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第五章交流传动机车控制系统
一、交流传动机车发展综述
运输的需求
安全性、实用性、可靠性、 灵活性、舒适性越高越好； 费用越低越好。
各种限制 交流电机的特点
科学技术的发展
交流传动机车发展
一、交流传动机车发展综述
运输的需求 各种限制 交流电机的特点
安全性、实用性、可靠性、 灵活性、舒适性越高越好； 费用越低越好。
地域规范、供电制式、空间、体 积、重量、技术水平、工艺水平 的限制等
第二节 异步电动机变频调速控制系统
变频调速控制系统
常规交－直－交变频器原理图
PWM 交－直－交变频器原理 图 电力机车整流部分为四 象限脉冲整流器
交流电机（异步）的矩速特性
n 60 f1 (1 s)
p
M CM m I2 cos2
关键问题： ?
1、异步电机变频调速特性分析
（1） 变频调速时异步电机参数变化为：
X 1 f1 X 2 f1 X m f1 r1、r2, const
（2）用 U1、f1、fsl 表示的力矩公式M
法国 TGV 、西班牙AVE机车主电路 （同步电机）
励磁
韩国 TGV机车主电路（同步电机）
励磁
电流型逆变器 (异步电机)
GTO 电压型逆变器(欧洲之星 TGV )
典型的地铁牵引变频器
每一个动车一台逆变器，同时为4台异步电机供电
MAC
MAC
MAC
MAC
适用于4种电压供电的机车牵引变频器
PT4 (1,5kV & 3kV SNCB)
H2-FI
H1-FI
H3-FI
SF2-FI 7,2 mH
Option "Filtre 50Hz"
交流传动控制系统
7.4 电磁转差离合器调速系统
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7.4.1调速系统的组成及原理
1、调速系统的组成
由三部分组成：如图7-22所示 1）笼型异步电动机 2）电磁转差离合器 3）可控硅整流电源
7.4 电磁转差离合器调速系统
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7.4.1调速系统的组成及原理
2、转差离合器的结构原理
1）转差离合器的结构组成
（1）主动部分，由铁磁材料制成的圆筒， 称为电枢。由笼型转子异步电动机带动，以 恒速n1旋转。
7.3交流异步电机的变频调速系统
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7.3.2 变频器的结构类型及原理
1、变频器的基本类型
间接变频——将工频交流整流器直流逆变器可控频率的交流，又称为交－直－交变频。
直接变频——将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交－交变 频。
7.3交流异步电机的变频调速系统
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7.3.2 变频器的结构类型及原理 2、变频器的基本结构 交－直－交变频器
2、变频器的基本结构 交－直－交变频器 1）按中间直流电路分类 采用电抗器作为无功功率缓冲环节，称为电流型变频器；
特点：直流侧电流恒定，极性可变，能实现回馈制动。
7.3交流异步电机的变频调速系统
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7.3.2 变频器的结构类型及原理 2、变频器的基本结构 交－直－交变频器 2）按电压频率控制方式分类 （1）用可控整流器调压、逆变器调频的交—直—交变频器
7.3交流异步电机的变频调速系统
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7.3.2 变频器的结构类型及原理 2、变频器的基本结构 交－直－交变频器 2）按电压频率控制方式分类 （2）用斩波器调压的交—直—交变频器
7.3交流异步电机的变频调速系统
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7.3.2 变频器的结构类型及原理 2、变频器的基本结构 交－直－交变频器 2）按电压频率控制方式分类 （3）用PWM逆变器同时调压调频的交—直—交变频器
交流传动控制系统
课程设计报告●系别：电气工程系●班级：铁自092●学号：200901350234●姓名：蔺军●指导老师：严俊目录第一章交直流调速技术发展概况 (1)1.1调速系统 (1)1.2直流调速系统概况 (1)1.3交流调速系统概况 (1)第二章异步电动机结构及工作原理 (2)2.1 异步电动机结构 (2)2.2 异步电动机工作原理 (3)2.3 异步电动机运行的机械特性 (6)第三章异步电动机变频调速系统介绍 (7)3.1 异步电动机调速方法 (7)3.2 变频调速的基本原理 (8)3.3 变频器分类及其工作原理 (12)第四章脉宽调制（PWM）控制技术 (14)4.1正弦波脉冲宽调制（SPWM）控制技术 (16)4.2 SPWM 控制信号产生的方法 (18)4.3 电流滞环跟踪PWM控制技术 (20)4.4 电压空间矢量PWM控制技术 (21)第五章转速开换的异步电动机变压变频调速系统 (23)5.1 转速开换的异步电动机变压变频调速系统结构图 (23)5.2 数字控制IGBT-SPWM变频调速.............................................. .245.3 系统软件设计 (27)第六章课程结业总结 (28)第一章直交流电动机调速技术的发展概况1.1什么是调速控制系统调速控制系统；是指通过对电动机的控制将电能与机械能进行转换，并控制工作的机械按给定的云感动规律运行的装置。
