（电气工程专业论文）电压型逆变器供电的异步牵引电动机电磁设计和稳态特性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来随着交流传动技术的发展，异步牵引电动机的应用更加广泛，对异步 牵引电动机的开发研究就显得非常重要。本文是针对在电压型逆变器供电下，转 差频率控制异步牵引电动机的电磁设计和稳态特性仿真进行了分析研究，并开发 了异步牵引电动机电磁设计和稳态仿真c a d 系统。 论文的主要内容有： ( 1 ) 阐述了交流调速系统的应用与发展，各类异步调速系统的比较和异步电机 变频调速运行的原理。在感应电动机的等值电路的基础上，分析了电源频率发生 改变，等值电路中主要参数的变化规律，研究了异步龟动机变频调速的运行特性， 给出了变频调速状态下感应电动机恒电压频率比、恒磁通、恒电流调速情况下的 运行特性，并对转差频率控制和电力机车的特性调节进行了分析。 ( 2 ) 分析了电压型逆变器电源谐波成分和谐波在牵引电动机内的电磁关系，并 对牵引电动机的谐波等值电路进行了分析，包括谐波电压在电机中产生的电流、 损耗和转矩等。在牵引电动机电磁设计中增加了谐波电路的计算，并对牵引电动 机的功率因数和效率进行了分析计算。 ( 3 ) 根据精确r 型等值电路，提出了牵引电动机的和磁路计算方法，推导了相 关设计公式，并编写了考虑电压谐波影响的异步牵引电动机电磁设计和分析校核 程序。 ( 4 ) 在分析电力机车牵引特性基础上，对牵引电动机的运行特性进行了研究。 提出了牵引电动机恒转矩、恒功率、恒电压等不同牵引和制动阶段的稳态仿真计 算方法。 ( 5 ) 用v b 6 0 语言丌发了异步牵引电动机电磁设计和稳态特性仿真软件c a d 系统，并用c a d 系统设计了牵引电动机样机，设计和仿真结果表明该软件正确可 靠。 关键词：逆变器；异步牵引电动机；电磁设计；稳态仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa cd r i v es y s t e m s ，m o r ea n dm o r ea s y n c h r o n o u st r a c t i o n m o t o r sa r eu s e di nm a n yf i e l d s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pa n ds t u d yf o rt h e a s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r t h i st h e s i sp r e s e n t st h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h e e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g na n ds i m u l a t i o no fs t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c ef o rt h ea s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o r , w h i c hi sd r i v e nb yv o l t a g es o u r c ei n v e r t e ra n dc o n t r o l l e db ys l i p f r e q u e n c y t h es o f t w a r eo fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s y s t e m f o rt h ea s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o rh a sa l s od e v e l o p e d t h em a i nw o r k so f t h i st h e s i sa 南： ( 1 ) t h ep r e s e n tc o n d i t i o n so ft h ed r i v es y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a cd r i v es y s t e m s a n dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c t i o nm o t o r sa r ec o m p a r e d ，a n dt h ea s y n c h r o n o u s t r a c t i o ns y s t e mi sb r i e f l yr e v i e w e d i nt h et h e s i s ，o nt h eb a s e do ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i t o fi n d u c t i o nm o t o r s ，t h ep r i n c i p l eo fm a i np a r a m e t e r sw i t ht h e