【文章內(nèi)容簡介】 S4構(gòu)成一個橋式電路； S S2構(gòu)成一個橋臂， S S4構(gòu)成另一個橋臂，形成兩橋臂結(jié)構(gòu)；具有降壓特性。 圖 21 典型逆變電路圖 (4)兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理 15 圖 22兩橋臂逆變工作原理圖 同一橋臂的兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通；改變開關(guān)切換周期，可改變輸出交流點頻率；電阻負(fù)載時，負(fù)載電流 i0 和 u0 的波形相同，相位也相同；阻感負(fù)載時， i0相位滯后于 u0，波形也不同。 圖 23 逆變原理圖 (5)逆變電路的分類 直流側(cè)是 電壓源：電壓型逆變電路 —— 又稱為電壓源型逆變電路。 直流側(cè)是電流源：電流型逆變電路 —— 又稱為電流源型逆變電路。 (6)電壓型逆變電路的特點 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動；輸出電壓為矩形波，16 輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。 圖 24 電壓型逆變電路圖 逆變器的作用 原理： 將交流電變?yōu)橹绷麟?.然后用電子元件對直流電進行開關(guān) .變?yōu)榻涣麟?. 工作過程一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路四大過程。 1）整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊。 2）平波電路平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源 6 倍頻率脈動電壓，此外 逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸 收脈動電壓 (電流 )，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省 去電感而采用簡單電容濾波平波電路。 3）控制電路 現(xiàn)在變頻調(diào)速器基本系用 16 位、 32 位單片機或 DSP 為控制核心，從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電路，控制電路由以下電路構(gòu)成 :頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電 流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”。運算電路的控制信號送至“驅(qū)動電路”以 及逆變器和電動機的“保護電路變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉(zhuǎn)拒控制、 PID 或其它方式。 4）逆變電路 逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出 端 U、 V、 W 三相上得到相位互差 120176。電角度的三相交流電壓。 17 SPWM 控制技術(shù) SPWM 逆變器的工作原理：其期望輸出電壓波形為正弦波的逆變器 .就目前的技術(shù)而言 ,還不能制造出功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可變頻變壓的逆變器目前所采用的一種基于等效原理的易實現(xiàn)的方法 :就是使逆變器的輸出波形為一系列與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖波形 . 等效的原則 :每一等分區(qū)間內(nèi)正弦波的面積與矩形波的面積相等 ,具體等效方法如圖所示。 圖 25SPWM 等效波形圖 根據(jù)采樣控制理論的重要原理 — 沖量等效原理（大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同）知道，大小、波形不同的兩個窄脈沖電壓（如圖 26所示，在某一時間段的正弦電壓與同一時間段的等幅脈沖電壓）作用于 L、 R 電路時，只要兩個窄脈沖電壓的沖量相等，則它們所形成的電流響應(yīng)就相同。 圖 26SPWM 脈沖電壓圖 因此，要使 PWM 電壓波在每一時段都與該時段中正弦電壓等效，除每一時間段的面積相等外，每個時間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈沖數(shù)量很多。脈沖數(shù)越多，不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度的多脈沖電壓就越等效于正弦電壓。t?0Ot?uu18 從另一方面分析對開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)進行適時適當(dāng)?shù)目刂?，使多脈沖的矩形脈沖電壓寬度按正弦規(guī)律變化時，通過傅里葉分析可以得知，輸出電壓中除基波外僅含某些高次諧波而消除了許多低次諧波，開關(guān)頻率越高，脈沖波數(shù)越多，就能消除更多的低次諧波。 電流型逆變器 電流型逆變器工作原理 逆變器是一種 DC to AC 的變壓器，它其實與轉(zhuǎn)化器是一種電壓逆變的過程。轉(zhuǎn)換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的 12V 直流輸出，而逆變器是將 Adapter輸出的 12V 直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個部分同樣都采用了用得比較多的脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)。