同步旋转坐标系和静坐标系（轴系）之间的角位 移尹，利用向量分析器 VA 可得 sin 和 cos。直接力矩控制系统直接力矩控制是在矢量控制 和电流跟踪控制的基础上发展起来的，它解决了矢量控制系统中需要复杂的坐标变换和控制 性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制是目前最先进的高性能交流控制策略之一。 该方法是直接在电机定子侧计算磁链树和力矩 T，借助两点式调节器（BarD 一 BanD 控制） 产生 PWM 信号，直接控制逆变器的开关状态，把磁链和力矩控制在某一给定的容差内。该控 制系统线路简单，有最佳的开关频率和最小的开关损耗，并能获得良好的动态调速性能，所 以电力机车常采用这种系统。综上所述，在保持定子磁链不变的情况下，通过调节定子电压 即可调节电磁转矩，从而达到调速的目的。 4.2 控制策略 交流传动电力机车有两套独立的电子控制装置，具有机车级控制、四象限变流器控制、 异步牵引电机环控制、速度闭环和逆变器控制、系统保护等功能，图 4 一 20 机车控制原理图 1机车级控制机车级控制包括电平转换、解锁逻辑、特性控制及防空转控制。考虑到机 车控制系统系统化、系列化的要求，机车级控制采用了 MICAS 微机控制系统，系统结构如图 4 一 21 所示。其软件功能包括机车特性控制、防空转控制、电机损耗估算和逻辑解锁。特性 控制单元接收到司机操作台送出的手柄信号后，按机车特性的要求以及机车运行状态进行调 节，生成力矩给定值姨。司机操作台送出的开关命令信号经电平转换分别送入解锁逻辑、特 性控制、速度闭环控制以及脉宽调制等功能单元，命令各功能单元按指令工作。解锁裸机负 责机车有触点控制与电子控制装置的逻辑接口，依据机车状态及指令控制主断路器、充电接 触器、交流器等的投入和切除。四象限变流器控制系统机车牵引时，四象限变流器把 50Hz 电 网电压变换成直流电压供给牵引逆变器；制动时，把中间直流电压逆变成 50Hz 交流电压反馈 给电网。控制系统的任务是使中间直流回路电压恒定为 2800v，并使输入电流与网压同相（牵 引时）或反相（再生制动时）。为了减少电网电流的谐波分量，机车上的 4 台四象限变流器 相位依次相互错开 90”。再生制动时，上述作用方式没有什么变化，只是因为能量必须反馈 到电网，所以电压调节器的输出最终是负值。牵引电动机闭环控制系统 20 世纪 80 年代末， 国外已先后开发出矢量控制和直接力矩控制两种高动态控制系统，并成功地应用于交流电传 毕毕业业论论文文 第第 12 页页 共共 15 页页 动机车异步牵引电动机的调速控制。但高动态控制系统需要有高响应速度的变流装置及高速 信号处理器。限于相关元器件的国产化水平并借鉴某些成熟的控制技术，我国生产的第一台 AC4000 型交流电力机车采用转差一电流控制的闭环系统， 一乘法器； 一