【正文】 VVVF技術(shù)在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè) 班 級(jí)： 指 導(dǎo) 教 師： 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要城市軌道交通車輛的牽引電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期以來都普遍采用直流旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。其傳動(dòng)方式有變阻控制和斬波調(diào)壓控制。變阻控制在老式城市軌道車輛上普通使用，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于車頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，使20%的電能消耗在電阻上，這種方式大多已被淘汰。 最新發(fā)展的交流牽引電動(dòng)機(jī)采用變頻變壓控制（VVVF）的調(diào)速方式，它使用逆變器將直流換成為交流，以電壓和頻率的變化來控制交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已被公認(rèn)為在調(diào)速性能和節(jié)能上是最為先進(jìn)的調(diào)速方式，它與交流電機(jī)配合，無換向部分，運(yùn)行可靠，過載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，幾乎不須維修，現(xiàn)已在德國(guó)、日本等國(guó)已經(jīng)得到了應(yīng)用。它也是今后城市軌道交通車輛發(fā)展的趨勢(shì)。 根據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，廣州本田公司已用200臺(tái)變頻電車取代了152臺(tái)電阻式控制的舊電車和48臺(tái)斬波控制電車。在實(shí)際的營(yíng)運(yùn)路線上，分別對(duì)各種電車進(jìn)行了耗電測(cè)定測(cè)量結(jié)果表明，%。根據(jù)他們對(duì)200臺(tái)新型變頻車與200臺(tái)舊車一年的耗電量比較計(jì)算，新型車的耗電約減少24%。由此可見采用變頻技術(shù)的車輛節(jié)電效果十分明顯。因此，我國(guó)電子工業(yè)部在電子工業(yè)早在“九五”規(guī)劃中就將以變頻牽引裝置為代表的節(jié)能技術(shù)列為發(fā)展的重點(diǎn)。由于交流變頻傳動(dòng)比直流傳動(dòng)有著粘著利用高，幾乎無需維護(hù)，運(yùn)行可靠及節(jié)約能源等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而除干線鐵路外，對(duì)城市軌道交通用地鐵與輕軌列車發(fā)展交流變頻調(diào)速傳動(dòng)是當(dāng)前必然的趨勢(shì)。 如上所述，目前在750VDC系統(tǒng)下運(yùn)行的地鐵中采用成熟的批量生產(chǎn)的價(jià)廉的耐壓1200V TGBT構(gòu)成三點(diǎn)式逆變器實(shí)現(xiàn)地鐵車輛交流傳動(dòng)方案，造價(jià)不貴，也是符合現(xiàn)在城市軌道機(jī)車發(fā)展的趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：城軌車輛；VVVF；GTO；IGBT I 目 錄摘 要 I引 言 11變頻器調(diào)速基礎(chǔ)理論概述 2 變頻技術(shù) 2 2 變頻技術(shù)的發(fā)展方向 5 變頻器的分類 62 變頻調(diào)速的基本原理 9 VVVF傳動(dòng)技術(shù) 11 PWM控制技術(shù) 13 PWM逆變?cè)?14 15 15 16 16 18 直接轉(zhuǎn)矩控制 203　變頻器在城軌車輛中的應(yīng)用 22 交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 22 變頻牽引技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用情況 22 變頻牽引技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況 23致 謝 25參 考 文 獻(xiàn) 26 III 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)引 言早期地鐵車輛是蒸汽牽引，1890年改為電力牽引后一直采用直流電動(dòng)機(jī)牽引，由凸輪變阻調(diào)速控制，后來發(fā)展到斬波器調(diào)速控制。20世紀(jì)90年代由于電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率自關(guān)斷元器件(GTO、IGBT、IPM)走向產(chǎn)品化和實(shí)用化，變頻變壓調(diào)速控制(VVVF)技術(shù)迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)車輛廣泛應(yīng)用用于城軌交通。日本東京、大阪、名古屋等城市地鐵從1991年開始新造地鐵車全部采用lGBT或IPM的VVVF交流傳動(dòng)裝置。巴黎地鐵和德國(guó)法蘭克福地鐵新造車也開始采用交流傳動(dòng)車輛。英國(guó)、俄國(guó)斯、美國(guó)、韓國(guó)、墨西哥、西班牙等國(guó)家城軌交通都在訂購交流傳動(dòng)車輛。交流傳動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、微機(jī)控制及診斷系統(tǒng)是城軌車輛的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件。