c h a n g eo fs o u r c e 丹e q u e n c yi sg i v e n ，a n dt h eo p e r a t i o np r o p e r t y o fm o t o r sb y c h a n g i n gf r e q u e n c y i sa l s o s t u d i e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n tv o l t a g e f r e q u e n c yr a t i o ，c o n s t a n tf l u x ，c o n s t a n t c u r r e n t ，t h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ev a r i a b l es p e e da n dt h eo p e r a t i n gp r o p e r t yf o ra c d r i v es y s t e m sa r eg i v e n s l i pf r e q u e n c yc o n t r o la n da d j u s t a b l ep e r f o r m a n c ef o rt h e i n d u c t i o nm o t o r sa r ea l s os t u d i e di nt h em e s i s ( 2 ) h a r m o n i cc o m p o n e n t s o f v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e ra r e a n a l y z e d ， a n d e l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n s h i p o ft h e s eh a r m o n i c sf o ra s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r si s s t u d i e d t h eh a r m o n i c e q u i v a l e n t c i r c u i ti se s t a b l i s h e da n dt h el o s s e sa n dt o r q u e c o u r s e db yh a r m o n i cv o l t a g ea r ea n a l y z e d ，t h em e t h o d so f c a l c u l a t i n gp o w e r f a c t o ra n d e f f i c i e n c y a r e p r e s e n t e d f o ri n d u c t i o nm o t o r sw h e nt h ee l e c t r i c a ls o u r c ec o n t a i n s h a r m o n i c s ( 3 ) i nt e r m so f t h e a c c u r a t et - t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g no f a s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r si sp r e s e n t e d ，a n dp r o g r a mf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n i sa l s oe s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h eh a r m o n i ce f f e c t sa r et a k e ni n t oa c c o u n t ( 4 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h et r a c t i o na n db r a k ec h a r a c t e r i s t i c so f a s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o r s ，t h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c eo ft h ea s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o ri s s t u d i e d w h e nt h ea s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r sw o r ki nt h ed i f f e r e n tt r a c t i o no rb r a k e o p e r a t i o n ，s o m ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fc o n s t a n