牵引变流器变流器工作原理

1、牵引变流器变流器工作原理1,概述交流异步电动机的同步转速与电源频率的关系：6Q/il-s/p变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性,通过改变电动机的供电频率进行调速的方法.利用半导体功率开关器件如IGBT等变频装置构成变频电源对异步电动机进行调速.同步转速随电源频率线性地变化,改变频率时的机械特性是一组平行的曲线,类似于直流电机电枢调压调速特性.因此,从性能上来讲,变频调速是交流电机最理想的调速方法.异步电机电压U与磁通的关系：u嗝=444/1飙中有式知,假设11不变,Ji与成反比,如果Ji下降,那么增加,使磁路过饱和,励磁电流迅速上升,导致铁损增加,电机发热及效率下降,功率

2、因数降低.如果上升,那么中减小,电磁转矩也就跟着减小,电机负载水平下降.由此可见,在调节的同时,还要协调地限制用,即给电机提供变压变频电源,才可以获得较好的调速性能.由变压变频装置给笼型异步电机供电所组成的调速系统叫做变压变频调速系统,它可以分为转速开环包压频比限制、转速闭环转差频率限制系统,可以满足一般要求的交流调速系统.假设调速系统对调速系统静、动态性能要求不高的场合,比方风机、水泵等节能调速系统,可以采用转速开环包压频比带低频电压补偿的限制方案,其限制系统结构简单,本钱也比拟低.假设要提升静、动态性能,可以采用转速反应的闭环限制系统.假设调速系统对静、动态性能的要求很高,那么需要采用模拟

3、直流电机限制的矢量限制系统.矢量限制系统是高动态性能的交流调速限制系统,但是需要进行大量复杂的坐标变换运算,而且限制对象参数的变化将直接影响限制精度.直接转矩限制系统是近十几年来继矢量限制系统之后开展起来的另一种高动态性能的交流调速系统.它避开了矢量限制的旋转坐标变换,而是直接进行转矩“砰一砰限制.地铁列车和电动车组的调速系统,对静、动态性能的要求很高,采用矢量限制系统或直接转矩限制系统.地铁列车的牵引系统为直-交变频器,电动车组的牵引系统为交-直-交变频器.随着电力半导体器件的开展,变频器的开展也经历了几个阶段.电力电子器件的可控性、模块化、限制手段的全数字化,利用了微机的强大信息处理水平,

4、使软件功能不断强化,变频器的灵活性和适用性不断增强.随着网络时代的到来,变频器的网络功能和通信不断增强,它不仅可以与设备网的现场总线直接相连,还可以与信息交换实时数据.2,牵引变流器工作原理牵引变流器将直流电变成电压和频率可变的交流电,并采用采用正弦脉宽调制(SPWM方法,使输出波形近似正弦波,用于驱动异步电机,实现无级调速.2.1, 电压型PWM频器主电路的原理图图1电压型PWM2频器主电路的原理图2.2, 变频器的调制方式正弦波脉宽调制(SPWM.2.2.1 ,开关器件的门极驱动信号的产生由三角波载频信号uc与三相正弦波参考信号ur相比拟的方法产生.如图2所TOM0图2开关器件的门极驱动信

5、号2.2.2 ,开关器件IGBT的开关状态Vl截止,V2导通;V3截止,V4导通;V5截止,V?导通.当a为正时,Vl导通,V2截止；Ug为负时,当Vg为正时,V3导通,V4截止；Vg为负时,当W为正时,V5导通,*截止；W为负时,VlV6共有8种开关状态.其中：6种是工作状态,特点是三相负载接在不同电位上；2种是0开关状态,特点是三相负载接在相同电位上,同时接电源正极,或同时接电源负极.6种是工作状态为: Vl、V3、V?导通,VM Vi、V4、V5导通,VM V2、V3、V5导通,Vi、V V2、V4、V5导通,Vi、V V2、V3、V6导通,Vl、V Vi、V4、V6导通,VMV 5截止

6、,A、B接电源正极,C接电源负极;V 6截止,AC接电源正极,B接电源负极;V 6截止,BC接电源正极,A接电源负极;V 6截止,AB接电源负极,C接电源极正;V 5截止,AC接电源负极,B接电源极正;V 5截止,BC接电源负极,A接电源极正.2种是0开关状态为：Vi、V、V5导通,V、V4、V6截止,A、B、C都与电源正极接通;Vi、V、V截止,V、V4、花导通,A、B、C都与电源负极接通.2.2.3 ,ABC三点的电位波形以直流电源负极0V线为参考电位当&为正时,Vi导通,当Vs为正时,V3导通,当W为正时,V5导通,V2截止,LA为正；4为负时,V4截止,UB为正；Vg为负时,花截止,U