目前，我國(guó)城軌車輛的交流傳動(dòng)裝置，包括輔助電源供電設(shè)備以及微機(jī)控制與診斷系統(tǒng)，全部由國(guó)外西門子公司、阿爾斯通公司、龐巴迪公司和東芝公司等提供產(chǎn)品與軟件。由株洲電力機(jī)車研究所自主開發(fā)的城軌車輛交流傳動(dòng)裝置至今還沒有裝車投入運(yùn)行，還沒有自己品牌的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)裝置基本上由克諾爾公司和日本NABCO公司提供產(chǎn)品，由四方車輛研究所和鐵科院機(jī)輛所負(fù)責(zé)開發(fā)的城軌車輛制動(dòng)裝置仍處于樣品階段，還沒有裝車投入運(yùn)用考核。因此，加速上述關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化是當(dāng)務(wù)之急。1變頻器調(diào)速基礎(chǔ)理論概述 變頻技術(shù)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中需要變頻變壓技術(shù)，其主要用途是：（1）標(biāo)準(zhǔn)50Hz電源　用于人造衛(wèi)星、大型計(jì)算機(jī)等特殊要求的電源設(shè)備，對(duì)其頻率、電壓波形和幅值及電網(wǎng)干擾等參數(shù)，均有很高的精度要求。（2）不間斷電源（UPS）平時(shí)電網(wǎng)對(duì)蓄電池充電，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障停電時(shí)，將蓄電池的直流電逆變成50Hz的交流電，對(duì)設(shè)備臨時(shí)供電。（3）中頻裝置　廣泛用于金屬熔煉、感應(yīng)加熱及機(jī)械零件的淬火燒火。（4）變頻調(diào)速　用三相變頻器產(chǎn)生頻率、電壓可調(diào)的三相變頻電源，對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。簡(jiǎn)單地說，變頻技術(shù)就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電等技術(shù)的總稱?？傊?，這一切都是電能不發(fā)生變化，而只有頻率發(fā)生變化。變頻技術(shù)的類型主要有以下幾種：（1）交－直變頻技術(shù)（即整流技術(shù)）它是通過二級(jí)管整流、二級(jí)管續(xù)流或晶閘管、功率晶體管可控整流實(shí)現(xiàn)交－直流（0Hz）功率轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換多屬于工頻整流。（2）直－直變頻技術(shù)（即斬波技術(shù)）它是通過改變電力電子器件的通斷時(shí)間即改變脈沖的頻率（定寬變頻），或改變脈沖的寬度（變頻調(diào)寬），從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流平均電壓的目的。（3）直－交變頻技術(shù)（即逆變技術(shù)） 在電子學(xué)中，振蕩器利用電子放大器件將直流電變成不同頻率的交流電甚至電磁波，又稱為振蕩技術(shù)。在變頻技術(shù)中，逆變器則利用功率開關(guān)將直流電變成不同頻率的交流電又稱為逆變技術(shù)。(4）交－交變頻技術(shù)（即移相技術(shù)）它通過控制電子電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流無觸點(diǎn)的開關(guān)、調(diào)壓、調(diào)速等目的。主要應(yīng)用于大功率、低速度的場(chǎng)合。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。自20世紀(jì)60年代以來，電子電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管），BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體）等、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）等，器件的更新促使電子變換技術(shù)不斷發(fā)展。自20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM－VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式。20世紀(jì)80年代后半期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。VVVF變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)平滑調(diào)速要求，已在生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，在代應(yīng)時(shí)這種控制方式，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)。矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流īa、īb、īc、通過三相二相就換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流īal、ībl、再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流ImIt1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。圖 矢量控制的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直