文自力

（西門子（中國）有限公司株洲分公司 湖南株洲 412001）

變頻調速技術及其在鐵路工程電氣自動化控制的應用

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，在調速傳動的生產(chǎn)領域內，大多采用直流電動機傳動系統(tǒng)，容易獲得良好的動態(tài)響應。但直流電動機在結構上存在接觸式的機械換向器，不僅工藝復雜、價格昂貴，而且在運行中很容易產(chǎn)生換向火花和發(fā)生環(huán)火故障。調速的目的一方面是為了改進動態(tài)性能、滿足工藝要求、提高產(chǎn)品質量、減少損耗、提高效率、節(jié)約能源及滿足某些大容量、高轉速的特殊需要。本文就變頻調速技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀進行了介紹，并以鐵路工程為例，介紹了變頻調速技術在鐵路工程電氣自動化技術中的應用。

鐵路工程；變頻技術；電氣自動化；控制分析

前言

電力驅動裝置被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和日常生活中。執(zhí)行機構由直流電動機驅動，則稱為直流電氣傳動系統(tǒng)，執(zhí)行機構由交流電動機驅動，則稱為交流電氣傳動系統(tǒng)。根據(jù)負載對象的運行要求，電氣傳動可分為恒速系統(tǒng)和調速系統(tǒng)。受當時科學技術的制約，直流電傳動用于高性能的調速系統(tǒng)，而交流傳動多用于恒速系統(tǒng)。目前交流傳動已經(jīng)進入電氣傳動調速控制的各個領域，從工業(yè)傳動到機車牽引，從單機傳動到多機協(xié)調運轉，以實現(xiàn)了廣泛的應用。同時許多國家已實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，逐步取代直流調速系統(tǒng)，變頻調速技術已經(jīng)越來越成熟。本文就變頻調速技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀進行了介紹，并以鐵路工程為例，介紹了變頻調速技術在鐵路工程電氣自動化技術中的應用。

1 變頻調速技術的發(fā)展歷程介紹

60年代，隨著電力電子技術的發(fā)展和變頻調速裝置的研制成功，交流調速方法重新受到人們的重視，成為電動機調速的發(fā)展方向。70年代中期，在世界范圍內出現(xiàn)能源危機，節(jié)約能源成為人們關注的問題。許多過去一般不調速的傳動裝置，如風機、水泵等類負載，為了減少無謂的電能損失，也都采用了調速傳動。由此，對交流電動機調速技術的發(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的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術的應用，交流傳動調速技術取得了突破性的進展，逐步具備了調速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應快以及可作四象限運行等優(yōu)良的技術性能。目前，交流傳動已經(jīng)作為一種完全肯定的系統(tǒng)，正大舉進入電氣傳動調速控制的各個領域。許多國家已實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，而逐步取代直流調速系統(tǒng)。

2 變頻調速技術原理分析及應用介紹

應用交流調速傳動系統(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)等技術進行大量研究，也必須對變頻電機的理論、設計和制造技術進行充分的研究。變頻調速技術是20世紀80年代末興起的一種新型電力傳動調速技術，其優(yōu)異的調速性能、顯著的節(jié)電效果在國民經(jīng)濟各領域有著廣泛的適用，是電氣傳動的發(fā)展方向。變頻調速通過改變電機頻率和改變電壓來達到電機調速目的。常見的變頻技術有交-交變頻技術和交-直-交變頻技術。

2.1 交-交變頻技術基本原理分析

交-交變頻技術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，所以在變頻領域其逐漸被淘汰。

2.2 交-直-交變頻技術基本原理分析

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控下，用逆變器接直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相交流電源，使輸出波形近似正弦波，輸出到需要調速的電動機。

2.3 變頻調速基本原理及影響因素介紹

變頻調速是在頻率發(fā)生變化后，電動機仍在該頻率的同步轉速附近運行，轉速損失不增加的調速方式?？梢哉f變頻調速是一種高效的調速方式，調速范圍可達1～100%，并在整個調速范圍內具有較高的調速效率。變頻調速方式尤其適合于調速范圍寬、負荷經(jīng)常變化運行的設備。選擇最佳運轉速度，可實現(xiàn)低速啟動、平滑調速。最高速度不受電源影響，電動機可以高速化、小型化。根據(jù)電機學的原理可知：異步電動機的轉速與頻率有以下關系：

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

2.4 關于機車牽引中變頻調速系統(tǒng)的調節(jié)特性

通常電力機車的牽引運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)。當電動機的氣隙磁通保持不變，則電動機可以在任何轉速下發(fā)揮很大的轉矩。在這種情況下只要限定轉差頻率，即可得到恒定的轉矩。當轉差頻率的限定值越接近于臨界轉差頻率，則獲得的轉矩越大，在整個速度范圍內發(fā)出相同的最大轉矩，利用這一性能，即可滿足機車以不變的牽引力起動的要求。隨著電機轉速的上升，電壓提高，電機的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動機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。此后電動機將以恒功率輸出為條件進行電壓和頻率的控制。當位于自然特性區(qū)時，電機端壓和轉差頻率均維持不變，從轉矩公式可知，電機轉矩與逆變器頻率的平方成反比減少。

3 變頻調速技術在鐵路工程電氣自動化控制的應用

3.1 基于變頻控制技術的車載輔助逆變電源在鐵路工程中的應用

隨著電氣設備的發(fā)展，基于變頻控制技術的車載輔助逆變電源在鐵路工程的應用越來越廣泛。輔助逆變電源主要將直流電轉化成穩(wěn)定三相交流電，供車載空壓機等輔助設備使用，電氣工作者基于正弦脈沖寬度調制和變頻調制，設計了車載逆變輔助電源，并采用高速驅動模塊、單片機和芯片產(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構簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠，適合于中、小功率的應用場合，在鐵路機車中應用可很好實現(xiàn)變頻調速的目的，實現(xiàn)鐵路的高效化運行。

3.2 基于自調頻同步電動機在鐵路工程電氣化控制中的應用

變頻調速系統(tǒng)中的另一類電機是自調頻同步電動機，與普通同步電機相比，在結構上沒有什么差別，但在設計參數(shù)時，除考慮系統(tǒng)的運行性能對電機的要求外，其主要問題是電機的電抗參數(shù)設計和選擇，以便影響逆變器的換流穩(wěn)定性。在換流期間，電機有兩相繞組串接在換流回路中，由于轉子對電樞磁場有相對運動，轉子系統(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?？梢杂迷陔姍C磁極上裝設阻尼繞組的辦法來解決，這也是自調頻同步電動機設計中的一個重要特點。該類電機在目前電力機車中的應用可在機車驅動中發(fā)揮重要作用，有效的達到了節(jié)能的目的。

4 結語

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

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2016-6-10