电力牵引交流传动控制系统

P mE I cos e g r r
4
回顾：异步电机等值电路
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
Rs
Is
Us
Eg
X ls
X lsN
X XlrN
lr
Xm X mN
Ir
Er
Im
Rr / s
Equivalent circuit of induction motor
5
3.1 变频调速时异步电机的等值电路
恒压频比时最大转矩和起动转矩与频率的关系曲线
15
3.3 恒压频比控制 ︽ 恒压频比控制带来的问题 电 力 牵 低频时，恒电压频率比控制方式受定子电阻压降 引 的影响较大而不能保持气隙磁通不变，其最大力 交 流 矩和起动力矩都急剧下降，限制了传动系统的带 传 负载能力。 动 控 解决方法：在低频范围内提高逆变器的输出电压 制 以补偿定子压降下降的影响。 系 统 ︾
~
沿定子铁芯内圆从绕组轴线算起的电位移角；
28
异步电机中的谐波磁势
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
1 1 利用三角关系 sin cos sin( ) sin( ) 将上三 2 2
式转化为：
1 ~ f A1.5 f1.5 [sin(5t ) sin(5t )] 2 1 ~ 2 f B1.5 f1.5 [sin(5t ) sin(5t )] 2 3 1 ~ 2 fC1.5 f1.5 [sin(5t ) sin(5t )] 2 3
12
3.3 恒压频比控制
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
mn p U s sf s Rr T 2 f s sRs Rr 2 s 2 X ls X lr 2
2
dT 0 dfsl
sm
Rr
2 Rs [2 f s ( Lls Llr )]2
mn p U s sf s Rr T 2 f s sRs Rr 2 s 2 X ls X lr 2
mn p Eg T 2 f s
2
2
f sl Rr 2 2 Rr (2 f sl Llr )
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
1 T fs Tmax
1 fs
1 2 fs
I s const U s const
20
恒功率运行方式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 该恒功调节方式属于恒电压调节，为保证电动 机在全部恒功调速范围内能稳定运行，系统工 作点选取为在最高转速时，保证有最低的过载 能力，于是在恒功范围的低速点内，电机过载 能力就出现了不必要的裕度。电动机有较大的 设计尺寸，但逆变器在恒压恒流下工作，称为 最大电动机和最小逆变器方案。
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3.6 列车牵引中变频调速系统调节特性
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
Us
Te
Eg
Is
f sl
恒力矩区
fb
恒功率区
f mc
自然特性区
f
24
动车组牵引特性曲线
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
25
3.7 谐波分析
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 一、异步电机中的谐波磁势
~ ~
得到三相绕组合成磁动势： 3 ~ F1.7 f1.7 sin(7t ) 2
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︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
k 6n 1 (n 0,1, 2,3 ) 次谐波电流产生正向（基波转
向）的旋转磁场，而 反向的旋转磁场。
k 6n次谐波电流则产生 1
8
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
同步角速度 2 f s s
np
转子电流 I r
Eg Rr 2 ( ) X lr s
转子功率因数 cos r
Rr / s
Rr 2 ( ) X lr 2 s
9
变频调速时异步电机的转矩公式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
m Eg CE f s
Us m CE f s
fs X ls X lsN f X lsN f sN
fs Xm X mN f X mN f sN
fs X lr X lrN f X lrN f sN
f s 1.5 Rm RmN ( ) RmN 1.5 f f sN
T mn p
2 Eg Rr
2 f s Rr 2 2 sX lr s Rr 基频以上时，转差率s很小， X lr
X lr
Rr 与
s
s
相比可忽略，转矩公式可以写为
T
2 mnp Eg
2 Rr f
2 s
f sl
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恒功率运行方式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 因为高频时，
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
Rs
Is
Us
Eg
X ls
X lr
Xm
Ir
Im
Er
Rr / s
Equivalent circuit of induction motor
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变频调速时异步电机参数的变化
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
Eg 4.44Ns kNs f s m CE f s m
时间谐波磁势的转速总是 k 倍于基波磁势的同 步转速
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异步电机中的谐波磁势
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 2.空间谐波磁势 基波电流在A、B、C各相绕组中所产生的5次空 间谐波磁势可以写成： ~ f A5.1 f 5.1 sin t cos 5
2 2 f B 5.1 f 5.1 sin(t ) cos 5( ) 3 3 ~ 2 2 f 5.1 sin(t ) cos(5 ) 3 3
第3章 异步电机变频调速控制方式
主讲人：冯晓云 教授
Email: fengxy@swjtu.edu.cn 西南交通大学电气工程学院 列车控制与牵引传动研究室
本章主要内容
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
频率调节时异步电机的等值电路 恒磁通控制 恒电压频率比控制 恒转子全磁通控制 恒功率控制 列车牵引中变频调速系统的调节特性 谐波分析
