HXD3型機(jī)車輔助系統(tǒng)在VVVF及CVCF兩種控制方式下的工作特性及差異性分析

楊峰

摘要：針對(duì)HXD3型機(jī)車輔助系統(tǒng)在采用VVVF及CVCF兩種不同的控制方式，通過其特性及差異性的分析，引出了采取兩種不同控制方式的原因。

關(guān)鍵詞： HXD3型機(jī)車；輔助系統(tǒng)；VVVF；CVCF

一、引言

（一）系統(tǒng)組成：HXD3型機(jī)車輔助電氣系統(tǒng)是由輔助變流器、各輔助機(jī)組及輔助加熱設(shè)備組成。

（二）工作模式：輔助變流器是為通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等輔助機(jī)組提供三相交流電源的電源裝置。根據(jù)負(fù)載特性不同，系統(tǒng)具有可變電壓、可變頻率的VVVF控制和固定電壓、固定頻率的CVCF控制兩種功能。為了確保根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀況而提供實(shí)際所需的冷卻風(fēng)量和降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，系統(tǒng)中所有風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)定為VVVF控制模式，其余負(fù)載采用CVCF控制模式。

機(jī)車裝有2組輔助變流器。正常工作時(shí)，一組（UA11）采用VVVF控制，另一組（UA12）采用CVCF控制模式。當(dāng)某一組輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)，通過微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)的信息傳遞和故障切換，將另外一組輔助變流器將采用CVCF控制模式為所有輔助負(fù)載提供能量。完成了機(jī)車輔助變流系統(tǒng)的冗余控制，提高了機(jī)車輔助變流系統(tǒng)的可靠性。本文將對(duì)兩種控制方式下輔助系統(tǒng)負(fù)載的工作特性進(jìn)行比較，以便能更好地掌握輔助變流器在不同控制模式下的工作特性，進(jìn)一步了解在不同模式下使用及注意要求。

二、VVVF控制方式

HXD3型機(jī)車各類風(fēng)機(jī)均采用VVVF控制方式進(jìn)行控制。各類風(fēng)機(jī)均為三相異步電機(jī)。異步電機(jī)在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。在交流異步電機(jī)當(dāng)中，磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，不易實(shí)現(xiàn)磁通m的恒定。

由電機(jī)學(xué)理論，氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值方程：

（1-1）

式中：Eg —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（V）；

f1—定子頻率（Hz）；

Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

kNs—基波繞組系數(shù)；

m—每極氣隙磁通量（Wb）

可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

（一）基頻以下調(diào)速

由式（1-1）可知，要保持m不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，使常值

然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us≈Eg，則得 。這是恒壓頻比的控制方式。

（二）基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。

異步電機(jī)在變壓變頻控制方式的工作特性

圖1：異步電機(jī)在變壓變頻控制方式的工作特性

三、CVCF控制方式

HXD3型機(jī)車當(dāng)某一組輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)，通過微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)的信息傳遞和故障切換，另外一組輔助變流器將采用CVCF控制模式為所有輔助負(fù)載提供能量。

由電機(jī)學(xué)理論可知，異步電機(jī)在定子電壓Us和電源角頻率W1恒定時(shí)，恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式為：

（1-2）

對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行分析為：

當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則

也就是說，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性Te =f（s）是一段直線，見圖2

當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，則

即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，Te =f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。

當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖2所示。

綜上，在恒壓恒頻控制下異步電機(jī)的工作特性為：

圖2：異步電機(jī)在恒壓恒頻控制方式的工作特性

四、兩種控制方式的差異性分析

從兩種控制方式的工作特性可以看出，VVVF控制方式對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)控制來說，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平穩(wěn)、防空轉(zhuǎn)能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)，因此，變頻調(diào)速將是交流電機(jī)調(diào)速的主要使用手段。采用恒頻恒壓控制時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)，起動(dòng)電流為短路電流，電流較大，由于回路中阻抗的存在將導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，從而磁通Fm變小。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小同時(shí)將引起輸入端電壓降落。并且產(chǎn)生的壓降對(duì)其他輔助系統(tǒng)負(fù)載工作性能提出了更高的要求。因此，采用恒頻恒壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，則對(duì)變頻器的容量要求更大，所以當(dāng)采用一組變頻器工作時(shí)應(yīng)盡量減少輔助系統(tǒng)其它非必需負(fù)載的投入。

綜上，變頻變壓控制方式常用于異步電機(jī)的調(diào)速，恒頻恒壓控制方式并不常用，主要提供給恒壓設(shè)備供電。但由于在HXD3型機(jī)車輔助系統(tǒng)當(dāng)中，由于所帶負(fù)載較復(fù)雜，既有交流電機(jī)，也有需穩(wěn)定電壓的用電設(shè)備，因此，在控制中采用VVVF與CVCF結(jié)合控制的方式、同時(shí)在一組故障時(shí)采用CVCF控制方式的控制手段能最大限度的滿足各項(xiàng)用電設(shè)備的需求。

五、結(jié)束語

HXD3型機(jī)車作為目前鐵路運(yùn)輸線上廣泛運(yùn)用的主力機(jī)型，通過其輔助系統(tǒng)更進(jìn)一步的了解，有助于我們更好地掌握其運(yùn)用及檢修保養(yǎng)要求，同時(shí)，作為當(dāng)前交-直-交機(jī)車普遍采用的輔助系統(tǒng)控制方式，其對(duì)負(fù)載的影響也將是一個(gè)長期的研究課題。

參考文獻(xiàn)：

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