tt o r q u e ，c o n s t a n tp o w e ra n dc o n s t a n t v o l t a g ea r ea l s og i v e n 1 i 里鏖查堂堡主堂堡垒塞 ：茎奎塑薹 ( 5 ) i no r d e rt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g na n ds t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n o f a s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r s ，t h es o t t w a r eo f c a d s y s t e mf o r t h ev a r i a b l ef r e q u e n c y t r a c t i o nm o t o rs y s t e mi s d e v e l o p e d t w op r a c t i c a lv a r i a b l ef r e q u e n c ya s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o r sa r e d e s i g n e d ，i ti ss h o w n t h a tt h es o f t w a r ei sc o r r e c ta n d r e l i a b l e k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o t o r ，e l e c t r o m a g n e t i c d e s i g n ，i n v e r t e r , s i m u l a t i o n i i 重庆大学硕七学位论文1 绪论 1绪论 1 1 电力拖动的发展过程 电力拖动是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称，它是为了合理 地使用电动机，通过对电动机的控制，使被拖动的机械按照某种预定的要求运行。 电气传动系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、 速度调节以及各种生产工艺过程的要求【l “。 长期以来，直流电机调速系统一直在调速领域占主导地位，这主要是直流电 机调速方便，而且在磁场一定的条件下，它的转速和电枢电压成正比，使其转速 容易控制，因此直流电动机调速比较容易得到良好的动态特性。但是直流电动机 也存在一些问题，如结构复杂，价格昂贵、可靠性差等，这些缺点使得直流电动 机远远不能适应现代化生产对电机高速、大容量发展的要求。 交流电动机特别是鼠笼型异步电动机，由于它结构简单、制造方便、价格低 廉，而且坚固耐用、运行可靠、维护量小，因此在工农业生产中得到了广泛的应 用。但交流电动机平滑调速比较困难，然而在各种拖动场合，需要调速的情况又 很多，因此人们很早就开始研究交流电动机的调速问题。先后出现了降压调速、 电磁滑差调速、转子串电阻调速、变极调速及串极调速等，但是这些调速方式的 调速效果都不如直流电动机。在二十世纪2 0 年代，人们就已经认识到变频调速是 交流电动机的一种很好的调速方式，它既能在宽广的范围内实现无级调速，又能 获得良好的起动性能和运行特性。但是由于当时的控制理论、技术以及器件的限 制，人们无法得到一个理想的变频电源，因此变频调速技术一直无法得以实际的 应用。直到二十世纪5 0 年代，由于晶闸管等电力半导体、集成电路以及微型计算 机的发明和发展，人们利用这些先进的电子器件制成了固态电子逆变器作为交流 电动机调速变压、变频电源，开创了电子技术发展的新时代，使交流电机调速技 术得以应用。在6 0 年代初期，几位著名的专家提出了实用和高效的静止变压变频 器。虽然交流电动机有许多优点，但由于变频器的成本高，以及需要比较复杂的 控制系统，在与直流电动机的竞争中处于弱势。在7 0 年代中期，在全世界范围内 出现了能源危机，作为节约电能的一个重要手段，电机的调速问题重新得到了重 视，由此对交流电动机调速技术的发展起到了很大的推动作用。特别是8 0 年代以 后，由于电力半导体自关断化和高频化的发展，电力电子装置随着适应社会技术 的要求，向着轻( 量) 、小型、高效、高精度多功能等方向发展。由此可见，研究 有电力传动系统，特别是交流调速的问题有着重要的意义 4 】。交流传动技术的发展 是随着电力电子器件和控制技术的发展而发展的。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外电力牵引交流传动技术的发展概述 自1 8 7 9 年世界上出现第一条电气化铁路以来的1 0 0 余年时间内，人们不懈地 努力，试图制造出具有实用价值的交流传动电力机车。但是由于科学技术发展水 平和物质基础的制约，在相当长的时间内，人们的努力并没有取得预期的效果。 电力电子技术的发展成就为交流牵引传动提供了必不可少的物质基础，与此同时， 铁路装备的交流传动又为电力半导体和微电子控制装嚣的推广应用提供了新的广 阔领域和进一步发展的动力，有力地推动了工业电气传动和自动化技术的变革。 