20116831周翼(交流变频调速系统)

西南交通大学本科课程设计(论文) 交直交调速系统的研究年级: 2011级学号: 20116831姓名: 周翼专业: 电力机车指导老师: 李宗昉2014年10月院系电气工程系专业电力机车年级 2011级姓名彭一彦题目交直交调速系统的研究指导教师评语指导教师 (签章)评阅人评语评阅人 (签章) 成绩答辩委员会主任 (签章)年月日课程设计（论文）任务书班级电车2011级3班学生姓名彭一彦学号20116836发题日期:2014年 9 月 16 日完成日期:2014年10月26日题目交直交调速系统的研究（应为最终确定好的题目）1、本论文的目的、意义学习并了解交流传动调速系统。

明白其适应现代高速铁路需求的原因。

懂的交流传动系统的原理，会绘出原理图，波形图，主电路图等。

掌握其调速的控制分析，各种调速方法的应用情况。

了解PWM控制技术。

2、学生应完成的任务 1.掌握交流调速系统的工作原理2.绘出原理图、电路图、波形图。

3.对变频调速的特性进行分析。

4.掌握PWM控制技术3、论文各部分内容及时间分配：（共 8 周）第一部分选择题目 ( 第1 周) 第二部分列出提纲 ( 第2 周) 第三部分查找分析资料 ( 第3 周) 第四部分根据资料及所学写论文 ( 第4、5、6周)第五部分修改论文，排版 ( 第7 周)评阅及答辩 ( 第 2 周)论文整改 ( 第 1 周)备注4、参考文献：[1]中国步进电机网:[2]张和生．电机学系统理论[D] ．太原：太原理工大学，1998．[3]电力拖动控制线路与技能训练[4]徐德高等,"PWM型稳压电源的并联运行----一种高可靠直流供电系统",电子计算机动态.[5]张永惠.高压变频器技术的比较[j]. 变频器世界[6]刘家钰,齐春松. 电厂风机(泵)变频调速技术经济分析[a]. 电厂高压电动机变频调速装置[c]. 中国电力技术协会,中国电力器乐联合会科技服务中心[7]于建明;变频器谐波干扰与预防[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2005年01期[8]杨仕平;变频器的谐波抑制理论及应用研究[D];电子科技大学;2000年指导教师： 2014年月日审批人： 2014年月日目录交流调速系统概述 (6)交流调速系统的特点 (6)PWM技术原理 (14)正弦波脉宽调制(SPWM） (15)7.2 单极性SPWM法 (17)交流异步电动机变频调速基本原理 (20)变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 (22)变压变频运行时机械特性分折 (23)参考文献 (29)摘要随着我国高速铁路的不断发展，传统的交-直电力机车重载能力差、速度低、直流电机过于复杂、转向架制约单机功率、控制方法落后等情况，已经不能满足高速铁路的要求。

交-直-交调速系统由于其出色的高速、重载、再生制动、更科学实时的调速性能应运而生。

本文介绍了交-直-交调速系统的概况、主电路、、调速方法关键词:交流调速系统, 异步电动机, PWM，主电路，异步电机交流调速系统概述交流调速系统的特点所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。

在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。

然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。

相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。

因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。

现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。

交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

交流调速常用的调速方案及其性能比较由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：n= 60ƒ1 (1-s) pn (1-1) 式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；f1——电动机定子电压供电频率；s ——电动机的转差率。

从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。

（1）改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速no= 60ƒ1 pn可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。

这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。

采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。

（2）变频调速从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。

变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。

且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。

所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。

（3）变转差率调速改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。

定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。

为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。

所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。

电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。

鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。

这种系统一般也采用转速闭环控制。

绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。

绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef ，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef ，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。

Ef 越大，电动机转速越低。

上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s 较大。

交直交电力机车工作原理指交直交变流器供电、交流电机传动的电力机车。

基本结构：电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机系统。

目前世界上一般都采用电压型。

原理框图整流电路①：四象限脉冲变流器。

直流滤波②：滤谐波，改善机车μ。

逆变器③：直流→三相交流，幅、频可调（VVVF ），一般采用正弦波脉宽调制（SPWM ）。

平波电抗器④：降低电机、电缆中高频成分，控制噪声传播，抑制电机起动过程中的谐波分量。

牵引电动机⑤：三相交流鼠笼异步电动机。

~ -~-3~M A54321主要特点1、异步电动机传动。

无换向器，重量较轻、体积小，转向架簧下重量↓，过曲线时轮轨间侧压力↓（高速列车重要）；合适的悬挂方式，简化转向架结构。

2、机车效率发挥较高。

异步电机无换向器，高速行车效率高；空间利用好，使机车功率得以进一步提高。

再生制动输出功率较大。

3、牵引、制动特性优异。

异步电机机械稳定性好，有自然防空转、防滑性能，粘着利用好，利于加速，缩短起动时间。

4、主线路简化。

通过控制电路实现异步电机的正、反转及牵引、制动转换，不需改变主线路。

5、功率系数接近1。

采用四象限整流器，使牵引变压器的牵引电流与电压同相位。

同时，减少了电网的谐波污染。

6、再生制动，节省能源。

自身不耗损能源，同时节省了冷却风机的耗能，减小噪。

四象限整流器能够在电压、电流平面上四个象限中工作，故得名。

因按斩波方式工作，也叫脉冲整流器。

牵引时作为整流器，从交流电网吸取与网压同相位的近似正弦波的交流电流，使电网的污染减到最小限度。

再生制动时作为逆变器，将电能回馈给电网。

基本原理与分类逆变：整流的逆过程，将直流电变成交流电。

1、分类按交流负载分有有源逆变、无源逆变，按直流电源分有电压型、电流型逆变电路。

有源逆变：交流侧接电网，直流电能经逆变器向交流电源反馈能量，如“交-直-交”电力机车再生制动时脉冲整流器的逆变。

无源逆变：交流侧接负载，直流电能通过逆变器向负载供电，如“交-直-交”电力机车的逆变器。

电压型脉冲整流器：直流侧滤波，由支撑电容Cd和吸收二次谐谐波电流的L2C2串联谐振组成，交流侧需LN滤波器。

电流型脉冲整流器：直流侧由平波电感Ld 和抑制二次谐波电压的串联回路的L2C2并联谐振组成（若直流侧允许Ud 中含一定的二次谐波分量脉动，可省去L2C2），交流侧需CN 滤波器。

注意：LN 可以看作为电网或变压器的漏感。

滤波器结构（a ）电压型基本结构； （b ）电流型基本结构。

输入端 t U u N N ωsin 2= t I i N N ωsin 2=理想情况，所有元件均无损耗，则输入功率PN （t ）应等于输出功率Pd ，即 d d d n n N N n p i u t I U i u t p ==-==)2c o s 1()(ω可见，电网的输入功率PN （t ）以2倍于电网频率脉动。

电压型：输出电压ud （t ）= Ud 恒定，其输出电流为)2c o s 1()()()(t U U I t u t u t i i dN N d N N d ω-== 可见，电压型输出电流id （t ）也是以2倍于网频脉动。