鐵路工程電氣自動化控制中變頻調速技術的應用

李標

（中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100027）

伴隨著經濟的發展和能源的開采，近些年中國面臨的能源危機和環保問題愈發嚴重，而20 世紀80 年代興起的變頻調速技術不僅滿足了工業化生產的需要，更是開啟了一個智能電機的時代，科學合理應用變頻調速技術能夠降低能耗，達到節約資源的目的[1]。現階段，鐵路工程電氣自動化控制中應用變頻調速技術可控制能源的損耗，為建設美麗中國和生態中國獻出重要力量。

1 變頻調速技術的發展歷程介紹

20 世紀60 年代，電力電子技術得到前所未有的發展，變頻調速裝置開始走入人們的視線，交流調速方法成為一種重要的調速方法。為了實現經濟的快速發展，世界各國都在大力開采能源的力度。

到了20 世紀70 年代的中期，世界各國都開始出現不同程度的能源危機，人們開始意識到節約能源的重要性。為了防止過度浪費電力資源，風機、水泵等負載類的傳動裝置也開始采用調速傳動，這為交流電動機調速技術的發展創造良好的條件。

時間推進到20 世紀90 年代，伴隨著科學技術的進步和發展，大量的大功率電力電子器件出現，微電子技術、現代控制理論和技術也發展迅速，這就進一步推動了交流傳動調速技術的發展，使交流傳動調速技術具備了可作四象限運行、高調速范圍、高靈敏度和高精度等技術優點。

現階段，交流傳動已經在各個電氣傳動調速控制領域中得到廣泛應用，并且正在逐漸淘汰直流調速系統。電氣傳動系統結構詳見圖1。

2 變頻調速技術原理分析及應用介紹

在電氣傳統調速中應用交流調速傳動系統不僅能夠實現對調速傳動的高靈敏性、高精度控制，而且降低了能源的損耗，有利于實現節約能源的目的。為了增強交流調速傳動系統的控制效果，就必須靈活應用變頻電機理論，把握電機設計和制造的關鍵技術，并對電力電子器件、控制系統等關鍵技術進行全面深入的研究。變頻調速技術最早可追溯到20 世紀80 年代，變頻調速技術的主要原理為調整電機頻率和電壓，這種先進、新型的電力傳動調速技術，具有技術性能優良，節點效果等優點，其中變頻調速技術還有交—交變頻技術和交—直—交變頻技術之分。變頻器系統結構詳見圖2。

圖1 電氣傳動系統結構

圖2 變頻器系統結構

2.1 交—交變頻技術基本原理分析

交—交變頻技術常用于大功率的交流調速中，其工作原理較為簡單，變頻電路多為三相變頻電路，直接將市電變成頻率低的交流電，該技術的最高輸出頻率不超過電網頻率的1/3，應用范圍較為有限，正被逐步淘汰。

2.2 交—直—交變頻技術基本原理分析

交—直—交變頻技術是變頻調速技術的另一種常見技術，該變頻技術的基本原理為先將市電整流變成直流電源，接著再根據實際變頻的需要選擇恰當的變頻方式，將直流電源變為交流電。按照變頻方式的不同，交—直—交變頻技術又可再細分為諧振變頻和方波變頻兩種。這種變頻技術的電路由整流器、濾波環節和逆變器構成，考慮到中間濾波環節的差異，交—直—交變頻電路可以分為電流源型和電壓源型兩種[2]。

2.3 變頻調速基本原理及影響因素介紹

變頻調速是一種先進、高效的調速技術，調速范圍大，最小1%，最大為100%，并且改變頻率后電動機能夠保持同步轉速，確定最佳運轉速度，且能夠達到低速啟動和平滑調速目的，適用于調速范圍寬，負荷變化大的電機設備。結合電機學原理確定異步電動機的轉速與頻率關系公式如下：

式中：f-電源頻率，Hz；s-電動機轉差率，r/min；p-電動機極對數。在確定p 和s 后，電源頻率越大，電動機轉速越快，因而可以調整控制電源頻率來調整達到變頻調速的目的，實現對轉速n 的控制。

