變頻調(diào)速技術(shù)及其在鐵路工程電氣自動化控制的應(yīng)用

文自力

（西門子（中國）有限公司株洲分公司 湖南株洲 412001）

變頻調(diào)速技術(shù)及其在鐵路工程電氣自動化控制的應(yīng)用

文自力

（西門子（中國）有限公司株洲分公司 湖南株洲 412001）

長期以來，在調(diào)速傳動的生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，大多采用直流電動機(jī)傳動系統(tǒng)，容易獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。但直流電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在接觸式的機(jī)械換向器，不僅工藝復(fù)雜、價格昂貴，而且在運(yùn)行中很容易產(chǎn)生換向火花和發(fā)生環(huán)火故障。調(diào)速的目的一方面是為了改進(jìn)動態(tài)性能、滿足工藝要求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少損耗、提高效率、節(jié)約能源及滿足某些大容量、高轉(zhuǎn)速的特殊需要。本文就變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并以鐵路工程為例，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在鐵路工程電氣自動化技術(shù)中的應(yīng)用。

鐵路工程；變頻技術(shù)；電氣自動化；控制分析

前言

電力驅(qū)動裝置被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和日常生活中。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流電動機(jī)驅(qū)動，則稱為直流電氣傳動系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由交流電動機(jī)驅(qū)動，則稱為交流電氣傳動系統(tǒng)。根據(jù)負(fù)載對象的運(yùn)行要求，電氣傳動可分為恒速系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)。受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的制約，直流電傳動用于高性能的調(diào)速系統(tǒng)，而交流傳動多用于恒速系統(tǒng)。目前交流傳動已經(jīng)進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域，從工業(yè)傳動到機(jī)車牽引，從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。同時許多國家已實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。本文就變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并以鐵路工程為例，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在鐵路工程電氣自動化技術(shù)中的應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷程介紹

60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻調(diào)速裝置的研制成功，交流調(diào)速方法重新受到人們的重視，成為電動機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。70年代中期，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)能源危機(jī)，節(jié)約能源成為人們關(guān)注的問題。許多過去一般不調(diào)速的傳動裝置，如風(fēng)機(jī)、水泵等類負(fù)載，為了減少無謂的電能損失，也都采用了調(diào)速傳動。由此，對交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。90年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快以及可作四象限運(yùn)行等優(yōu)良的技術(shù)性能。目前，交流傳動已經(jīng)作為一種完全肯定的系統(tǒng)，正大舉進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。許多國家已實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，而逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

2 變頻調(diào)速技術(shù)原理分析及應(yīng)用介紹

應(yīng)用交流調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的是：節(jié)能、高精度控制和實現(xiàn)高速驅(qū)動。為使系統(tǒng)獲得最佳控制效果，不僅要對電力電子器件、變頻電路、控制系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行大量研究，也必須對變頻電機(jī)的理論、設(shè)計和制造技術(shù)進(jìn)行充分的研究。變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)80年代末興起的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣泛的適用，是電氣傳動的發(fā)展方向。變頻調(diào)速通過改變電機(jī)頻率和改變電壓來達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的。常見的變頻技術(shù)有交-交變頻技術(shù)和交-直-交變頻技術(shù)。

2.1 交-交變頻技術(shù)基本原理分析

交-交變頻技術(shù)是將市電直接變成頻率低的交流電，其主要用在大功率的交流調(diào)速中。交-交變頻電路一般采用三相橋式電路。因其最高輸出頻率只能是電網(wǎng)頻率的1/3以下，所以在變頻領(lǐng)域其逐漸被淘汰。

2.2 交-直-交變頻技術(shù)基本原理分析

交-直-交變頻是將市電整流成直流電源，再將直流電源變頻為要求頻率的交流電，根據(jù)變頻方式又分為諧振變頻和方波變頻。諧振變頻主要用于中頻加熱；方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。交-直-交變頻電路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器三部分組成，根據(jù)中間濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電流源型和電壓源型，使用最多的是電壓型變頻調(diào)速器。在其工作時首先將三相交流電橋式整流為直流電，脈動的直流電經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下，用逆變器接直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，使輸出波形近似正弦波，輸出到需要調(diào)速的電動機(jī)。