进入2 0 世纪7 0 年代，由于德国曼海姆公司研制的d e - 2 5 0 0 交流传动内燃机车和 e 1 2 0 交流传动电力机车在莱茵河畔异乎寻常的成功，使世界铁路运输装备制造业 和运营部门着手掀起新一轮的技术创新和产业革命【4 】。迄今，先是欧洲、继而北美 和亚洲，交流传动机车和高速列车组正在迅速取代原有的相控机车和交流换向器 电动机驱动的机车。 1 2 1 国外电力牵引交流传动技术的发展 最早交流传动机车的方案是选择三相交流电源直接供电的绕线式转子异步牵 引电动机系统【5 】。如1 8 9 1 1 8 9 2 年德国西门子公司制造的试验车，就是通过两条架 空线和一条轨道提供5 5 0 v 的三相交流电。1 8 9 8 年西门子公司进一步在一台两轴 车上安装了变压器，并由三根架空线提供1 0 k v 、5 0 h z 的三相交流电。绕线式转子 异步电动机的转子串接电阻，通过变阻器实现转差调节。当时意大利的交流传动 电力机车上采用了电阻进行调速，为了改善调速性能，电动机上装有可变极绕组， 并采用了每两台电动机级联的电路。但由于接触网的建造及维修费用很高，而且 采用变阻、变极和级联调速的方法，仍无法获得理想的牵引特性。所以，这种三 相交流电气化方案，最终还是没有被成功的实现。 随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流传动机车的研究再次成为热点。 上世纪6 0 年代中期，已经有可能在全新的物质和技术基础上，把单线接触网送到 机车上的能量，变换为三相的适合牵引用的新的能量形式。进入7 0 年代，因采用 异步交流传动系统的d e 一2 5 0 0 内燃机车在莱茵河畔的试验的成功，交流传动在牵 引领域重新焕发出了前所未有的活力。1 9 8 3 年底，历经三年的经验、试运行和改 进之后，世界上首批5 台b r l 2 0 型大功率干线交流传动电力机车，终于赢得了相 当挑剔的原联邦德国铁路当局的认可。b r l 2 0 机车在系统设计、总体布置、参数 选择与优化规则、电路结构方面，以及在主要部件，如卧式牵引变压器、牵引变 流器、牵引电动机、辅助变流器等的设计和运行的基本模式，推动了铁路牵引动 力的新一轮革命性的变化。 二十世纪8 0 年代，原联邦德因铁路的b r l 2 0 型交流传动电力机车的牵引力一 速度特性，既覆盖了当时原联邦德国最大的b r l 5 1 型六轴货运电力机车，也覆盖 2 匝庆大学硕士学位论文l 绪论 了最大的b r l 0 3 型高速客运电力机车。由于交流传动电力机车系统为铁路运输带 来了明显的经济效益，9 0 年代以来，各国铁路纷纷研究和定购交流传动电力机车。 继瑞士联邦铁路之后，德国铁路于1 9 9 4 年除订购1 8 7 列包括i c e 2 、i c e 3 在内的 高速列车组以外，还订购了三种系统共4 2 0 台干线电力机车，耗资6 8 亿德国马克。 还将按计划耗资5 3 亿马克订购1 4 0 列高速列车和5 0 0 台电力机车。新的b r l 0 1 型机车，其持续功率为6 4 0 0 k w ，最大功率为6 6 0 0 k w ，最高速度为2 2 0 k w h ，并 将以2 0 0 k m h 速度牵引6 0 0 t 的高速列车运行于欧洲和德国各大城市之间：b r l 4 5 型电力机车的持续功率为4 2 0 0 k w ，最高速度为1 4 0 k m h ，可用于牵引客车和货运 列车；而b r l 5 2 型机车的持续功率为6 4 0 0 k w ，最高速度为1 4 0 k m h 。总之，各国 正逐步投入大量的人力、物力和财力进行高性能的交流传动电力机车的研究和应 用。 1 2 2 国内电力牵引交流传动技术的发展 6 - 9 l 我国在电力牵引交流传动技术方面的研究工作，始于上世纪7 0 年代初，并且 异步电动机和同步电动机的方案都曾尝试过。同步电动机的调速，即所谓无换向 器直流电动机的研究主要集中在铁道部株洲电力机车研究所进行。国内其它一些 科研院所和大学也曾做过异步电机调速的试验研究工作。直到9 0 年代初，铁道部 株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制成功1 0 m w 的、由包括四象限 脉冲整流器和脉宽调制逆变器在内的电压型变流器供电的转差控制型的异步牵引 电动机系统，并在此基础上，试制了我国第一台4 0 m w 的4 轴a c 4 0 0 0 交流传动 货运电力机车。据报道，在不久的将来，我国铁路上将可能开始使用交流传动电 力机车和高速电动车组。 我国铁路交流传动技术的研究开展得比较早。早在1 9 7 2 年株洲电力机车研究 所就利用自身的优势，进行过电流源的1 0 k w 变频同步电动机的模拟系统的研究。 试验表明：电流源的变频同步电动机的电路比较简单，在l 3 电网频率以下，可 利用电源电压过零关断相应的晶闸管实现换相；而超过1 3 电网频率时利用反电 势实现换相。而后又在模拟试验的基础上进一步设计研制过1 0 0 0k w 电流源的变 频同步牵引电动机系统，轴功率试验达到4 5 0 k w 。但研究表明。同步牵引电动机 输出转矩脉动较大，不宜作牵引电动机用。因此，株洲所开始进行电压源的1 0k w 变频异步电动机的模拟系统的研究，并设计了1 台带有多个测量线圈的2 2k w 试 验电动机。利用该电动机作异步牵引电动机的牵引特性和制动特性的试验，从而 导入了异步牵引电动机早期设计理论的研究。 1 9 8 5 年铁道部科学研究院等兄弟院校完成了1 0 0 k w 等级的交直交系统的试验 研究。