李標(biāo)

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100027）

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源的開(kāi)采，近些年中國(guó)面臨的能源危機(jī)和環(huán)保問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，而20 世紀(jì)80 年代興起的變頻調(diào)速技術(shù)不僅滿足了工業(yè)化生產(chǎn)的需要，更是開(kāi)啟了一個(gè)智能電機(jī)的時(shí)代，科學(xué)合理應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)能夠降低能耗，達(dá)到節(jié)約資源的目的[1]?，F(xiàn)階段，鐵路工程電氣自動(dòng)化控制中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)可控制能源的損耗，為建設(shè)美麗中國(guó)和生態(tài)中國(guó)獻(xiàn)出重要力量。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷程介紹

20 世紀(jì)60 年代，電力電子技術(shù)得到前所未有的發(fā)展，變頻調(diào)速裝置開(kāi)始走入人們的視線，交流調(diào)速方法成為一種重要的調(diào)速方法。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界各國(guó)都在大力開(kāi)采能源的力度。

到了20 世紀(jì)70 年代的中期，世界各國(guó)都開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的能源危機(jī)，人們開(kāi)始意識(shí)到節(jié)約能源的重要性。為了防止過(guò)度浪費(fèi)電力資源，風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載類(lèi)的傳動(dòng)裝置也開(kāi)始采用調(diào)速傳動(dòng)，這為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。

時(shí)間推進(jìn)到20 世紀(jì)90 年代，伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，大量的大功率電力電子器件出現(xiàn)，微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)也發(fā)展迅速，這就進(jìn)一步推動(dòng)了交流傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使交流傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)具備了可作四象限運(yùn)行、高調(diào)速范圍、高靈敏度和高精度等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)階段，交流傳動(dòng)已經(jīng)在各個(gè)電氣傳動(dòng)調(diào)速控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并且正在逐漸淘汰直流調(diào)速系統(tǒng)。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

2 變頻調(diào)速技術(shù)原理分析及應(yīng)用介紹

在電氣傳統(tǒng)調(diào)速中應(yīng)用交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)調(diào)速傳動(dòng)的高靈敏性、高精度控制，而且降低了能源的損耗，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。為了增強(qiáng)交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的控制效果，就必須靈活應(yīng)用變頻電機(jī)理論，把握電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)電力電子器件、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面深入的研究。變頻調(diào)速技術(shù)最早可追溯到20 世紀(jì)80 年代，變頻調(diào)速技術(shù)的主要原理為調(diào)整電機(jī)頻率和電壓，這種先進(jìn)、新型的電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，具有技術(shù)性能優(yōu)良，節(jié)點(diǎn)效果等優(yōu)點(diǎn)，其中變頻調(diào)速技術(shù)還有交—交變頻技術(shù)和交—直—交變頻技術(shù)之分。變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

圖1 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 交—交變頻技術(shù)基本原理分析

交—交變頻技術(shù)常用于大功率的交流調(diào)速中，其工作原理較為簡(jiǎn)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(shù)的最高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的1/3，應(yīng)用范圍較為有限，正被逐步淘汰。

2.2 交—直—交變頻技術(shù)基本原理分析

交—直—交變頻技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)的另一種常見(jiàn)技術(shù)，該變頻技術(shù)的基本原理為先將市電整流變成直流電源，接著再根據(jù)實(shí)際變頻的需要選擇恰當(dāng)?shù)淖冾l方式，將直流電源變?yōu)榻涣麟?。按照變頻方式的不同，交—直—交變頻技術(shù)又可再細(xì)分為諧振變頻和方波變頻兩種。這種變頻技術(shù)的電路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成，考慮到中間濾波環(huán)節(jié)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(diào)速基本原理及影響因素介紹

變頻調(diào)速是一種先進(jìn)、高效的調(diào)速技術(shù)，調(diào)速范圍大，最小1%，最大為100%，并且改變頻率后電動(dòng)機(jī)能夠保持同步轉(zhuǎn)速，確定最佳運(yùn)轉(zhuǎn)速度，且能夠達(dá)到低速啟動(dòng)和平滑調(diào)速目的，適用于調(diào)速范圍寬，負(fù)荷變化大的電機(jī)設(shè)備。結(jié)合電機(jī)學(xué)原理確定異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系公式如下：

式中：f-電源頻率，Hz；s-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，r/min；p-電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。在確定p 和s 后，電源頻率越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，因而可以調(diào)整控制電源頻率來(lái)調(diào)整達(dá)到變頻調(diào)速的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速n 的控制。