7、C为正；W为负时,Vi截止,V2导通,Ua为0;V3截止,M导通,Ub为0;V5截止,V6导通,UC为0.A、B、C三点电位的波形如图3所示图3A、B、C三点电位的波形2.2.4 ,正弦波脉宽调制(SPWM的特点这种调制方式的特点是：输出的PW嘛冲波形等幅、变宽,脉冲宽度变化呈正弦分布,各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例.因此,其调制波形接近于正弦波,谐波分量减少.当改变参考信号ur的幅值时,脉宽随之改变,从而改变了主回路输出电压的大小.当改变ur的频率时,输出电压频率即随之改变.2.2.5 ,载波比载波与基准波的频率比定义为载波比N,N=fc/fr1,它决定一个周期内电压的脉冲个数.根据载

8、波比不同的处理方式,变频器有同步调制、异步调制和分段调制三种(1)同步调制在变频调速时,载波频率与基准波频率同步变化,即载波比N为常数,因此,在逆变器输出电压的一个周期内调制脉冲数是固定的.假设取N等于三的倍数,那么同步调制能保证逆变器输出的正、负半波对称,也能保证三相平衡.但是,当输出频率很低时,相邻两脉冲的间距增大,谐波分量增加.这会使电机产生较大的转矩脉动和噪声,低速时运转不平稳.(2)异步调制在变频器的变频范围内,载波比N不等于常数.在改变基准波频率时保持载波频率不变,因此提升了低频时的载波比,这样变频器输出电压在一个周期内的脉冲个数可随输出频率的降低而增加,相应地可以减少电机的转矩脉

9、动,改善低速性能.但是,随着载波比的变化,很难保证三相输出间的对称关系,也会影响电机的平稳运行.(3)分段同步调制将同步调制和异步调制结合起来,相互取长补短,形成分段同步调制.把变频器的整个变频范围划分成假设干个频段,在每个频段内固定载波比.在不同的频段,N的取值不同,频率越低N越大.用同步调制保证输出波形对称,用分段调制可以改善低速性能,这就是这种方法的优点,也是它广泛采用的原因.2.3,变频器的限制方式2.3.1 电压频率协调限制如果变频调速过程中,磁通过大,会使铁心饱和,励磁电流过大会使绕组过热,严重时会烧坏电机；磁通过小时,电机出力缺乏,输出转矩小,电机的铁心不能充分利用,造成浪费.所

10、以,变频调速时还要同时改变定子电压,以保证电机调速时保持每极磁通量为额定值.由关系式抬周二44v网中可知,为了保持恒定,改变频率工时,就要相应地改变定子感应电势4,使%/工二常数根据上式确定的限制方法称为恒定电势频率比的限制方式.然而,绕组中的感应电势一般是难以直接测量和限制的.为了便于实现,我们通常采取近似的方法：当电势较高的时候,忽略定子绕组中的电阻压降和漏抗压降,用定子电压代替定子电势,使q/片二常数这就是恒定压频比的限制方式.不管是恒定电势频率比还是恒定电压频率比都只能在基频以下运行.如果要在基频以上调速运行,频率可以大于额定频率为,但是电压小却不能大于额定电压%,只能保持?i=如果/

11、继续增大,这将使磁通与频率成反比地下降.如图4所示.图4恒压频比限制特性如果电动机在不同转速下都有额定电流,那么电机能在温升容许的情况下长期运行,这时转矩根本上随磁通变化.在基频以下属于恒转矩调速的性质,在基频以上属于恒功率调速的性质.高频高压时,定子电压远大于定子阻抗压降,定子阻抗压降可忽略不计,U0Ei；但低频低压时,定子阻抗压降已经不能忽略,UwEi,此时的压频比恒定已经不能保证磁通恒定.因此,低速时时引起电势和磁通的明显降低,将发生严重励磁缺乏和转矩减少的问题.为了改善低速时机械特性,需要对电压给定进行补偿,即在低速时抬高压频比值,两种典型的改善压频比特性如图5中的曲线2和曲线3所示.