1.2 直流调速技术概况：由于直流调速系统具有良好的启动、制动、正反转及调速性能，特别是混合动力及纯电动汽车的推广和中小型发电机的使用，使得用词无刷等直流电动机怒前占重要地位。
同时由于直流电动机电枢和磁场能够独立进行励磁，而且转速和输出转矩是对可控电压（或电流）励磁的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机调速控制系统，也容易实现对目标控制的“最佳化”。
直流电动机调速的发展经历了功率器件GTO GTR P-MOSFET IGBT和MCT等电力电子元件的发展，简化了控制电路的体积和重量。
交流传动控制系统
2. 强迫换向电路
1) C为换向电容，V为隔离二极管，与主晶闸管串联。 2) 换流电路为120o 导电型，同一相两只SCR同时导通， 脉冲间隔（相位差）为180o。 3) 两只相邻SCR，脉冲间隔为60o（正转时触发VS1、2、 3、4、5、6、1…，反转时触发VS6、5、4、3、2、1、6…）。 4) 两相轮流导通，脉冲间隔为120o（1-3-5或2-4-6）。
采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多， 注：采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多， 在输出低频时，输出波形较好。 在输出低频时，输出波形较好。
12.4.5 交－交变频调速
1. 用途 交流电动机调速； 变频交流电源。
三相（或两相）交流电； 注：单相交流电 → 三相（或两相）交流电； 低频电源。 高频电源 → 低频电源。
输出电压波形——方波型、正弦波型 3. 输出电压波形 1) 三相方波型交－交变频器（主电路）
每相由两组反并联的三相零式整流电 路组成。
（Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ为正组） （Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ为反组）
各组导通角为T/3（T为周期），每组 依次相隔T/6导通。 同一时刻有一个正组和一个反组同时 导通。
2) 正弦型交－交变频器——用于异步电动机调 速
3. 准正弦波脉宽调制变频调速控制系统（SPWM）
① 输入脉冲列 ② 载波信号 ③ 阶梯波 ④ 脉宽调制波形 ⑤⑥ 监相波形 ⑦⑧ 最后调制波形 ⑨ 逆变器输出波形
适用场合（特点） 4. 适用场合 1) 实现平滑启动、停车； 2) 高效率、宽范围调速； 3) 作为异步电动机变频调速的供电电源。
3) 特点： 电路简单； 调节速度快； 动态响应好。
注：
改变调制周期→改变输出频率。 a) 改变调制周期→改变输出频率。 调制方法：单极性调制和 b) 调制方法：单极性调制和双极性 调制。 调制。 c) 按载波信号 u c 和参考信号 u r 频 率之间的关系分为：同步式调制和 率之间的关系分为：同步式调制和非 同步式调制。 同步式调制。
交流传动机车的控制系统
第三节交流传动机车的控制系统对于铁路牵引，要求传动系统按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率）运行，同时又要不断地进行加速或减速。
为了保证机车牵引系统有较高的静态控制精度和动态稳定性，机车上通常采用闭环控制系统在任何一个传动系统中，速度和转矩值通常被认为是两个重要的被调量。
控制转矩，有两种方法：一种是由相关联的其它物理量作为给定信号，并检测这些量的实际值作为反馈信号（如电压、定子电流和转差频率），来有效地控制电机的转矩；另一种是利用检测的或计算的转矩作为反馈信号，与给定的转矩作比较，产生转矩调节器的输入信号，来直接控制传动系统的转矩。
前者已广泛的应用在各种交流传动机车和动车组上；后者也称为直接力矩控制，它是迄今为止最佳的控制方法，已经在机车上采用。
交直交变频调速系统经过近十多年来的发展，出现了许多形式，例如，电压、频率协调控制的变频调速系统，转差频率控制的变频调速系统，谐振型变频调速系统，矢量控制的变频调速系统和直接转矩控制的变频调速系统等。
一、转差频率控制的交流传动系统目前，在铁路牵引的交流传动系统中，大都采用脉宽调制（PwM）逆变器，这种逆变器的特点在于：当控制系统给定电压***和频率***时，PWM信号生成单元控制逆变器的输出总能保证电动机气隙磁通******接近恒值，这就满足了关于恒磁通控制的要求。
根据****，转矩T 只取决**的值，如果系统能合适的控制**以及**随**的变化规律，就能使电动机按照要求的运行方式控制力矩。
如图***所示的系统控制结构，是已经在一些机车和动车组上采用的实例。
从基本特征来看，它是一种由电压型逆变器供电并具有电流反馈的转差闭环的双闭环控制系统。
从司机室送出的给定转矩**信号，一路通过**函数发生器产生给定的转差频率**，它与反馈的转速信号**相加得********（牵引）或想减得******（再生制动），确定了逆变器输出电压频率。
考虑到恒转矩对磁通****的要求，系统中设置了一个电压函数发生器，其函数关系为，***是考虑零速度附近对定子绕组压降的补偿。
交流传动控制系统
交流传动控制系统的历史与发展
早期的交流传动控制系统主要采用模拟电路和控制技术，随 着计算机技术和数字信号处理技术的不断发展，现代的交流 传动控制系统已经逐步实现数字化和智能化。
目前，交流传动控制系统正朝着高效率、高精度、高可靠性 和网络化方向发展，未来还将进一步融合人工智能、物联网 和云计算等先进技术，实现更加智能化和自动化的控制。
其他领域
总结词
除了上述领域外，交流传动控制系统还广泛 应用于电梯、压缩机、泵等机械设备中，提 高设备的运行效率和节能效果。
详细描述
在电梯中，交流传动控制系统用于控制电梯 的运行速度和平衡状态，提高电梯的安全性 和舒适度。在压缩机和泵等机械设备中，交 流传动控制系统可以实现精确的速度和压力