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

一般情況下，電力機(jī)車(chē)的牽引運(yùn)行系統(tǒng)主要可以劃分三大區(qū)域，具體包括起動(dòng)加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)及自然特性區(qū)。若在電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下，那么無(wú)論電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生何種變化，其轉(zhuǎn)矩就都會(huì)是一個(gè)較大的值。在此基礎(chǔ)上，只要限制轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以控制轉(zhuǎn)矩，得到一個(gè)固定的值，并且如果這個(gè)轉(zhuǎn)差頻的限定值和臨界轉(zhuǎn)差頻率的數(shù)值相差越小，最后獲得的轉(zhuǎn)矩就越大，總體呈反比增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

借助這一原理，只需要在整個(gè)速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)差頻率，并進(jìn)一步得到相同的最大轉(zhuǎn)矩就可以適應(yīng)機(jī)車(chē)牽引的實(shí)際，達(dá)到以不變的牽引力啟動(dòng)的目的。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電機(jī)的輸出頻率關(guān)系為正相關(guān)，但是電壓并不能無(wú)限制的增高，其會(huì)受到電動(dòng)機(jī)功率等因素的影響。在電壓不能再增高時(shí)或者已經(jīng)達(dá)到數(shù)值要求時(shí)，電動(dòng)機(jī)將以恒定功率作為參照，以此作為限制條件，干預(yù)電壓和電壓頻率。按照區(qū)域劃分，當(dāng)機(jī)車(chē)牽引中變頻調(diào)速系統(tǒng)在三大分區(qū)中的自然特性區(qū)，系統(tǒng)將使電機(jī)端壓和轉(zhuǎn)差頻率保持原態(tài)，根據(jù)前文中提到的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系分析的結(jié)論，最后可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和逆變器頻率兩者的平方為反相關(guān)。

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

當(dāng)前，為了提高鐵路工程電氣自動(dòng)化控制水平和節(jié)約能源，國(guó)家鐵路部門(mén)大力支持變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)調(diào)研結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段鐵路工程電氣自動(dòng)化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下兩個(gè)方面：

3.1 基于變頻控制技術(shù)的車(chē)載輔助逆變電源的應(yīng)用

現(xiàn)階段，為了增強(qiáng)鐵路工程建設(shè)電源的穩(wěn)定性，保障各類(lèi)輔助設(shè)備安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，電氣工作者應(yīng)該以電氣自動(dòng)化的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，以先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)作為技術(shù)指導(dǎo)，設(shè)計(jì)正弦脈沖寬度調(diào)制和變頻調(diào)制為基礎(chǔ)的車(chē)載輔助逆變系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流電三相交流間的相互轉(zhuǎn)化，控制電氣設(shè)備出現(xiàn)故障的概率[3]。此外，在不同的情況下電氣設(shè)備所要滿足的變頻頻率也是不一樣的，因而，還應(yīng)在車(chē)載輔助逆變系統(tǒng)上增加設(shè)計(jì)高速驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)和芯片，控制芯片的增設(shè)使整個(gè)車(chē)載輔助逆變電源的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，性能也更加穩(wěn)定。在鐵路工程電氣自動(dòng)化中應(yīng)用這種基于變頻控制技術(shù)的車(chē)載輔助逆變系統(tǒng)，能夠高效調(diào)控各類(lèi)電氣設(shè)備及輔助設(shè)備的頻率和速度。

3.2 自調(diào)頻同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

目前，自調(diào)頻同步電動(dòng)機(jī)和普通同步電機(jī)是電氣化控制中使用最多的兩種電機(jī)類(lèi)型，這兩類(lèi)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的差別較小，主要的差別集中在電機(jī)參數(shù)的設(shè)置上。為了保證逆變器換流的穩(wěn)定性和安全性，應(yīng)立足于電機(jī)具體的運(yùn)行需要，結(jié)合電機(jī)電抗參數(shù)，進(jìn)而確定最佳的電機(jī)參數(shù)。調(diào)查當(dāng)前我國(guó)鐵路工程電氣系統(tǒng)的具體運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，逆變器在換流過(guò)程中電樞磁場(chǎng)會(huì)受到轉(zhuǎn)子阻尼的影響。為了控制轉(zhuǎn)子阻尼，可選擇在電機(jī)磁極上增加設(shè)計(jì)一個(gè)阻尼繞組。是否裝設(shè)阻尼繞組也是自調(diào)頻同步電動(dòng)機(jī)區(qū)別普通同步電機(jī)電主要特征。在鐵路電力機(jī)車(chē)中應(yīng)用自調(diào)頻同步電機(jī)能夠有效增強(qiáng)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)的安全性，實(shí)現(xiàn)降低損耗、節(jié)約能源的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，在鐵路工程電氣自動(dòng)化控制中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)要樹(shù)立全局觀念，以鐵路工程電氣設(shè)備的實(shí)際需要為切入點(diǎn)，不斷完善電氣運(yùn)行系統(tǒng)，優(yōu)化升級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)，才能為鐵路工程的建設(shè)事業(yè)掃清障礙。