12、在非线性特性中,1与Q在高频时是成正比的,但是随着频率趋于零,电压逐渐被提升.在偏置特性中,电压补偿量与频率比分量共同决定定子电压,故:%=好+的式中：分信根据不同负载的需要进行调整2.3.2 转差频率限制从异步电动机的转矩方程式和稳态电路图可以看到,当S很小时,片很小,般为町的2%5%,可得近似的转矩与转差角频率的关系式：2%r2上式说明：在S很小的范围内,只要能够维持气隙磁通不变,异步电动机的转矩近似地与转差角频率成正比.也就是说在异步电动机中限制电,能够到达间接限制转矩的作用.限制转差频率就代表了限制转矩,这就是转差率限制地根本概念.“保持磁通恒定是基于稳态等效电路和稳态转矩公式而得到的

13、结论.在动态过程中,磁通不可能保持恒定.加之在实际中,磁饱和和温度变化等引起的电机参数的变化都将导致气隙磁通的变化,使驱动性能降低,这是稳态的函数关系所不能自适应解决的稳态,所以转差率限制的精度保证是困难的.转差频率限制的根本要点之一是保持磁通恒定,为此需要对定子电流进行调节.这种策略增强了对磁场的限制,有利于系统响应的快速和稳定性.但是对定子电流进行调节的规律是在稳态的情况下得到的,在动态过程中,一般说,并不能依此来保证磁通恒定.另外,转差频率限制仍然没有对电流的相位进行限制,这也会影响它对转矩的限制水平.同包压频比限制一样,转差频率限制所依赖的规律-不管是转矩与转差的关系,还是保持恒磁通时

14、,定子电流与转差的关系,都是在稳态条件下得出的,不能反映动态特性,因而仍然不能保证最优的动态性能.2.3.3 矢量限制的变频调速系统异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合、多变量的系统,通过坐标变换,可以使之降阶并解耦,但是并没有改变其非线性、多变量的本质.在标量限制中,动态性能不够理想,调节器的参数很难设计,究其原因在于仍采用单变量系统的限制思想,而没有从根本上解决非线性、多变量的特殊问题.矢量限制,又称磁场定向限制.从原理上说,矢量限制方式的特征是：它把交流电动机解析成直流电动机一样的转矩发生机构,根据磁场与其正交电流的积就是转矩这一根本的原理,从理论上将电动机的一次电流别离成建立磁

15、场的励磁分量和磁场正交的产生转矩的转矩分量,然后进行限制.其限制思想就是从根本上改造交流电动机,改变其产生转矩的规律,设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机限制转矩的规律.矢量变换限制的根本思路,是以产生同样的旋转磁场为准那么,建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关由电动机结构及旋转磁场的根本原理可知,三相固定的对称绕组A、B、C,通过三相正弦平衡交流电流ia、ib、ic时,即产生转速为叫的旋转磁场,如图5(a)所示.(a)(b)(c)图5等效旋转磁场下的不同绕组实际上,产生旋转磁场不一定非要三相不可,除单相以外,二相、四相,.等任意的多相对称绕

16、组,通过多相平衡电流,都能产生旋转磁场.图5(b)所示是两相固定绕组.和八通以两相平衡交流电流L和(相位相差90)时所产生的旋转磁场,当旋转磁场的大小和转速都相同时,图5(a)和5(b)中所示的两套绕组等效.图5(c)中有两个匝数相等相互垂直的绕组M和T,分别通以直流电流和卬产生位置固定的磁通.如果使两个绕组同时以同步转速旋转,磁通自然随着旋转起来.这样也可以认为和图5(a)所示的绕组是等效的.可以想象,当观察者站到铁心上和绕组一起旋转时,在他看来是两个通以直流的相互垂直的固定绕组.如果取磁通叱的位置和M绕组的平面正交,就和等效的直流电动机绕组没有什么差异了.其中M绕组相当于励磁绕组,T绕组相

17、当于电枢绕组.由此可见,将异步电动机模拟成直流电动机进行限制,就是将A、B、C静止坐标系表示的异步电动机矢量变换到按转子磁通方向为磁场定向并以同步速度旋转的M-T直角坐标系上,即进行矢量的坐标变换.可以证实,在M-T直角坐标系上,异步电动机的数学模型和直流电动机的数学模型是极为相似的.因此,我们可以像限制直流电动机一样去限制异步电动机,以获得优越的调速性能.矢量限制从原理上说可以得到与直流电动机相同的限制性能,但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数.转差频率的运算中所采用的转子电阻值J随电动机的温度而变化,在转矩限制精度上将产生问题.因此,设置转差补偿运算器,由电动机的定子电压、定子电流等检出转差频率的误差,自动地补偿转差频率,以求提升转矩限制的精度.2.3.4 直接转矩限制的变频调速系统直接转矩限制方法是继矢量限制技术之后开展起来的一种新型交流变频调速技术.尽管矢量限制在原理上优于标量限制,但是在实际上,由于转子磁链难以观测,系统性能受到电机参数的影响较大,以及复杂的矢量变换,都使它的实际限制效果难于到达理论分析的结果.直接转矩限制正是弥补了矢量限制的缺乏,它防止了复杂的坐标变换,减少了对电机参数的依赖性,以其新奇的限制思想、简