1 9 8 8 年株州电力机车研究所开始研制1 0 0 0 k w 交流传动系统，1 9 9 1 年完成 了j d l 0 3 异步牵引电动机1 0 2 5 k w 的综合试验，并装于我国首台a c 4 0 0 0 交流传动 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电力机车上。我国第一台大功率交流传动干线电力机车a c 4 0 0 0 的研制是我国“八 五”国家重点科技攻关项目之一，其研究内容包括系统方案的选取和设计等。总 之，牵引电动机的研究工作在我国起步不久，试验研究的条件正在逐步建立。异 步牵引电动机具有理想的恒功特性，其功率、转矩大而重量轻，特别适合机车的 要求。但是由于异步牵引电机的电磁设计在本质上有别于工频电机的设计，因此 异步牵引电动机的电磁设计及其稳念特性计算还有待进一步的深入研究。 1 2 3 计算机辅助设计在电机设计的研究现状 电机c a d 始于上世纪5 0 年代，至今五十余年1 6 】。在电磁殴计方面，期间经历 了从校核设计到综合设计，再到优化设计的发展过程。在国外，上世纪6 0 年代， 有些国家已经较普遍地在电机设计中采用计算机辅助设计；同时，随着优化数学 方法的发展，在电机c a d 中也开始了优化设计的尝试。从6 0 年代开始，人们利 用各种优化数学方法，如梯度法、随机搜索法及其它数学规划方法等，对异步电 机、同步电机等进行了优化设计，发表了许多这方面的文章，从而不断推动着电 机优化设计的发展。从7 0 年代开始，国外已经有不少优化设计程序应用于生产实 际。近十年来，随着自动描图仪，自动绘图机配合计算机的自动设计，已使整个 电机设计进入了完全自动化的新时代 1 “” 。 在国内，从上世纪6 0 年代末，个别单位开始编写了校核程序。1 9 7 3 年，浙江 大学为杭州发电设备厂编写了初级综合设计程序。1 9 7 6 年，上海电器科学研究所 与复旦大学数学系共同开发了具有循环计算功能的综合设计程序。此后，电机c a d 设计逐步向优化设计方面发展。清华大学、浙江大学、上海电器科学研究所等相 继展开了计算机辅助电机优化设计方面的研究，并取得了一定的成果。但是，多 数工厂仍采用校核设计程序，依靠人工修改输入参数和凭经验选择较优方案叫 1 ”。 而优化设计程序还只是在一些高等院校和研究单位使用。这与其它技术先进国家 相比还有不少差距。新世纪，我国已经加入w t o ，我国的电机制造企业面临着与 世界上技术发达国家企业的竞争，这些企业急需用现代计算机信息技术来改造传 统产业，因此开发具有现代电机设计制造功能的软件尤为迫切。 1 3 异步牵引电动机的发展概述 由于异步电动机的结构最为简单、牢固，工作可靠，制造成本低廉，单位功 率( 力矩) 的熏量最轻，维修最简便，所以在将它用作铁路机车车辆的牵引电动 机的问题上，最先引起人们的极大注意，对它进行了一个世纪的试验研究。 早在上世纪末和本世纪初，意大利铁路部门最先建造了1 2 0 0 公罩的三相交流 电气化铁路，使用了三相异步电动机作为牵引电动机。此后西班牙、法国、瑞士、 德国相继采用过，但由于这种系统接触网和受流器的结构过于复杂，且电动机的 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 调速性能不能满足牵引要求，致使这些铁路后来都被直流牵引系统所代替。 1 9 3 2 年匈牙利首先创造了三相5 0 赫兹电气化铁路，并制造了为数不少的采 用绕线式异步电动机的电力机车。1 9 5 0 年法国开始大量发展单相项5 0 赫兹电气化 铁路，试制并采用了使用旋转变流机组的连续变频调速的单一三相电力机车，牵 引电动机采用为三相鼠笼式异步电动机。但由于旋转变流器的笨重及效率低成本 高等一系列原因而末得到推广。 近十多年来，由于电子技术尤其是大功率晶闸管变流技术的迅速发展，研制 出了体积小、重量轻、功率大、效率高的静止变流装置，才为三相交流电动机大 范围的平滑速度调节开辟了新的技术途径，使三相交流电动机在铁路牵引中的应 用得到关键性的突破，从而得到极为迅速的发展。 三相异步电动机有着显著优越的技术经济指标，其持续功率大而体积小、重 量轻；结构简单、牢固，维修工作量小；有良好的牵引性能，这些优点为三相交 流电动机的发展开辟了极为广阔的前途。 自从b r l 2 0 型交流传动机车研制成功以后，三相交流传动电力机车的使用价 值和经济效益很快被世人所认可，由于异步机在特性和结构上的特点5 】【”，使得交 流传动电力机车具备许多极其优良的性能。 1 优异的运行性能 电力机车的运输能力主要取决于它能够产生的起动牵引力、持续功率和最高 速度下的剩余加速力。试验和运行结果表明，交流传动电力机车经优化控制之后， 在干燥轨面上的粘着系数大于0 4 。由于采用异步牵引电动机，一台重量2 2 2 4 t 的电动机可提供的最大持续功率超过1 7 0 0k w 。迄今生产的4 轴交流传动电力机 车的持续功率，不少都在5 4 0 0k w 以上，远大于任何一类的传统电力机车。另外， 交流传动电力机车可以通过改变异步电动机转差，方便地实现从电动机工况转换 到发电机工况，实现再生制动。 2 显著的节能效果 使用三相交流传动电力机车，可以明显地降低电能的消耗。出于成功地应用 了四象脉冲整流器，使得机车在1 4 额定功率以上时的功率因数接近于1 。