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恒功率运行方式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
f sl 不变， 二）
T
U s2
fs
const 的调节方式
Tm
1 T fs
1 fs
T
Tmax
1 fs fs
Us fs
1 fs
Us
fs
Is 1
1 Is fs
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恒功率运行方式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
n p m Eg 2 f s
2

Tm
1 4 Llr
Fra Baidu bibliotek
T 2 Tm ( f sl / f m ) ( f m / f sl )
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3.2 恒磁通控制
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
结论：当
Eg fs
const
TT f ( f sl ) f sl const, T const Tmax const f max const
mn p U s Tm 4 f s Rs
2
2
fs
2 Rs [2 f s ( Lls Llr )]2
mn p U s f s Rr Tst 2 f s Rs Rr 2 2 f s ( Lls Llr )2
这种恒功调节方式具有不变的过载系数，电机的 设计工作点可以选择在恒功范围的最低转速时有 最小允许的过载能力，这样在高速时仍然有适度 的转矩裕量，使在整个恒功调速范围内稳定运行， 并能充分地利用电机的功率，电机设计尺寸较小。 由调节特性图可知，逆变器在整个恒功范围内需 要满足最高电压和最大电流的要求，因而有较大 的设计容量和尺寸，该恒功运行方式称为最小电 动机和最大逆变器方案。
2
mn p Er f sl T 2 f s Rr
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3.2 恒磁通控制
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
2
mn p Eg T 2 f s
fm Rr 2 Llr
f sl Rr 2 2 R (2 f L ) sl lr r
~
~
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异步电机中的谐波磁势
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
4 4 fC1.5 f1.5 sin 5(t ) cos( ) 3 3 ~ 2 2 f1.5 sin(5t ) cos( ) 3 3
~
f1.5 5次谐波电流所产生的每相的空间磁势基波分量的幅值；
Eg U s
2
所以
m U s2 P T f sl Rr f s
mn p U s T f sl 2 Rr f s
为使电机恒功率运行，等号的右边说明电压和 频率的调节方式有两种
f sl 一） Us不变， s const 的调节方式 fs
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Us不变，s=const恒功率调节
2
回顾：交流异步电机矩速特性
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Tm T
Tst
fs(Hz)
fs(s=0)
3
回顾：交流异步电机矩速特性
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
60 f s (1 s) n np T CM m I r cosr
将三式相加，得到电机三相绕组所产生的合成磁 3 ~ 势 F1.5 f1.5 sin(5t ) 2
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异步电机中的谐波磁势
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 对于7次谐波电流在A、B、C相绕组中产生的脉 动磁势的基波分量可表示为：
f A1.7 f1.7 sin 7t cos f B1.7 f C1.7 2 2 f1.7 sin(7t ) cos( ) 3 3 ~ 2 2 f1.7 sin(7t ) cos( ) 3 3
7
转矩公式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
电磁功率：P e mEg I r cos r
mn p Pe T Eg I r cos r 电磁转矩： s 2 f s
T CM m I r cos r mn p 2 T I r Rr / s 2 f s
T mn p Rr 2 2 f s 2 ( Rs ) ( X ls X lr ) s U s2 Rr / s
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3.4 恒转子全磁通
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
T
c
Er 4.44 f s N s k Ns rm
b
a
Er const fs
0
n
a－恒电压频率比控制 b－恒磁通控制 c－恒转子全磁通控制
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3.5 恒功率运行方式
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾ 引用前述转矩公式
说明：这里讨论仅限于整数槽三相绕组情况
电机谐波磁势可分为两类：
• 时间谐波磁势
• 空间谐波磁势
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异步电机中的谐波磁势
︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
1.时间谐波磁势 5次谐波电流在电机的A、B、C相绕组中建立的脉
动磁势为：
f A1.5 f1.5 sin 5t cos 2 2 f B1.5 f1.5 sin 5(t ) cos( ) 3 3 ~ 2 2 f1.5 sin(5t ) cos( ) 3 3
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3.3 恒压频比控制 ︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾
结论：
U s / f s const
fm f ( fs ) T f ( f s , f sl ) Tmax f ( f s )
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3.3 恒压频比控制 ︽ 电 力 牵 引 交 流 传 动 控 制 系 统 ︾