【正文】 一些。由知越小，越大，機械特性就越硬。特別是研究變頻后的電動機機械特性，、就顯得尤其重要。因此調(diào)速方法可分為三類，改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變電動機極對數(shù)調(diào)速、調(diào)頻調(diào)速。（3）變頻調(diào)速方法：變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。異步電機的軸轉(zhuǎn)速為，其中為異步電機的轉(zhuǎn)差率，由上面的公式可以看出，改變電源的供電頻率可以改變電機的轉(zhuǎn)速。任何電動機的電磁轉(zhuǎn)矩都是磁通和電流相互作用的結(jié)果，主磁通小了，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機的負(fù)載能力下降。主磁通是由勵磁電流產(chǎn)生的，兩者之間的關(guān)系是由磁化特性決定的。由上式可見主磁通是由和共同決定的，如果保持和 之比不變，就可以保持主磁通不變 因此調(diào)頻調(diào)速可分為以下兩種情況:1. 基頻以下調(diào)速由上式可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使只要保持為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。根據(jù)電機端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式： 式中: 定子相電壓； 定子電阻；定子阻抗；定子電流。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時，與都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時就要求感應(yīng)電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用電源電壓≈來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當(dāng)然存在一定的誤差。當(dāng)?shù)臄?shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，≈所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)?shù)臄?shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足≈。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。一種簡單的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補償法。，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。當(dāng)電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。隨著變頻調(diào)速異步電動機在國內(nèi)外市場上日益擴大應(yīng)用。據(jù)資料顯示，我國對于變頻凋速三相異步電動機的品種不斷擴大，產(chǎn)品設(shè)計也不斷改進。CRH3 型動車組采用4 極三相異步電動機及轉(zhuǎn)向架架懸方式，牽引電機橫向安裝在轉(zhuǎn)向架上，的電機參數(shù)如下所示。CRH3型動車組牽引電機技術(shù)參數(shù)額定功率：562額定電流：145最高電壓：2800最大電流：220極對數(shù)P： 2額定頻率：135額定轉(zhuǎn)矩：692額定轉(zhuǎn)速：4 100額定線電壓：2 700額定功率下的效率： %額定功率下的功率因數(shù)：最高轉(zhuǎn)速：5 900傳動裝置效率：%轉(zhuǎn)動慣量5高速列車牽引特性一般由兩部分組成，一部分是當(dāng)牽引系統(tǒng)起動運行至額定頻率前，此時，供電電壓應(yīng)隨頻率增加而增加，牽引系統(tǒng)的輸出功率也相應(yīng)增加，電磁轉(zhuǎn)矩輸出最大值固定不變，牽引系統(tǒng)在恒力矩的狀態(tài)下運行。因此，列車牽引特性一般分為2個區(qū):從啟動到額定速度的恒力矩區(qū)。(1)恒力矩區(qū)，牽引電動機的轉(zhuǎn)矩T不變，要求逆變器的輸出不變，則保證了電動機調(diào)速時所希望的每極磁通量為常數(shù)，且最大轉(zhuǎn)矩在不同的電源頻率下數(shù)字不變，此時若能保證轉(zhuǎn)差頻率為恒定值，啟動時適當(dāng)提高,即可得到恒定的轉(zhuǎn)矩以滿足動車組恒力矩運行特性。為了使電動機有恒定的輸出功率，電壓和頻率的調(diào)節(jié)可以有兩種不同的方式:①任何頻率關(guān)下，保持不變，而與關(guān)按比例變化，即: 為常數(shù)。 因此，不同的運行工況對逆變器和電機的要求均有差異，變流器與電動機的容量有多種組合，故就出現(xiàn)了兩者匹配問題。一般來說，電力的牽引運行可分為三個運行調(diào)節(jié)區(qū):起動加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)、提高速度區(qū)或自然特性區(qū)。 牽引工況下，車速與牽引力、轉(zhuǎn)子磁通的數(shù)學(xué)關(guān)系為:再生制動工況下，車速與再生制動力、轉(zhuǎn)子磁通的數(shù)學(xué)關(guān)系為:式中，F(xiàn)為一個編組(24臺電機)的牽引/制動力，KN。 分析牽引特性曲線可知，CRH3列車在牽引過程中可分為3個調(diào)節(jié)區(qū)。當(dāng)速度介于144km/h—180km/h之間時，采用恒功率、恒磁通控制。同理，在再生制動過程中也可分為3個調(diào)節(jié)區(qū):當(dāng)速度低于144km/h時，采用恒轉(zhuǎn)矩、恒磁通控制。當(dāng)速度高于240km/h時，采用粘著準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩、弱磁控制。