牵引变流器变流器工作原理概览

牵引变流器变流器工作原理

1，概述

交流异步电动机的同步转速与电源频率的关系:

⑴

变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。利用半导体功率开关器件如IGBT等变频装置构成变频电源对异步电动机进行调速。

同步转速随电源频率线性地变化，改变频率时的机械特性是一组平行的曲线，类似于直流电机电枢调压调速特性。因此，从性能上来讲，变频调速是交流电机最理想的调速方法。

异步电机电压U1与磁通Φ的关系：

⑵

有⑵式知，若

不变，

与

成反比，如果

下降，则

增加，使磁路过饱

和，励磁电流迅速上升，导致铁损增加，电机发热及效率下降，功率因数降低。如果调节

上升，则

减小，电磁转矩也就跟着减小，电机负载能力下降。由此可见，在

，即给电机提供变压变频电源，才可以获得较

的同时，还要协调地控制

好的调速性能。

由变压变频装置给笼型异步电机供电所组成的调速系统叫做变压变频调速系统，它可以分为转速开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控制系统，可以满足一般要求的交流调速系统。若调速系统对调速系统静、动态性能要求不高的场合，比如风机、水泵等节能调速系统，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系统结构简单，成本也比较低。若要提高静、动态性能，可以采用转速反馈的闭环控制系统。若调速系统对静、动态性能的要求很高，则需要采用模拟直流电机控制的矢量控制系统。矢量控制系统是高动态性能的交流调速控制系统，但是需要进行大量复杂的坐标变换运算，而且控制对象参数的变化将直接影响控制精度。直接转矩控制系统是近十几年来继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流调速系统。它避开了矢量控制的旋转坐标变换，而是直接进行转矩“砰—砰”控制。

地铁列车和电动车组的调速系统 ，对静、动态性能的要求很高，采用矢量控制系统或直接转矩控制系统。地铁列车的牵引系统为直-交变频器，电动车组的牵引系统为交-直-交变频器。

随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。电力电子器件的可控性、模块化、控制手段的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适用性不断增强。随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信不断增强，它不仅可以与设备网的现场总线直接相连，还可以与信息交换实时数据。

2，牵引变流器工作原理

1

牵引变流器将直流电变成电压和频率可变的交流电，并采用采用正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

2.1，电压型PWM变频器主电路的原理图

图1 电压型PWM变频器主电路的原理图

2.2，变频器的调制方式

正弦波脉宽调制（SPWM）。

2.2.1，开关器件的门极驱动信号的产生

由三角波载频信号uc与三相正弦波参考信号ur相比较的方法产生。如图2所示。

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图2 开关器件的门极驱动信号

2.2.2，开关器件IGBT的开关状态

当UＧ为正时，V1导通，V2截止；UＧ为负时，V1截止，V2导通； 当VＧ为正时，V3导通，V4截止；VＧ为负时，V3截止，V4导通； 当WＧ为正时，V5导通，V6截止；WＧ为负时，V5截止，V6导通。

V1～V6共有8种开关状态。其中：6种是工作状态，特点是三相负载接在不同电位上；2种是0开关状态，特点是三相负载接在相同电位上，同时接电源正极，或同时接电源负极。

6种是工作状态为：

① V1、V3 、V6导通，V2、V4 、V5截止，A、B接电源正极，C接电源负极； ② V1、V4 、V5导通，V2、V3 、V6截止，A、C接电源正极，B接电源负极； ③ V2、V3 、V5导通，V1、V4 、V6截止，B、C接电源正极，A接电源负极； ④ V2、V4 、V5导通，V1、V3 、V6截止，A、B接电源负极，C接电源极正； ⑤ V2、V3 、V6导通，V1、V4 、V5截止，A、C接电源负极，B接电源极正； ⑥ V1、V4 、V6导通，V2、V3 、V5截止，B、C接电源负极，A接电源极正。

2种是0开关状态为：

①V1、V3 、V5导通，V2、V4 、V6截止，A、B、C都与电源正极接通； ②V1、V3 、V5截止，V2、V4 、V6导通，A、B、C都与电源负极接通。

2.2.3，A、B、C三点的电位波形

以直流电源负极（0V线）为参考电位。

当UＧ为正时，V1导通，V2截止，UA为正；UＧ为负时，V1截止，V2导通, UA为0； 当VＧ为正时，V3导通，V4截止，UB为正；VＧ为负时，V3截止，V4导通, UB为0； 当WＧ为正时，V5导通，V6截止，UC为正；WＧ为负时，V5截止，V6导通, UC为0。

A、B、C三点电位的波形如图3所示

3

000

图3 A、B、C三点电位的波形

2.2.4，正弦波脉宽调制（SPWM）的特点

这种调制方式的特点是：输出的PWM脉冲波形等幅、变宽，脉冲宽度变化呈正弦分布，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。因此，其调制波形接近于正弦波，谐波分量减少。

当改变参考信号ur的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变ur的频率时，输出电压频率即随之改变。

2.2.5，载波比 载波与基准波的频率比定义为载波比N，N=fc/fr>1，它决定一个周期内电压的脉冲个数。按照载波比不同的处理方式，变频器有同步调制、异步调制和分段调制三种

（1）同步调制 在变频调速时，载波频率与基准波频率同步变化，即载波比N为常数，因此，在逆变器输出电压的一个周期内调制脉冲数是固定的。若取N等于三的倍数，则同步调制能保证逆变器输出的正、负半波对称，也能保证三相平衡。但是，当输出频率很低时，相邻两脉冲的间距增大，谐波分量增加。这会使电机产生较大的转矩脉动和噪声，低速时运转不平稳。

（2）异步调制 在变频器的变频范围内，载波比N不等于常数。在改变基准波频率时保持载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，这样变频器输出电压在一个周期内的脉冲个数可随输出频率的降低而增加，相应地可以减少电机的转矩脉动，改善低速性能。但是，随着载波比的变化，很难保证三相输出间的对称关系，也会影响电机的平稳运行。

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（3）分段同步调制 将同步调制和异步调制结合起来，相互取长补短，形成分段同步调制。把变频器的整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内固定载波比。在不同的频段，N的取值不同，频率越低N越大。用同步调制保证输出波形对称，用分段调制可以改善低速性能，这就是这种方法的优点，也是它广泛采用的原因。

2.3，变频器的控制方式

2.3.1电压频率协调控制

如果变频调速过程中，磁通过大，会使铁心饱和，励磁电流过大会使绕组过热，严重时会烧坏电机；磁通过小时，电机出力不足，输出转矩小，电机的铁心不能充分利用，造成浪费。所以，变频调速时还要同时改变定子电压，以保证电机调速时保持每极磁通量为额定值。由关系式

可知，为了保持Φ恒定，改变频率时，就要相应地改变定子感应电势，使

按照上式确定的控制方法称为恒定电势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电势一般是难以直接测量和控制的。为了便于实现，我们通常采取近似的方法：当电势较高的时候，忽略定子绕组中的电阻压降和漏抗压降，用定子电压代替定子电势，使

这就是恒定压频比的控制方式。不论是恒定电势频率比还是恒定电压频率比都只能在基频以下运行。如果要在基频以上调速运行，频率可以大于额定频率，但是电压 却不能大于额定电压

，只能保持 =

。如果继续增大，这

将使磁通与频率成反比地下降。如图4所示。

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