测试表 明，牵引相同吨位的列车，使用交流传动电力机车时接触网的电流要比使用传统 的电力机车时低2 0 左右。因此，地区供电网中的电流也相应减少，并使损耗减 少5 。 3 解决了对信号和通信设备的干扰 大功率可控变流装置在调节过程中将产生不同频率的高次谐波，从而对毗邻 接触网的信号和通信系统造成干扰。现代交流传动电力机车，几乎全部采用脉冲 整流器或脉宽调制的技术，不仅改善了接触网的功率因数，而且也从根本上保证 重庆大学硕十学位论文1 绪论 了流过接触网的电流波形不会发生明显畸变，消除了信号和通信系统的干扰源。 德国铁路使用b r l 2 0 电力机车时，接触网上测得的1 0 0 h z 电流分量小于2 a ，等 效噪声干扰电流不大于1 5 a 。 4 减少磨耗，降低运营成本 由于采用异步牵引电动机，因此没有电刷和换向器，也就不需要更换电刷和 修整换向器表面这一类工作。其次，有触点的转换电器也可大大减少。另外，采 用再生制动，可一直持续到制停为止，减少了制动闸瓦的消耗量。 5 良好的可靠性与维修性 由于异步电动机结构简单，同时减少磨耗件的种类和数量，提高了无故障运 行的公里数，而且也缩短了检修时间，减少了维修费用。经验表明，在相同的运 用。条件下，交流传动电力机车的维修费用仅为相控电力机车的1 3 ，每年的运营费 用仅为相控电力机车的7 0 左右。 总之，交流牵引电动机系统本身具有可靠性高、有效粘着利用系数增加、可 以在整个速度范围内持续施加牵引力、扩大了动力制动速度范围等优点，使得它 的研究和应用越来越受到全世界的关注。 1 4 交流调速系统中常用的逆变器类型及控制方式 1 4 1 逆变器 2 1 交流电动机进行变频调速，自然需要一个能够变频和调压的电力变换装置。电 力变换装置的电路结构有许多种类，根据能量变换的形式不同，电力变换装置可 以分为直接变化装置和间接变换装置。直接变换装置通常称为直接变频，交交变 频器，它可以直接把频率较高的交流电变换为频率较低的交流电。在电路结构上， 它由接到同一交流电源上的若干个相控整流器所组成。按照一定的规律控制各项 控制整流器的控制角，使整流器工作在整流或者有源逆变状态，在变频器的输出 端可以得到由多相整流波的包络线所组成较低频率的交流电。间接变换装置是先 把电压频率的交流电整流为直流电，经过中间直流环节后，再逆变( 无源逆变) 为频率可调的交流电。中间直流电路两侧的变流器( 整流和逆变器) 必须在互不 干扰的情况下工作，故中间直流电路要有大电容或大电感作为储能元件。 交交变频的优点是直接变换，效率高，可以四象限运行，由于自然换流，易制 成可靠性高的大容量变换装置1 3 j 。缺点是输出频率不宜超过电源频率的1 2 一l 3 ， 否则输出的电压和电流的畸变增大。晶闸管数量多，控制线路复杂，输入功率因 数低。因此：i ：频电源供电时，交交变频器只适用于低速、大容量系统。交直交变 频器是目前中小型异步电动机交频调速电源的主要形式。电压型逆变器由于内阻 抗低、输出电压比较稳定、带动多个负载并联时负载间相互影响小，所以它适宜 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 于多机协同调速，不要求再生制动状态时，由于直流电压可以改变，故无需电流 反向可实现再生制动，适宜于要求四象限运行场合，此外，电流冲击小，对于过 载能力较小的半导体器件尤为适合。 在中间整流环节正负两端并联大电容作为储能元件，能大大降低电源的阻抗， 从而可以看成一个电压源。通常称为这种的逆变器为电压型逆变器【3 】。在中间整流 环节正负两端并联大电抗器作为储能元件，能大大增加电源的阻抗，从而可以看 成一个电流源，通常称为这种的逆变器为电流型逆变器。根据中间直流电路的电 压或电流是否可调，又可以分为中间真流电压可调和恒定的电压型逆变器和电流 型逆变器。 近年来随着自关断半导体器件g t r 和g t o 的发展，在小功率异步电动机的 变频调速中，脉宽调制型( 尸胁，型) 逆变器占统治地位。脉宽调制型逆变器将调 压和调频的功能集一身，简化整流装置，改善系统的功率因数，通过采用适当的 调节方式可以使逆变器输出的电压中谐波分量，特别是低频谐波分量显著减少， 从而使异步电动机的性能指标得到改善。 1 4 2 交流调速中常用的控制方式 对于牵引电动机传动系统，要求在负载或供电电压波动时具有快速响应的动 态性能和保持精确的稳态运行能力，因此必须采用反馈闭环控制1 5 】 ”。 ( 1 ) 电压频率比控制 电压频率比控制是控制定子电压和定子频率，使定子电压以一定的函数关系 跟定子频率的变换，从而在调频调压的过程中近似地保持电机气隙磁通不变的一 种控制方式。电压频率比控制时，被控量是逆变器输出的电压和频率。因此，适 应于由一台逆变器给多台并联的异步电动机供电，但由于低频区起动转矩明显降 低，恒电压频率比不适应于要求低速下有大的起动转矩的负载。当要求有大的起 动转矩时，可以采取适当提高低频区的电压频率比值。 f 2 ) 转差控制 转差控制是通过直接或间接控制气隙磁通恒定，再控制转子转差频率以得到 所需要的转矩特性的一种控制方法。转差控制是频率的闭环控制，即使在很低的 定子频率时也能保证气隙磁通恒定，从而使电机的铁磁材料得到充分利用，而且 通过控制转差频率可以使异步电动机获得象他励直流电动机那样的硬机械特性或 串励直流机那样软机械特性。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制足模拟直流电动机的控制特点对交流电动机进行控制。