电力牵引交流传动系统

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1、第一章绪论电力传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中。执行机构由直流电动机驱动，则称为直流电气传动系统，执行机构由交流电动机驱动，则称为交流电气传动系统。根据负载对象的运行要求，电气传动可分为恒速系统和调速系统。受当时科学技术的制约，直流电传动用于高性能的调速系统，而交流传动多用于恒速系统。长期以来，在调速传动的生产领域内，大多采用直流电动机传动系统，因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以独立控制，其起动、调速性能和转矩控制特性都比较理想，并容易获得良好的动态响应。但是，直流电动机在结构上存在接触式的机械换向器，它不仅工艺复杂、价格昂贵，而且在运行中很

2、容易产生换向火花和发生环火故障。另外，由于换向问题的存在，要求电动机各换向片之间的电压不能过高，这样，使得直流的设计容量和高速时的利用功率都受到限制。远远不能适应现代生产向高转速、大容量化方向发展的要求。三相交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，由于其转子上没有机械换向器和没有带绝缘的绕组，不存在换向火花和环火现象等问题，因此，它的结构简单、惯量小、运行可靠，可以更高的转速运转。但交流电动机调节速度比较困难，至今绝大部分都是应用在恒速运转的场合。异步电动机调速方法基本上可分为变极调速、变转差调速和变频调速三类。变极调速是有级的，变转差调速不能改变电动机的同步速度，其调速范围有限，同时还存在

3、损耗大、效率低的缺点。变频调速是通过改变电源的供电频率来改变转速以达到调速的目的，在调速范围内无论是低速区还是高速区，都能保持很小转差率，因而具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点。在20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法。但是为了改变供电频率，它需要一套变频电源。过去采用的旋转变频机组或离子变流器，由于设备笨重庞大，可靠性差，故变频调速技术的发展很缓慢，真正投入实际运行的装置很少。60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调速方法重新受到人们的重视，成为电动机调速的发展方向。70年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约能源成为人们

4、关注的问题。许多过去一般不调速的传动装置，如风机、水泵等类负载，为了减少无谓的电能损失，也都采用了调速传动。由此，对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技术性能。目前，交流传动已经作为一种完全肯定的系统，正大举进入电气传动调速控制的各个领域。容量从数百瓦的伺服系统到万千瓦级的大功率系统，从工业传动到机车牵引，从单机传动到多机协调运转，调速范围达到1：10万以上，调速精度可达10—4级

5、。许多国家已实现了产品的系列化，而逐步取代直流调速系统。交流传动系统的结构如下图所示：第一节交流传动系统的应用领域调速的目的一方面是为了改进动态性能、满足工艺要求、提高产品质量（例如冶金、造纸、机床设备及牵引车辆），或者是为了减少损耗、提高效率、节约能源（如风机、水泵、压缩机等一类负载），有时也为了满足某些大容量、高转速的特殊需要。近20年来，随着电力电子技术、微电子技术、控制理论和计算机控制技术的发展，交流调速技术已趋于成熟，多种交流传动系统已进入了电气传动的各个领域，在工业传动和牵引动力领域中有如下几个应用方面。一、工业传动系统1.在风机水泵机械中的节能应用在风机水泵一类传动负载中，

6、过去通常是采用恒速交流电气传动系统，当采用交流调速系统后，能把原来用挡板节流阀控制风量、流量的运行方式改造为调节电机转速的控制方式，能取得节电效果。根据风机、水泵传动机械的负载特性，风量Q与转速n成正比，负载转矩TL与转速平方成正比。当风机转速由n变到n’后，风量Q’、转矩与速转变化有以下关系。（1—1）（1—2）则电动机的消耗功率与转速的三次方成正比，即（1—3）这一类调速传动主要目的是节能，技术要求比较简单，可以采用较低挡的交流调速系统。2.在高性能、高精度传动机械上的应用在钢铁生产线上，在进料和出料之间，要经过许多工艺处理工序（如卷放、拉紧、压延），并由不同作用的驱动辊驱动，这些驱

7、动装置本身是要求调速传动的。各驱动装置之间，由于联动、同步或比例同步运转，因此，要求控制系统有较高的调节精度。采用交流变频调速系统，能够使生产线协调运行。当每一台驱动电机由一台逆变器供电并采用矢量控制系统时，其单机频率f的调节精度能达到0.1%。系统不仅能以快速响应来确保加减速或恒速运行时的稳定性，而且能以高精度的转矩控制来确保材料的张力，达到高性能、高精度的要求。另外，在化纤、纺织等机械传动的调速系统中，为了提高产品质量，对调速系