2.4 關于機車牽引中變頻調速系統的調節特性

一般情況下，電力機車的牽引運行系統主要可以劃分三大區域，具體包括起動加速區、恒功率輸出區及自然特性區。若在電動機的氣隙磁通維持在一個穩定的狀態下，那么無論電動機的轉速發生何種變化，其轉矩就都會是一個較大的值。在此基礎上，只要限制轉差頻率，那么就可以控制轉矩，得到一個固定的值，并且如果這個轉差頻的限定值和臨界轉差頻率的數值相差越小，最后獲得的轉矩就越大，總體呈反比增長的態勢。

借助這一原理，只需要在整個速度范圍內控制轉差頻率，并進一步得到相同的最大轉矩就可以適應機車牽引的實際，達到以不變的牽引力啟動的目的。此外，電機的轉速、電壓和電機的輸出頻率關系為正相關，但是電壓并不能無限制的增高，其會受到電動機功率等因素的影響。在電壓不能再增高時或者已經達到數值要求時，電動機將以恒定功率作為參照，以此作為限制條件，干預電壓和電壓頻率。按照區域劃分，當機車牽引中變頻調速系統在三大分區中的自然特性區，系統將使電機端壓和轉差頻率保持原態，根據前文中提到的轉速和轉矩的關系分析的結論，最后可以發現電機轉矩和逆變器頻率兩者的平方為反相關。

3 變頻調速技術在鐵路工程電氣自動化控制中的應用

當前，為了提高鐵路工程電氣自動化控制水平和節約能源，國家鐵路部門大力支持變頻調速技術的應用，根據調研結果可以發現，現階段鐵路工程電氣自動化控制中變頻調速技術的應用主要集中在以下兩個方面：

3.1 基于變頻控制技術的車載輔助逆變電源的應用

現階段，為了增強鐵路工程建設電源的穩定性，保障各類輔助設備安全高效運轉，電氣工作者應該以電氣自動化的實際需求為出發點，以先進的變頻調速技術作為技術指導，設計正弦脈沖寬度調制和變頻調制為基礎的車載輔助逆變系統，進而實現直流電三相交流間的相互轉化，控制電氣設備出現故障的概率[3]。此外，在不同的情況下電氣設備所要滿足的變頻頻率也是不一樣的，因而，還應在車載輔助逆變系統上增加設計高速驅動模塊、單片機和芯片，控制芯片的增設使整個車載輔助逆變電源的適應性大大加強，性能也更加穩定。在鐵路工程電氣自動化中應用這種基于變頻控制技術的車載輔助逆變系統，能夠高效調控各類電氣設備及輔助設備的頻率和速度。

3.2 自調頻同步電動機的應用

目前，自調頻同步電動機和普通同步電機是電氣化控制中使用最多的兩種電機類型，這兩類電機在結構上的差別較小，主要的差別集中在電機參數的設置上。為了保證逆變器換流的穩定性和安全性，應立足于電機具體的運行需要，結合電機電抗參數，進而確定最佳的電機參數。調查當前我國鐵路工程電氣系統的具體運行數據發現，逆變器在換流過程中電樞磁場會受到轉子阻尼的影響。為了控制轉子阻尼，可選擇在電機磁極上增加設計一個阻尼繞組。是否裝設阻尼繞組也是自調頻同步電動機區別普通同步電機電主要特征。在鐵路電力機車中應用自調頻同步電機能夠有效增強機車驅動的安全性，實現降低損耗、節約能源的目標。

4 結束語

綜上所述，當前，變頻調速技術在工業生產的各個領域都有應用，在鐵路工程電氣自動化控制中應用變頻調速技術要樹立全局觀念，以鐵路工程電氣設備的實際需要為切入點，不斷完善電氣運行系統，優化升級變頻調速系統，才能為鐵路工程的建設事業掃清障礙。