通过电机统 一理论和坐标变换原理，把交流电动机的定子三相电流等效变换为一个磁场电流 分量和与这相垂直的转子电流分量。先根据每极气隙磁通确定电流，由每极的磁 重庆大学硕十学位论文1 绪论 通和所需的转矩确定矗，再由，m ，( 一 ) 得到定子三相电流瞬时值，以此作为定予 三相电流的给定值进行控制。，m ，( 一m 可以单独进行调节，调节k ，( 一功也就是 调节三相电流定子的值。这就使异步电动机的控制具有直流电动机同样的灵活性， 并且是瞬时值控制，所以有很好的动态控制性能。 1 5 本文研究的目的和意义 我国目前已建成1 3 万公里电气化铁路，由于城市的现代化加快，经济的飞速 发展，迫切需要提供快捷、方便的铁路交通。根据铁道部制定的“十五”规划，“十 五”期间将利用新技术改造传统产业，加快铁路电气化改造和建设，这是我国铁 路发展的重点之一。“十五”期间我国将建设8 千公里的电气化铁路，预计到2 0 0 5 年，我国电气化铁路将达到2 万公里，名列世界前茅。 电力机车交流传动的核心是异步牵引电动机的开发和应用，现有技术文献对 逆变器供电的满足机车特性的牵引电动机稳态特性研究不多。因此该课题的研究 将对发展牵引电动机制造、应用提供理论指导。现阶段，我国的大中型城市，经 济发展较快的地区，人流物流的运输正成为经济发展的瓶颈。城市轨道工程( 轻 轨和地铁) 能缓解现有交通拥挤的矛盾以及有利于环境保护，被视为理想的交通 工具，政府鼓励大力发展。牵引机车制造企业正面临着广大的用户，有着广阔的 市场空间。出于市场战略需要，发展牵引电动机技术正成为牵引机车制造企业当 前的首要任务。牵引电动机是电力机车交流传动技术的核心，研究逆变器供电的 三相异步电动机的电磁设计和特性仿真，给制造企业提供电磁设计和稳态仿真参 数，对牵引电动机设计进行充分论证，避免盲目设计和制造带来的不必要的损失， 节约成本。更重要的是能有效缩短电动机设计和试制周期，加快技术向生产力转 换。因此，该项目将有效改善电力机车制造企业的电机辅助设计( c a d ) 和电机 辅助制造( c a m ) 技术，这将加快发展我国的电力机车交流传动技术，提升生产 企业产品的竞争力，增强企业的经济实力。中国南车集团成都机车车辆厂是生产 牵引电动机的企业，为了适应铁路电气化的发展，企业迫切需要开发新型交流牵 引电动机。 1 6 本文的主要工作 本文结合中国南车集团成都机车厂异步牵引电动机研制的实际课题，着重就 异步牵引电动机的电磁设计和稳态仿真进行了深入研究，从事的主要工作有： 1 分析研究异步牵引电动机逆变器供电下电磁设计特点。 2 逆变器供电时异步牵引电动机的谐波问题，损耗和效率的分析计算。 3 根据机车牵引特性，以转差频率控制方式进行，对异步牵引电动机稳态特 性进行仿真，主要分析输出功率、输出转矩( 牵引力) 、电压、效率、转羞频率、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 功率因数、电源频率与电机转速的关系曲线。 4 利用v b 6 0 语言开发异步牵引电动机电磁设计和稳态特性仿真c a d 系统。 5 以样机设计为依据，进行校核、分析、验证异步牵引电动机设计的正确性。 9 重庆大学硕士学位论文2 异步电动机变频调速基本工作原理 2 异步电动机变频调速基本工作原理 2 1 引言 近年来交流变频调速系统发展很快，已成为调速系统的主要研究和发展对象 【4 1 。因此分析研究异步电动机在电源频率( 基波) 改变的情况下，电动机的运行 方式及特性成为一项重要的工作。我们知道，工频电网上直接运行的交流电动机， 额定工况下具有不变的特性。但在交流变频调速系统下运行的电动机，根据不同 的调速方式，电动机表现出各种不同的性能，由于采用不同的控制方式，电动机 也将具有许多不同的运行特性。本章分析异步电动机变频调速的基本工作原理， 给出了异步牵引电动机变频调速时电路参数的变化关系和转矩公式，对异步牵引 电动机变频运行的方式及特性进行了分析。另外，本章还对电力机车的负载特性 和转差频率控制的异步牵引电动机调节特性进行了阐述。 2 2 异步电动机变频调速的基本原理 2 ，2 1 异步电动机的调速问题 作为机车的牵引电动机，其机械特性必须符合机车的理想牵引特性。但异步 牵引电动机的机械特性是一条硬特性，与理想特性相差甚远。从电机原理可知， 电机转速等于同步转速n l 时，电磁转矩，为零。当转差率很小时，随着负载力矩 的增加，电动机转速相对于同步转速逐渐下降，而转矩随着速度的减少近似直线 上升，沿着特性曲线直到临界转矩点。若电机负荷超过临界转矩，电机将工作于 不稳定状态，则电机的转速急剧下降直至停转【9 】。 由此，如果异步电动机有多条( 在不同的电压下) 机械特性曲线，这在任何 速度下都会有一条特性睦线与机车牵引特性曲线相交，这时可以得到一系列的稳 定工作点，从而满足机车牵引的要求。由于在一定供电电压和频率下，异步电动 机只能有一条特性曲线，要得到多条不同的特性曲线，必须改变定子的电压和频 率。 从异步电动机的转速公式可以看出 n ：( 1 - s ) 啊：( 卜s ) 盟 ( 2 1 ) p 式中 一电动机实际转速( 转分) ；n 一电动机的同步转速( 转分) ； 。：型一转差率；：一供电频率圳；p 一极对数。 