异步电机调速原理探讨

刘劲松

摘 要：本文主要对地铁车辆牵引及电制动原理进行探讨，涉及电机调速原理，矢量控制、直接转矩控制的基本知識。

关键词：地铁车辆;异步电机;调速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.181

1 前言

国内地铁车辆大部分采用三相异步牵引电机驱动。在牵引状态下，受流装置将高压直流电引入牵引逆变器，逆变器通过逆变过程将直流电逆变为三项交流电，供给牵引电机。在制动状态下，牵引电机由车轮惯性带动转子，变为发电机，产生一个与转向相反的电磁力矩的经过逆变器的整流变为直流电，回馈给接触网、第三轨，或由制动电阻消耗，最后空气制动辅助。这里主要讨论电力牵引与电力制动级位的原理。要解释牵引制动级位的原理，就要涉及电机调速方面的知识。

2 电机调速方法

异步电机的调速使之当负载不变时，利用人工的方法改变转子转速，一般异步电机调速方法有变极调速、变转差率调速、变频调速[1]。

异步电动机转速公式：

：定子磁场转速;：转差率;电源频率;：定子绕组极对数。

（1）变极调速。变极调速就是改变电动机定子绕组的极对数来调速。如果电源的频率不变，只要改变定子绕组极对数，定子磁场转速和转子转速也会随着改变。电机定子磁场转速与极对数成反比变化。变极调速常用的方法是改变绕组的接法来获得多种极对数。

变极调速的异步电机转子一般为鼠笼式，因为鼠笼式转子的极对数能随定子极对数改变而改变，转子的磁场极对数总是相等而产生平均电磁转矩。

（2）变转差率调速。变转差率调速就是通过改变电机的转差率调速，在转矩及负载恒定时，改变转差率有几种方法：

1）在转子回路中串入电阻，电感，电容;2）改变定子绕组端电压;3）在定子回路串入外加电阻或电抗。

这种方法在回路中接入附加电阻，会使电机效率降低，常用在小容量电机中。

（3）变频调速。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速范围宽，可以实现平滑调速，调速的静态精度高，动态好，在节能方面也有优势，目前是公认的交流电机最理想的调速方式。

3 地铁列车级位原理

地铁车辆由变频调速系统（VVVF）控制的逆变器中变频器（VFD系统）连接电机，变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

4 控制原理

VFD控制器是一个固态电力电子转换系统，由三个不同的子系统组成：整流桥转换器，直流链路和逆变器。在地铁应用中驱动器被配置为DC-AC驱动器，直流电通过逆变器的主动开关元件转换为准正弦交流电压输出。

标量控制、矢量控制和直接转矩控制是变频驱动（VFD）控制的主要方法，用于改变驱动器的电机电压和频率。如图1所示，VFD的树状分支图。

（1）标量控制。目前较为简单的一类变频器是V/f控制（简称标量控制），它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/f控制（用于恒转矩）和平方V/f控制。标量控制的弱点在于低频转矩不够、速度稳定性不好，矢量控制的变频器正逐步进行推广。

（2）矢量控制。矢量控制，也称为磁场定向控制，其中三相交流电动机的定子电流被识别为两个正交分量，可用向量。一个分量定义了电机的磁通量，另一个分量定义了扭矩。变频器的控制系统根据变频器速度控制给出的磁通和转矩参考计算相应的电流分量。磁场定向控制用于控制交流 同步电机和感应电机。由于磁场定向控制下电机尺寸、成本和功耗的优势，使得这种控制方式在普通电机上的应用越来越多，随着微处理器计算能力的发展，逐步取代标量控制。有两种矢量控制方法，直接矢量控制（DFOC）和间接矢量控制（IFOC），IFOC更常用，因为在闭环模式下，这些驱动器更容易在从零速到高速速度弱化。在DFOC，通量量值和角度的反馈信号被直接使用所谓的电压或电流模型计算。在IFOC中，通量空间角前馈和通量幅度信号首先测量定子电流和转子速度，然后通过对与转子速度相对应的转子角度和对应于滑差频率滑角的计算参考值求和来导出适当的通量空间角度。在矢量控制中，交流感应电机或同步电机在所有工作条件下均可控制，即交流电动机像一个直流电机的磁链和电枢磁链由各自的字段和电枢电流垂直对齐，当转矩控制，磁链不受影响，因此可实现动态转矩响应。有两种矢量控制方法，直接或反馈矢量控制（DFOC）和间接或前馈矢量控制（IFOC），IFOC更常用，因为在闭环模式下，这种驱动更容易在整个速度范围内运行，从零速度到高速磁场减弱。在DFOC中，通过所谓的电压或电流模型直接计算通量大小和角度反馈信号。在IFOC中，通量空间角前馈和通量强度信号首先测量定子电流和转子速度，然后通过与转子转速对应的转子角和与滑移频率相对应的滑移角的计算参考值，得到相应的流量空间角。

（3）直接转矩控制。直接转矩控制（DTC）是一种用于变频器的方法，用于控制三相交流电动机的转矩（从而最终控制转速）。这包括根据测得的电机电压和电流来计算电机磁通量和转矩的估算值。在直接转矩控制中，定子磁通用定子电压积分而得。而转矩是以估测的定子磁通向量和量测到的电流向量内积为估测值。磁通和转矩会和参考值比较，若磁通或转矩和参考值的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换，使磁通或转矩的误差可以尽快缩小。因此直接转矩控制也可以视为一种磁滞或继电器式控制。

参考文献：

[1]杨帮文.控制电机技术与选用手册[M].北京：中国电力出版社，2010（04）：257-258.