其核心部分都是一個 PWM 集成控制器， Adapter 用的是 UC3842，逆變器則采用 TL5001 芯片。 TL5001 的工作電壓范圍 ～ 40V，其內(nèi)部設(shè)有一個誤差放大器，一個調(diào)節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的 PWM 發(fā)生器、低壓保護回路及短路保護回路等。輸入接口部分：輸入部分有 3 個信號， 12V直流輸入 VIN、工作使能電壓 ENB 及 Panel 電流控制信號 DIM。 VIN 由 Adapter 提供， ENB電壓由主板上的 MCU 提供，其值為 0或 3V，當(dāng) ENB=0 時，逆變器不工作，而 ENB=3V 時，逆變器處于正常工作狀態(tài)；而 DIM 電壓由主板提供，其變化范圍在 0～ 5V 之間，將不同的 DIM 值反饋給 PWM 控制器反饋端，逆變器向負(fù)載提供的電流也將不同， DIM 值越小，逆變器輸出的電流就越大。 PWM 控制器：有以下幾個功能組成：內(nèi)部參考電壓、誤差放大器 、振蕩器和 PWM、過壓保護、欠壓保護、短路保護、輸出晶體管。 直流變換：由 MOS 開關(guān)管和儲能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經(jīng)過推挽放大器放大后驅(qū)動 MOS 管做開關(guān)動作，使得直流電壓對電感進行充放電，這樣電感的另一端就能得到交流電壓。 LC 振蕩及輸出回路：保證燈管啟動需要的1600V 電壓，并在燈管啟動以后將電壓降至 800V。輸出電壓反饋：當(dāng)負(fù)載工作時，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定 I 逆變器電壓輸出的作用。 電流型逆變器特點 電流型逆變電路有以下主要特點： 1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 2) 電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載19 阻抗情況的不同而不同。 3) 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向。 電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，就其換流方式而言，有的采用負(fù)載換流，有的采用強迫換流。 電壓型逆變器的工作原理 逆變電路直流側(cè)電源是電壓源的稱為電壓型逆變電路（ Voltage Source Type Inverter－－ VSTI)。 圖 27是一個三相電壓型逆變電路的主電路。直流電源采用 相控整流電路 ，由普通 晶閘管 組成。逆變電路由 6 個導(dǎo)電臂組成 ,每個導(dǎo)電臂均由具有自關(guān)斷能力的全控型器件及反并聯(lián)二極管組成，所以實際上也是一種全控型逆變電路。負(fù)載為感性，星形接法，在整流電路和逆變電路之間并聯(lián)大電容Cd。由于 Cd的作用，逆變?nèi)攵穗妷浩交B續(xù)，直流電源具有電壓源性質(zhì)。 20 圖 27三相電壓型逆變電路，輸出電壓波形 逆變電路中各全控器件控制極電壓信號的時序如圖 2b 所示。信號脈寬為180176。，每隔 60176。有一次脈沖電平的變化，任何時刻有 3個脈沖處于高電平。相應(yīng)地在主電路中也有 3個導(dǎo)電臂處于導(dǎo)通狀態(tài)。例如有 K1K2 K3導(dǎo)通（ K1為導(dǎo)電臂代號 ,含全控元件 T1和反并聯(lián)二極管 D1，余類推），則各相對負(fù)載中點 O 間的電位各為 依此類推，可得 uAO 波形如圖 2c 所示。其他兩相 uBO 和 uCO 波形分別滯后于 uAO120176。和 240176。根據(jù) uAB=uAO－ uBO，可得 uAB 波形如圖 2e 所示。由圖可見，逆變電路輸出電壓 uAB、 uBC 和 uCA 是分別互差 120176。的交變四階梯波。該波形不隨負(fù)載而異，其重復(fù)頻率 f 取決于控制極信號的重復(fù)頻率，方波幅值 Ud則取決于直流電源電壓，從而實現(xiàn)逆變目的。 特點：①由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。由圖 1a 可見 ,A 相電流 iΑ 可視為六階梯波相電壓 uAO 對負(fù)載 ZΑ作用的成果。 iΑ的變更規(guī)律取決于 ZΑ的性質(zhì)。例如在純阻負(fù)載時， iΑ也為六階梯波；在感性負(fù)載時則分段按指數(shù)曲線升降等。 ②只有單方向傳遞功率的功效。 在圖 1中由于直流電源是由晶閘管組成的相控整流電路，其輸出電流 id 方向不能轉(zhuǎn)變；直流側(cè)又并聯(lián)大電解電容 Cd，因此輸出電壓平均值 Ud 極性也不能轉(zhuǎn)變，因此逆變?nèi)攵斯β势骄?PB 恒大于零，即電能只能由直流側(cè)經(jīng)逆變電路輸向負(fù)載而不能沿相反方向由負(fù)載反饋回電網(wǎng)。 21 ③故障電流較難克制。由于逆變?nèi)攵瞬⒙?lián)大電容 Cd，當(dāng)逆變側(cè)短路時， Cd中電能將釋放出來，形成浪涌短路電流。 應(yīng)用領(lǐng)域：電壓型逆變電路主要用于兩方面：①籠式交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于逆變電路只具有單方向傳遞電能的功能，故比較適用于穩(wěn)態(tài)運行、無需頻繁起制動和加、減速的場合。 ②不停電電源。該電源在逆變輸入端并接蓄電池，類似于電壓源。 22 第三章：城軌車輛直 交型牽引傳動系統(tǒng) 城 軌車輛直 交型牽引傳動系統(tǒng)主電路及其工作原理分析 城軌車輛牽引傳動 （ 1） 城市軌道交通車輛主傳動可分為直流傳動和交流傳動兩種： 直流傳動 —— 直流牽引電動機的調(diào)速，有兩種基本形式；變阻控制和斬波調(diào)壓控制。交流傳動 —— 交流牽引電動機變頻調(diào)速，多采用轉(zhuǎn)差頻率控制或磁場定向式矢量控制，近年來也已開始采取直接力矩控制。 （ 2） 電力牽引控制 定義：在軌道交通車輛中，用電動機驅(qū)動實現(xiàn)車輛牽引的傳動控制方式（電傳動系統(tǒng)） 作用：它是以牽引電機作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電動機的速度和牽引力進行調(diào)節(jié)，滿足車輛前因特征的要求。 類型：直流傳動系統(tǒng)，采用直流（脈流）牽引電動機。交流傳動系統(tǒng)，采用交流（同步、異步）牽引電動機。 （ 3） 電傳動系統(tǒng)主電路 定義：一般指一個車輛單元的牽引動力電路。 組成：受流器、牽引箱（ PA）、牽引電機、制動電阻箱、電抗器、電氣開關(guān)等。 交流主傳動控制 (1) 交直流牽引電機的原理分析 交流電動機的優(yōu)點：沒有換向器、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、壽命長、維修與運行費用低、防控轉(zhuǎn)性能好等。目前城市軌道交通車輛普遍采用的是交流異步牽引電動機。 1)三相異步電動機的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速 三相異步電動機最基本的工作原理之一是在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)和正弦分布的磁場。 旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 與電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)23 速之比稱為轉(zhuǎn)差率 s： s=（ n） 100% 異步電動機的轉(zhuǎn)速為： n= （ 1s） =（ ）（ 1s） 式中： 定子頻率， ； P電動機極對數(shù)； S轉(zhuǎn)差率。 2)等效電路： 異步電動機的本質(zhì)：可看成一個具有旋轉(zhuǎn)和短路的次級繞組的三相變壓器。 圖 31 交流異步電動機等效回路 特性：根據(jù)圖 31（ c）所示每相等效電路，可以求出感應(yīng)電動機的各項特性。 電流：一次負(fù)載電流： = 一次電流 ： = + ；（ 勵磁電流， A。） （ 2）功率 由定子向轉(zhuǎn)子輸入的電磁功率 ,消耗在負(fù)載（ r/s）上的功率為 =，轉(zhuǎn)子銅損為：，轉(zhuǎn)子輸出的機械功率 == 3）轉(zhuǎn)矩 24 一般電動機的輸出機械功率可表示為： =T 轉(zhuǎn)差率為 s的異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩 T為： T=== 當(dāng)頻率和電源電壓恒定時，上式是轉(zhuǎn)差率 s的函數(shù)。 4）轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速曲線： 轉(zhuǎn)差率由 1到 0時異步電動機的力矩、負(fù)載電流和一次電流變化曲線圖 32 異步電動機的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線： 圖 32 異步電動機的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線 電源的頻率、電壓變化時，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線： 25 圖 33 異步電動機基本特性曲線的變化 圖 33（ c）：不同定子電壓下的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速曲線。 圖 33（ b）：若增加定子頻率而電壓保持恒定，轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速曲線。 圖 33(d):電壓 /頻率 =常數(shù)時轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速曲線。 轉(zhuǎn)矩對定子電流的靈敏度很高，控制定子電流可具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。 電源電壓與頻率之比保持恒定改變頻率，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線： 圖 34 V/f 恒定時異步電動機基本特性曲線的變化 結(jié)論：穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速要比最大力矩轉(zhuǎn)速稍大。 26 交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制 交流調(diào)速理論的重大突破：矢量控制理論的提出。矢量控制的定義：交流電機模擬成直流電機來控制，通過坐標(biāo)邊換來實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后