n 异步电动机的调速方法可分为改变转差调速，改变极对数调速及改变供电频 1 0 重庆人学硕士学位论文 2 异步电动机变频调速基本工作原理 率调速三类 2 】 6 】： ( 1 ) 改变极对数p 调速 改变异步电动机极对数p 是改变定子绕组接触来实现的。在其它条件不变的 情况下，极对数增加一倍，同步转速则降低一半，随之电动机的转速也大约降低 一半。用这种方法调速，最多时也只能是3 、4 级，调速范围很难扩大，因而不适 应机车平滑、宽广的调速要求。 ( 2 ) 改变转差率s 调速 改变转差率s 的方法可以通过调节定子电压、转子电阻和转差电压等方法来 实现。但是改变转差的方法在调速过程中不能改变异步电动机的同步转速，因而 调速范围也很有限。同时在低速时因转差率大，转差损耗大，效率很低，因而改 变转差率调速方法很难适应机车牵引中广范调速的要求。 ( 3 ) 改变供电频率 调速 改变供电频率，i 调速方法与以上两种方法有着本质的不同，它是通过改变定 子供电频率来改变同步转速以达到调速的目的，在调速过程中不管是高速或低速 时都保持着有限的转差率，因而具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点。 可以认为变频调速是交流电动机的一种比较理想的调速方法。 2 2 2 异步电动机变频调速 异步电动机变频调速，为了使励磁电流和功率因数基本保持不变，则希望磁 通也保持不变。在忽略定子漏阻抗的情况下，由电动机定子电路的电势方程式 u 。= e 。= 4 4 4 f , n 1 k ，。可知，为使 变化时保持不变，则“石必须为定值， 即电源电压必须与电源频率成正比变化“j 。 对于恒转矩调速，如果变频装置能够保证巩随 成正比变化，则可保证在频 率变化过程中电机具有同样的的过载能力。现分析如下： 电动机最大转矩为 州rr2 乙= ! 竺1 可( 2 2 ) 2 q o i t , + ( 2 + ( x l + z 2 ) 2 ) 7 2 式中：u i 为电动机定子相电压( v ) ；q 。= 三等；x 。+ x i = 2 顽( 上1 + 厶) ，考 虑到五相对较高时x + x ： , - 1 ，而略去，可得： 乙= c 第 ( 2 z ) 式中c = 赢为常数。由于乙= 协她= 筹。当频率由工变“ 重庆大学硕士学位论文2 异步电动机变频调速基本工作原理 时，则频率变化前后的额定转矩之比：i t - u 耳1 2 万f l ( 乏) ；。为使频率变化前后 r【，?f 2 、r 。 电动机具有同样的过载能力，即五。= t ，则定子电压应根据下列调节规律相应调 节：筹= 鲁( 争；。对于恒转矩调速，即= 疋，为此堑u l = 鲁或表示为 鲁= 万f l = 定值。由此可见，在恒转矩变频调速时，如能使【，：= 号，则可保证 调速过程中电动机的过载能力不变，另外，我们注意到当相对较小时，由于 x ，十工：较小， 的影响即不能忽略，此时会使乙的数值大为降低。为了保持电 动机在低速时有足够大的l ，可以在低速时u ，比_ 降低的比例, b - - 些，使u 4 的比值随z 的降低而合理增加。 在恒功率调速时，定子电压的增加是有一定限度的，到了电机的额定电压以 后，电压只能保持恒定，以后的转速增加只能是频率增加，也就是说在基本转速 以上，随着频率的增加，气隙磁通将下降，则电动机的转矩将下降 1 0 1 。 从以上分析的恒转矩调速和恒功率调速可以看到，变频调速具有优异的性能。 调速范围大，当频率变化时，可获得平滑性很高的速度调节，这是交流中最有发 展甙f 途的一种方法。 2 3 异步电动机变频调速时的基本参数和转矩公式 5 7 】 8 】 当电源频率发生变化时，等值电路( 图2 1 ) 中的某些参数也将发生变化。下 面分析6 个基本参数的变化规律。 图2 1t 型等值电路 f i g 2 1t - t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i t 1 2 重庆人学硕士学位论文2 异步电动机变频调速基本工作原理 1 励磁电抗x 。和励磁电阻r 。 等值电路中励磁支路的电抗x 。可表示为x 。= 2 顽m ，m 为互感系数，考虑 磁路不饱和时m 为常数，这使x ，仅与电源频率工成正比，即 x m = x m n 牟= a f x 。 ，。一额定频率；。时的互感电抗，口，= 砉一频率调节系数 ( 2 3 ) 励磁电流，。= p e ，民= p 么，乞= “雩么 ( 2 - 4 ) 对于一定频率工时的电机铁耗可以近似表示为 一c 和妒 ( 2 5 ) 一铁耗常数。下标l 的数值均表示额定频率 。时的量值。把 式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) 得到 ， 尺。= r m n ( 争) 1 5 d 1 n 一频率为z 。时励磁支路的有效电阻。 2 定子每相漏电抗x ，和有效电阻r 。 等值电路中定子每相漏电抗和有效电阻可以分别表示为 墨= 2 顽三，= 2 顽w 厶瓦f l = x 鹏 r 1 = r l ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) x 。一额定频率：。时的互感电抗，r 。一额定频率z 。时的每相有效电阻。 定子每相有效电阻r 和转子绕组归算到定子边的每相有效电阻r ：，在频率变 化时由于挤流效应电阻值会有所变化。总趋势是随着i 的上升，电阻值有所增加， 随着厂：的减少，电阻值有所减少。但在正弦电源下，由于不存在谐波电流，