便于選擇合理的容量匹配，使系統(tǒng)的整體性能參數(shù)最佳、費用最低。因此，不同的運行工況、不同的控制策略對牽引變流器和牽引電動機的要求均有差異，變流器與電機的容量有許多組合。對于列車牽引傳動系統(tǒng)而言，比較典型的有3種匹配方案。由于速度增加時電機的輸入電壓、電流保持恒定，逆變器的容量得到了充分的利用；由于電機的最大轉(zhuǎn)矩與速度的平房成反比，電機的過載系數(shù)隨速度的增加而減少，為了保證最高速度下滿足電機轉(zhuǎn)矩的需求，電機的額定過載系數(shù)要設(shè)計的大一些，電機的容量沒有得到充分利用。由于速度增加時電機的最大轉(zhuǎn)矩、電機的過載系數(shù)恒定不變，牽引電機在額定速度點發(fā)出的力矩近似與它的最大力矩，牽引電機的容量得到了充分的利用；而逆變器輸出電壓的平方與速度成正比，電流的平房與速度成反比，恒功率范圍越大，電壓提高的越多，這種情況下逆變器必須按啟動時的最大電流和最高速度下的最大電壓進行容量計算，逆變器的最大容量沒有充分發(fā)揮。由于大功率電力電子器件價格昂貴，變流器的費用較高，目前高速列車的恒功率工作控制多采用第一種方案進行系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計。然后分析了列車的牽引特性與控制策略并對CRH3型動車牽引特性的恒力矩起動與恒功率運行進行分析。第三章 CRH3型動車組大功率牽引系統(tǒng)分析 牽引變流器主電路結(jié)構(gòu)變壓器牽引繞組AC1550V、50Hz交流電輸入脈沖整流器。再生制動時，脈沖整流器接收濾波電容器輸出的直流3000V電壓，向牽引變壓器供應(yīng)AC1500V、50Hz交流電并返回電網(wǎng)。再生制動時逆變器控制在功能上按正向程序轉(zhuǎn)換，感應(yīng)電機發(fā)出三相交流電，逆變器向濾波電容器輸出直流電壓。CRH3型動車組編組形式為8輛編組，動力配置為4M+4T ( M為動力車廂，T為拖車車廂)，其中相鄰兩動車為1個基本動力單元。 CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)，在動車組中裝有4 個完全相同且互相獨立的動力單元，其中相鄰的兩輛動車為一個基本動力單元，每一個動力單元有一個帶牽引控制單元的牽引變流器，以及4 個并聯(lián)的牽引電動機。牽引變壓器原邊額定電壓為單相交流25 kV/50 Hz，副邊為1 550 V/50 Hz。兩個4QC 并聯(lián)為一個共同的DC 連接供電，并產(chǎn)生脈沖DC 電壓。
CRH3基本動力單元原理圖在CRH3 動車組上裝有四個完全相同且互相獨立的動力單元。牽引零部件輔助設(shè)備所需的3 AC 440V60Hz 電流由動車組的輔助變流器單元提供。主變壓器設(shè)計成單制式的變壓器，額定電壓為單相AC 25kV 50Hz。主變壓器箱體是由鋼板焊接的，主變壓器箱安裝在車下，主變壓器采用強迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷方式。它使用一個電氣差動保護、冷卻液流量計和電子溫度計對主變壓器進行監(jiān)控和保護。牽引變流器采用結(jié)構(gòu)緊湊，易于運用和檢修的模塊化結(jié)構(gòu)。牽引變流器由多重四象限變流器、直流電壓中間環(huán)節(jié)和逆變器組成，牽引變流器的模塊具有互換性。動車組總共由16個牽引電機驅(qū)動，位于動力轉(zhuǎn)向架上。具有堅固的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化重量，低噪音排放，高效率和緊湊設(shè)計的特征。牽引電機是強迫風(fēng)冷式。4. 其他部件。某些零部件被設(shè)計成即使出現(xiàn)故障也能在小幅度減少或不減少性能的情況下運行。在CRH3動車組的牽引過程時，它作為整流器，將來自主變壓器的1550V左右的單相交流電轉(zhuǎn)化為2600V的直流電。它可以方便的運行與電壓電流平面的四個象限，因此叫做四象限脈沖整流器。 為了便于分析，定義理想開關(guān)函數(shù)，和。 很容易寫出脈沖整流器的電壓矢量平衡方程為: =+:二次側(cè)牽引繞組電壓相量 :二次側(cè)牽引繞組電流的基波相量:調(diào)制電壓的基波相量當(dāng)二次側(cè)牽引繞組電壓一定時，的幅值和相位僅由的幅值及其與的相位差來決定。在牽引狀態(tài)下，與的相位差為0，此時滯后此時脈沖整流器向直流側(cè)輸送電能。 由于上下橋臂不允許都導(dǎo)通，所以 (i = A, B)與必須滿足=1。當(dāng)0時，與導(dǎo)通或與導(dǎo)通，電源電流上升，電源給漏電感儲存能量；當(dāng)0時，與導(dǎo)通或與導(dǎo)通，電源電流下降，漏電感開始釋放能量，回饋給電源。當(dāng)0時，電源電流上升，電源和直流環(huán)節(jié)（負(fù)載）共同給漏電感儲存能量；當(dāng)0時，電源電流下降，漏電感釋放開始能量，供給直流環(huán)節(jié)（負(fù)載）并同時回饋給電源。當(dāng)0時，電源電流下降，電源和漏電感共同向直流環(huán)節(jié)提供能量，即變流器工作在整流狀態(tài)。 在實現(xiàn)能量變換時，電源電流究竟是義正的或負(fù)的符號流到直流回路，還是直流電壓以負(fù)的或正的符號接到交流側(cè)，究竟是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，這取決于哪些開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)對三種工作模式的分析，不難發(fā)現(xiàn)：全控橋中相同位置處不同性質(zhì)的元件導(dǎo)通時，電源處于短路狀態(tài)。若或?qū)?，工作在逆變反饋狀態(tài)，由負(fù)載向電源輸送能量；若或?qū)?，工作在整流狀態(tài)，由電源向負(fù)載（直流環(huán)節(jié)）輸送能量。a、b兩端的調(diào)制信號相位相反，而載波信號相位相同，也可共用一個載波信號。脈沖整流器采用雙閉環(huán)控制：電壓控制為外環(huán)，電流控制為內(nèi)環(huán)。瞬態(tài)直接電流控制是目前機車上采用較多的控制策略，該控制策略具有實現(xiàn)簡單，能夠有效抑制二次側(cè)牽引繞組的電流諧波，直流側(cè)電壓紋波小，動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。