城轨车辆电气系统课件：牵引电机转速控制

城轨车辆电气控制牵引电机转速控制

目录城轨列车牵引电机一.城轨列车牵引特性二.交流电机转速控制三.

城市轨道交通列车目前应用的牵引电机主要有交流牵引电机（三相异步电动机、永磁同步电动机和直线电机）和直流牵引电机（永磁无刷直流电机）两大类型，其中目前广泛采用的是交流牵引电机。（一）三相交流异步牵引电机三相鼠笼式异步牵引电机因其结构简单、维修方便、体积小、重量轻、功率大而广泛应用于轨道交通车辆的牵引。城轨列车牵引电机一1、结构组成定子+转子城轨列车牵引电机一2、安装方式-----架悬式安装城轨列车牵引电机一（二）永磁同步电机永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机，随着高能的永磁体的发展，永磁电机目前已得到广泛应用。1、结构组成与三相异步电动机一样，也是由定子和转子组成，不同的是其转子结构采用了永磁体。城轨列车牵引电机一（1）转子----将永磁体内埋在铁芯中城轨列车牵引电机一（2）定子绕组----和异步电机相同城轨列车牵引电机一（三）交流电机工作原理

机械负载旋转起来定子对称三相绕组通入对称三相电流定子旋转磁场（磁场能量）

转子磁场相互作用

转子旋转起来

三相交流电能电磁转矩城轨列车牵引电机一结论：定子旋转磁场带动转子旋转。

1、列车牵引特性

当列车在某一定值的功率下运行时，随着运行速度的变化，其轮周牵引力F也作相应变化，即F=f（v）。这种牵引力随列车速度变化而变化的规律，称为列车的牵引特性。（1）理想牵引特性

城轨列车牵引特性二

无论是哪一种列车，它的最大功率是一定的，称为额定功率PN，即PN=F×v。由公式可见，当列车功率PN为定值时牵引力F与速度v成反比，把F与v的这种关系表示在坐标上是一条双曲线，称列车的理想牵引特性曲线。（2）实际的列车理想牵引特性在实际的应用中，受各种特定因素的影响，其曲线如下（1）恒牵引力（转矩）区：T=C，v=0vN。（2）恒功率区：T=C，v=vNvmax

。城轨列车牵引特性二2、三相异步电动机的固有机械特性

三相异步电动机的固有机械特性指在电源电压U1、电源频率f1及电动机参数固定并按照规定的方式接线的条件下，其电磁转矩T与转子转速n之间的关系。根据电机机械特性可知：电机的T、n与U1、f1、电动机参数、接线方式有关。城轨列车牵引特性二3、列车牵引特性与牵引电机特性之间的关系

由于列车是由牵引电机驱动的，列车速度v与电机转速n相关，牵引力F与电机电磁转矩T相关，因此只要控制电机的n、T变化以适应列车列车的牵引特性F=f（v）的变化规律，就可以用牵引电机的机械特性T=f（n）表示和“替代”列车的牵引特性。城轨列车牵引特性二（一）调速概述1、调速的概念人为的改变电动机的转速，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，称为调速。2、调速的方法

根据交流电动机的工作原理可知，交流电动机能够旋转是因为其定子中形成的旋转磁场与定子磁场相互作用的结果，简单来说就是定子旋转磁场带动转子旋转。因此只要改变旋转磁场的转速（同步转速）就可以改变转子转速。交流电机转速控制三结论：要改变电机转子转速n,只需要改变定子旋转磁场转速n1即可。

交流电机转速控制三

3、变频调速改变电源频率f1无级调速此种调速方法发展很快，且调速性能较好。优点是无级变速，变速范围大，且具有较硬的机械特性。非常适合用于列车牵引。缺点是需配备专门的变频电源，调速系统较为复杂，设备投资较高。变频电源

可变频率调节范围：0.5~几百赫兹交流电机转速控制三（二）异步电机变频调速的特性控制在进行变频调速时，电动机的稳定工作点偏离固有特性，如何在调速过程控制其机械特性的（转速n和转矩T的关系）变化以适合列车的牵引特性是变频调速控制的关键。交流电机转速控制三

交流电机转速控制三

交流电机转速控制三

如果把转速调低时U1=UIN保持不变，在减小f1时磁通Φ则将增加。这就会使磁路饱和（电动机磁通一般设计在接近铁心磁饱和点），从而增加励磁电流和铁损，导致电机过热，这是不允许的。交流电机转速控制三恒转矩调速时异步电动机的机械特性变化曲线交流电机转速控制三2、恒功率调速方式（2）在即高于额定转速调速时，应保持U1不变。这时磁通φ和转矩T都将减小。转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。如果把转速调高时的比值不变，在f1

增加的同时U1也要增加。U1超过额定电压也是不允许的。交流电机转速控制三恒转功率调速时异步电动机的机械特性变化曲线交流电机转速控制三变频调速时异步电动机的机械特性与列车列车理想牵引特性对比如图所示的对比不难发现，采用变压变频（VVVF）调速方法调节异步电机的转速，按照一定的控制规律，很容易的将其特性调节得和列车的牵引特性相“匹配”。交流电机转速控制三3、变频调速的特点：①基频以下调速，为恒转矩调速方式；基频以上调速，近似为恒功率调速方式；②调速范围大；③转速稳定性好；④运行效率高；⑤频率可以连续调节，变频调速为无级调速交流电机转速控制三（三）异步电动机矢量控制调速（拓展自学）交流调速理论的重大突破：矢量控制理论的提出。1、矢量控制定义：通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。交流电机转速控制三2、矢量控制的目标让交流电动机的调速控制象直流电动机线性化。3、矢量控制的基本思想通过对交流电动机模型实施必要的坐标变换（矢量变换）实现定子电流励磁分量和转矩分量的有效解耦，从而得到类似于直流电机的以励磁电流、转矩电流比例控制电磁转矩的矢量控制模型，再仿造直流电动机控制方式建立交流电动机矢量控制调速系统。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统，简称VC系统（VectorControlSystem）。交流电机转速控制三变换过程具体的变换运算比较复杂，此处从略，需要时可参看相关参考文献。综合以上：矢量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转）ABC坐标系

坐标系dq坐标系3/2变换C2s/2r交流电机转速控制三（四）异步电动机直接转矩控制调速（拓展自学）1、概述1984年德国鲁尔大学的DepenBrock提出直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。交流电机转速控制三2、直接转矩控制原理直接采用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM（空间矢量SPWM）直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。交流电机转速控制三总的来说，直接转矩控制就是通过对定子电压空间矢量的控制达到以下两个目的：（1）维持定子磁链幅值的恒定（2）控制定子磁链旋转速度的大小交流电机转速控制三矢量控制与直接转矩控制对比区别:（1）直接转矩控制建立在定子磁场旋转坐标系中。矢量控制建立在转子磁场旋转坐标系中（2）矢量控制一般具有