控制，提高设备的运行效率和节能效果。
02 交流传动控制系统的基本原理
CHAPTER
交流电机的工作原理
交流电机的基本结构
交流电机的调速原理
交流电机主要由定子和转子组成，通 过磁场相互作用实现能量的转换。
通过改变交流电的频率或相位，可以 改变旋转磁场的转速，从而实现对交 流电机的调速。
交流电机的旋转原理
当交流电通过定子绕组时，产生旋转 磁场，该磁场与转子相互作用，使转 子旋转。
维护保养
交流传动控制系统的维护保养相对复杂，需要专业技术人员进行 故障排查和维修。
对未来的展望
技术发展
随着电力电子技术和控制理论的不断进步，交流传动控制系统的性 能将得到进一步提升，实现更加精确、快速和智能的控制。
应用领域拓展
随着环保和节能要求的提高，交流传动控制系统将在更多领域得到 应用，如电动汽车、可再生能源等领域。
交流传动控制系统
Zhengzhou University of Light Industry
2018/11/8
好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不 需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现 高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模 型来设计其控制系统。 异步电机的稳态数学模型如前面几节所述， 为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开 环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是 常用的通用变频器控制系统。
2018/11/8
电路分析（续）
控制电路 —— 现代 PWM 变频器的控制电路大都
是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是
接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形
成驱动逆变器工作的 PWM 信号。微机芯片主要 采用 8 位或 16 位的单片机，或用 32 位的 DSP ，现 在已有应用RISC的产品出现。
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Zhengzhou University of Light Industry
2018/11/8
控制电路（续）
工作频 升降速 率设定 时间设定 电压补偿设定 PWM产生
斜坡函数
f*
U / f 曲线
u
脉冲发生器
f
t
f
u
驱动 电路
图3-39 PWM变压变频器的基本控制作用
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Zhengzhou University of Light Industry
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Zhengzhou University of Light Industry
2018/11/8
实现补偿的方法有两种：
① ② 在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函数，由
用户根据需要选择最佳特性；
采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流， 按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过
6.3 交流传动控制系统
闭环控制的变压调速系统
异步电动机调压调速时的损耗及容量限制
转差功率：传到转子上的电磁功率与转子轴上产生的机械功率之差 叫损耗功率，也叫转差功率。 由于旋转磁场和转子具有不同的速度，因此，转差功率为：
~380
50HZ
N
图3-7 变频器主电路结构图
1）可控整流调压，逆变变频 可控整流调压， 整流调压
整流
逆变
变压
变频
3） ）
PWM
整
脉 宽
流
图 脉宽调制
交-交变频系统控制电路的框图
图中给定信号经电压/频率变换转换成与给定信号成 比例的脉冲信号，然后经环行分配器分频，依次形成相差 T/6、持续时间为T/3的选组脉冲。选组脉冲规定了什么时 间允许哪组晶闸管工作。与此同时，给定信号被变换成与 之相应的移相脉冲，从而决定每组晶闸管导通的次序及控 制角α的大小。移相脉冲与选组脉冲经逻辑电路确定了每 个晶闸管的导通时刻，低速时为了补偿定子的压降，引入 了函数发生器以适当提高电压。
Φ 1 1 1 1
故要保持Φ恒定， 故要保持 恒定，需要变频又变压 恒定
恒功率调速与恒转矩调速
交-直-交变频调速系统
在交-直-交变频调速系统，首先将电 网中的交流电整流成直流电，再通过逆 变器将直流电逆变为频率可调的交流电。
系统构成
• 系统中，晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、电压及 速度负反馈环节的电路和原理与直流调速系统相同。 • 脉冲发生器电路：将给定信号和反馈信号的差值变换为频率 与电压大小成正比的脉冲信号； • 环行计数器：实质是一个脉冲分配器，它把来自频率发生器 的脉冲6个（或12个）一组依次分配，经脉冲放大器后，顺序 触发逆变器的6只晶闸管来实现逆变。触发脉冲的频率（即逆 变电路输出电压的频率）与频率发生器的输出频率成正比。 • 频率/电压（F/V）变换器：是为了实现电压与频率的协调控 制。因为变频的同时需调压。频率/电压（F/V）变换器把脉 冲信号变换成与频率成正比的电压信号。 • 晶闸管整流电路和逆变电路：逆变器的输入电压是整流电路 的输出电压整流电路的输出电压发生变化时，逆变器输出交 流电压的正负峰值将随之发生变化。