瞬態(tài)直接電流控制為電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其策略具有實現(xiàn)簡單，能夠有效抑制二次牽引繞組的電流諧波、直流側(cè)電壓紋波小、控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。當(dāng)時，調(diào)節(jié)過程則反之。中間直流回路與兩端變流器之間存在著復(fù)雜的能量交換過程，沒有簡單實用的方法來選擇合適的支撐電容的大小，其容量可以根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)所允許的電壓脈動量決定，電容容量越大則脈動電壓越小。從儲能效果出發(fā), 即穩(wěn)定中間直流電壓的能力方面來看, 支撐電容器電容值取得越大越好, 然而從成本與體積方面考慮, 則希望電容值能取得盡可能小些, 此外,支撐電容器盲目增大, 將引起直流回路短路時能量釋放巨大, 增加了故障時的破壞力, 降低了設(shè)備的安全性。二、支撐電容器的主要技術(shù)參數(shù)支撐電容器主要技術(shù)參數(shù)包括直流額定電壓、額定電流 、電容值、等效串聯(lián)電感值、耐壓、工作溫度, 其定義與解釋參見機車車輛設(shè)備電力電容器標(biāo)準(zhǔn) 。 耐壓與工作溫度可由牽引變流器系統(tǒng)應(yīng)用條件確定。因此, 對支撐電容器的選型而言, 重點是確定支撐電容器的額定工作電流與電容值。列車在牽引狀態(tài)時，牽引逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成電壓、頻率均可變化的三相交流電供給牽引電機，同時通過調(diào)節(jié)三相輸出電壓波形控制牽引電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩。提高逆變器的開關(guān)頻率，采用磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高動態(tài)性能的控制技術(shù)，有利于體現(xiàn)異步牽引電動機其優(yōu)良的牽引性能。根據(jù)輸出電壓電平數(shù)的不同，電壓源型牽引逆變器又分為兩電平式、三電平式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
（1）兩電平式牽引逆變器結(jié)構(gòu)與工作原理，逆變器共有3個橋臂，每個橋臂由2個開關(guān)器件以及對應(yīng)的續(xù)流二極管組成，同一個橋臂的上下兩個開關(guān)不能同時導(dǎo)通，所以開關(guān)狀態(tài)共有23= 8種組合。顯然，由、所組成的電路共有8種組合狀態(tài)，對應(yīng)主電路有8種工作模式。 其開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)的工作模式分析： （1） 工作模式0：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=0，=0，=0；相應(yīng)的線電壓分別為=0，=0，=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（2） 工作模式1：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=0，=，=；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（3） 工作模式2：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=，=，=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（4） 工作模式3：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=，=0，=；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（5） 工作模式4：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=，=0，=；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（6） 工作模式5：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=，=，=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（7） 工作模式6：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=，=，=；相應(yīng)的線電壓分別為=0，=，=；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（8） 工作模式7：開關(guān)管、導(dǎo)通，、關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為=0，=0，=0；相應(yīng)的線電壓分別為=0，=0，=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為（2）兩電平牽引逆變器控制方式牽引逆變器主要采用如下四種方式進行調(diào)節(jié)：異步調(diào)制、同步調(diào)制、分段同步調(diào)制及方波控制四種調(diào)制方式。因為定子的電壓頻率不是單一的，所以對應(yīng)不同頻率片段采用不同的調(diào)制方式。本文重點對牽引逆變器的PWM控制方式做一討論。四種控制方法的分析（1）異步調(diào)制方式：在實行SPWM脈寬調(diào)制時，在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)稱為載波頻率比N (亦即載波比)。對于異步調(diào)制方式，當(dāng)正弦控制信號的頻率變化時，通常保持三角載波信號的頻率和幅值不