異步電機(jī)調(diào)速原理探討

劉勁松

摘 要：本文主要對(duì)地鐵車輛牽引及電制動(dòng)原理進(jìn)行探討，涉及電機(jī)調(diào)速原理，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制的基本知識(shí)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;異步電機(jī);調(diào)速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.181

1 前言

國(guó)內(nèi)地鐵車輛大部分采用三相異步牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在牽引狀態(tài)下，受流裝置將高壓直流電引入牽引逆變器，逆變器通過(guò)逆變過(guò)程將直流電逆變?yōu)槿?xiàng)交流電，供給牽引電機(jī)。在制動(dòng)狀態(tài)下，牽引電機(jī)由車輪慣性帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)向相反的電磁力矩的經(jīng)過(guò)逆變器的整流變?yōu)橹绷麟?，回饋給接觸網(wǎng)、第三軌，或由制動(dòng)電阻消耗，最后空氣制動(dòng)輔助。這里主要討論電力牽引與電力制動(dòng)級(jí)位的原理。要解釋牽引制動(dòng)級(jí)位的原理，就要涉及電機(jī)調(diào)速方面的知識(shí)。

2 電機(jī)調(diào)速方法

異步電機(jī)的調(diào)速使之當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，利用人工的方法改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，一般異步電機(jī)調(diào)速方法有變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變頻調(diào)速[1]。

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

：定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速;：轉(zhuǎn)差率;電源頻率;：定子繞組極對(duì)數(shù)。

（1）變極調(diào)速。變極調(diào)速就是改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)來(lái)調(diào)速。如果電源的頻率不變，只要改變定子繞組極對(duì)數(shù)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)隨著改變。電機(jī)定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比變化。變極調(diào)速常用的方法是改變繞組的接法來(lái)獲得多種極對(duì)數(shù)。

變極調(diào)速的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子一般為鼠籠式，因?yàn)槭蠡\式轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能隨定子極對(duì)數(shù)改變而改變，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。

（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速就是通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率調(diào)速，在轉(zhuǎn)矩及負(fù)載恒定時(shí)，改變轉(zhuǎn)差率有幾種方法：

1）在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻，電感，電容;2）改變定子繞組端電壓;3）在定子回路串入外加電阻或電抗。

這種方法在回路中接入附加電阻，會(huì)使電機(jī)效率降低，常用在小容量電機(jī)中。

（3）變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速的靜態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)好，在節(jié)能方面也有優(yōu)勢(shì)，目前是公認(rèn)的交流電機(jī)最理想的調(diào)速方式。

3 地鐵列車級(jí)位原理

地鐵車輛由變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF）控制的逆變器中變頻器（VFD系統(tǒng)）連接電機(jī)，變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

4 控制原理

VFD控制器是一個(gè)固態(tài)電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，由三個(gè)不同的子系統(tǒng)組成：整流橋轉(zhuǎn)換器，直流鏈路和逆變器。在地鐵應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)器被配置為DC-AC驅(qū)動(dòng)器，直流電通過(guò)逆變器的主動(dòng)開(kāi)關(guān)元件轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)正弦交流電壓輸出。

標(biāo)量控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）控制的主要方法，用于改變驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)電壓和頻率。如圖1所示，VFD的樹(shù)狀分支圖。

（1）標(biāo)量控制。目前較為簡(jiǎn)單的一類變頻器是V/f控制（簡(jiǎn)稱標(biāo)量控制），它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對(duì)調(diào)頻過(guò)程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見(jiàn)的有線性V/f控制（用于恒轉(zhuǎn)矩）和平方V/f控制。標(biāo)量控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠、速度穩(wěn)定性不好，矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。

（2）矢量控制。矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制，其中三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流被識(shí)別為兩個(gè)正交分量，可用向量。一個(gè)分量定義了電機(jī)的磁通量，另一個(gè)分量定義了扭矩。變頻器的控制系統(tǒng)根據(jù)變頻器速度控制給出的磁通和轉(zhuǎn)矩參考計(jì)算相應(yīng)的電流分量。磁場(chǎng)定向控制用于控制交流 同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。由于磁場(chǎng)定向控制下電機(jī)尺寸、成本和功耗的優(yōu)勢(shì)，使得這種控制方式在普通電機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越多，隨著微處理器計(jì)算能力的發(fā)展，逐步取代標(biāo)量控制。有兩種矢量控制方法，直接矢量控制（DFOC）和間接矢量控制（IFOC），IFOC更常用，因?yàn)樵陂]環(huán)模式下，這些驅(qū)動(dòng)器更容易在從零速到高速速度弱化。在DFOC，通量量值和角度的反饋信號(hào)被直接使用所謂的電壓或電流模型計(jì)算。在IFOC中，通量空間角前饋和通量幅度信號(hào)首先測(cè)量定子電流和轉(zhuǎn)子速度，然后通過(guò)對(duì)與轉(zhuǎn)子速度相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子角度和對(duì)應(yīng)于滑差頻率滑角的計(jì)算參考值求和來(lái)導(dǎo)出適當(dāng)?shù)耐靠臻g角度。在矢量控制中，交流感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)在所有工作條件下均可控制，即交流電動(dòng)機(jī)像一個(gè)直流電機(jī)的磁鏈和電樞磁鏈由各自的字段和電樞電流垂直對(duì)齊，當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制，磁鏈不受影響，因此可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。有兩種矢量控制方法，直接或反饋矢量控制（DFOC）和間接或前饋矢量控制（IFOC），IFOC更常用，因?yàn)樵陂]環(huán)模式下，這種驅(qū)動(dòng)更容易在整個(gè)速度范圍內(nèi)運(yùn)行，從零速度到高速磁場(chǎng)減弱。在DFOC中，通過(guò)所謂的電壓或電流模型直接計(jì)算通量大小和角度反饋信號(hào)。在IFOC中，通量空間角前饋和通量強(qiáng)度信號(hào)首先測(cè)量定子電流和轉(zhuǎn)子速度，然后通過(guò)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子角和與滑移頻率相對(duì)應(yīng)的滑移角的計(jì)算參考值，得到相應(yīng)的流量空間角。

（3）直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是一種用于變頻器的方法，用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（從而最終控制轉(zhuǎn)速）。這包括根據(jù)測(cè)得的電機(jī)電壓和電流來(lái)計(jì)算電機(jī)磁通量和轉(zhuǎn)矩的估算值。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁通用定子電壓積分而得。而轉(zhuǎn)矩是以估測(cè)的定子磁通向量和量測(cè)到的電流向量?jī)?nèi)積為估測(cè)值。磁通和轉(zhuǎn)矩會(huì)和參考值比較，若磁通或轉(zhuǎn)矩和參考值的誤差超過(guò)允許值，變頻器中的功率晶體會(huì)切換，使磁通或轉(zhuǎn)矩的誤差可以盡快縮小。因此直接轉(zhuǎn)矩控制也可以視為一種磁滯或繼電器式控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊幫文.控制電機(jī)技術(shù)與選用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010（04）：257-258.