2.3 變頻調(diào)速基本原理及影響因素介紹

變頻調(diào)速是在頻率發(fā)生變化后，電動機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，轉(zhuǎn)速損失不增加的調(diào)速方式。可以說變頻調(diào)速是一種高效的調(diào)速方式，調(diào)速范圍可達(dá)1～100%，并在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的調(diào)速效率。變頻調(diào)速方式尤其適合于調(diào)速范圍寬、負(fù)荷經(jīng)常變化運(yùn)行的設(shè)備。選擇最佳運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可實現(xiàn)低速啟動、平滑調(diào)速。最高速度不受電源影響，電動機(jī)可以高速化、小型化。根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理可知：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率有以下關(guān)系：

式中：f為電源頻率；s為電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動機(jī)極對數(shù)。當(dāng)p和S確定后，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。

2.4 關(guān)于機(jī)車牽引中變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性

通常電力機(jī)車的牽引運(yùn)行主要可分為起動加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)及自然特性區(qū)。當(dāng)電動機(jī)的氣隙磁通保持不變，則電動機(jī)可以在任何轉(zhuǎn)速下發(fā)揮很大的轉(zhuǎn)矩。在這種情況下只要限定轉(zhuǎn)差頻率，即可得到恒定的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率的限定值越接近于臨界轉(zhuǎn)差頻率，則獲得的轉(zhuǎn)矩越大，在整個速度范圍內(nèi)發(fā)出相同的最大轉(zhuǎn)矩，利用這一性能，即可滿足機(jī)車以不變的牽引力起動的要求。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電壓提高，電機(jī)的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制，于是在電壓提高到一定數(shù)值后，將維持不變，或者電壓不再正比于頻率上升。此后電動機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制。當(dāng)位于自然特性區(qū)時，電機(jī)端壓和轉(zhuǎn)差頻率均維持不變，從轉(zhuǎn)矩公式可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與逆變器頻率的平方成反比減少。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在鐵路工程電氣自動化控制的應(yīng)用

3.1 基于變頻控制技術(shù)的車載輔助逆變電源在鐵路工程中的應(yīng)用

隨著電氣設(shè)備的發(fā)展，基于變頻控制技術(shù)的車載輔助逆變電源在鐵路工程的應(yīng)用越來越廣泛。輔助逆變電源主要將直流電轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定三相交流電，供車載空壓機(jī)等輔助設(shè)備使用，電氣工作者基于正弦脈沖寬度調(diào)制和變頻調(diào)制，設(shè)計了車載逆變輔助電源，并采用高速驅(qū)動模塊、單片機(jī)和芯片產(chǎn)生脈沖寬度的三相正弦波，由于這種控制芯片形成的逆變電源結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠，適合于中、小功率的應(yīng)用場合，在鐵路機(jī)車中應(yīng)用可很好實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的，實現(xiàn)鐵路的高效化運(yùn)行。

3.2 基于自調(diào)頻同步電動機(jī)在鐵路工程電氣化控制中的應(yīng)用

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的另一類電機(jī)是自調(diào)頻同步電動機(jī)，與普通同步電機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上沒有什么差別，但在設(shè)計參數(shù)時，除考慮系統(tǒng)的運(yùn)行性能對電機(jī)的要求外，其主要問題是電機(jī)的電抗參數(shù)設(shè)計和選擇，以便影響逆變器的換流穩(wěn)定性。在換流期間，電機(jī)有兩相繞組串接在換流回路中，由于轉(zhuǎn)子對電樞磁場有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對電樞磁場起阻尼作用。為了增加換流能力，希望減小換流電抗。可以用在電機(jī)磁極上裝設(shè)阻尼繞組的辦法來解決，這也是自調(diào)頻同步電動機(jī)設(shè)計中的一個重要特點(diǎn)。該類電機(jī)在目前電力機(jī)車中的應(yīng)用可在機(jī)車驅(qū)動中發(fā)揮重要作用，有效的達(dá)到了節(jié)能的目的。

4 結(jié)語

變頻調(diào)速技術(shù)是一種先進(jìn)的電氣控制技術(shù)，合理有效的應(yīng)用可實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。這幾年隨著能源危機(jī)的越來越嚴(yán)重，變頻調(diào)速技術(shù)的作用也變得越來越突出。目前鐵路工程中通過應(yīng)用變頻技術(shù)實現(xiàn)了對能源的高效利用，對節(jié)約能源起到了關(guān)鍵作用。

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TM921.51

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1004-7344（2016）18-0313-02

2016-6-10