HXD3型機車輔助系統在VVVF及CVCF兩種控制方式下的工作特性及差異性分析

楊峰

摘要：針對HXD3型機車輔助系統在采用VVVF及CVCF兩種不同的控制方式，通過其特性及差異性的分析，引出了采取兩種不同控制方式的原因。

關鍵詞： HXD3型機車；輔助系統；VVVF；CVCF

一、引言

（一）系統組成：HXD3型機車輔助電氣系統是由輔助變流器、各輔助機組及輔助加熱設備組成。

（二）工作模式：輔助變流器是為通風機和壓縮機等輔助機組提供三相交流電源的電源裝置。根據負載特性不同，系統具有可變電壓、可變頻率的VVVF控制和固定電壓、固定頻率的CVCF控制兩種功能。為了確保根據機車運行狀況而提供實際所需的冷卻風量和降低運轉噪音，系統中所有風機類負載設定為VVVF控制模式，其余負載采用CVCF控制模式。

機車裝有2組輔助變流器。正常工作時，一組（UA11）采用VVVF控制，另一組（UA12）采用CVCF控制模式。當某一組輔助變流器出現故障時，通過微機控制監視系統的信息傳遞和故障切換，將另外一組輔助變流器將采用CVCF控制模式為所有輔助負載提供能量。完成了機車輔助變流系統的冗余控制，提高了機車輔助變流系統的可靠性。本文將對兩種控制方式下輔助系統負載的工作特性進行比較，以便能更好地掌握輔助變流器在不同控制模式下的工作特性，進一步了解在不同模式下使用及注意要求。

二、VVVF控制方式

HXD3型機車各類風機均采用VVVF控制方式進行控制。各類風機均為三相異步電機。異步電機在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。在交流異步電機當中，磁通m由定子和轉子磁勢合成產生，不易實現磁通m的恒定。

由電機學理論，氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值方程：

（1-1）

式中：Eg —氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）；

f1—定子頻率（Hz）；

Ns—定子每相繞組串聯匝數；

kNs—基波繞組系數；

m—每極氣隙磁通量（Wb）

可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通m 的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

（一）基頻以下調速

由式（1-1）可知，要保持m不變，當頻率f1從額定值f1N向下調節時，必須同時降低Eg，使常值

然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us≈Eg，則得 。這是恒壓頻比的控制方式。

（二）基頻以上調速

在基頻以上調速時，頻率應該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。

異步電機在變壓變頻控制方式的工作特性

圖1：異步電機在變壓變頻控制方式的工作特性

三、CVCF控制方式

HXD3型機車當某一組輔助變流器出現故障時，通過微機控制監視系統的信息傳遞和故障切換，另外一組輔助變流器將采用CVCF控制模式為所有輔助負載提供能量。

由電機學理論可知，異步電機在定子電壓Us和電源角頻率W1恒定時，恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式為：

（1-2）

對其機械特性進行分析為：

當s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則

也就是說，當s很小時，轉矩近似與s成正比，機械特性Te =f（s）是一段直線，見圖2

當s接近于1時，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，則

即s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，Te =f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。

當s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖2所示。

綜上，在恒壓恒頻控制下異步電機的工作特性為：

圖2：異步電機在恒壓恒頻控制方式的工作特性

四、兩種控制方式的差異性分析

從兩種控制方式的工作特性可以看出，VVVF控制方式對于異步電動機控制來說，具有啟動轉矩大、調速平穩、防空轉能力強、效率高等特點，因此，變頻調速將是交流電機調速的主要使用手段。采用恒頻恒壓控制時，當電動機起動時，轉子尚未轉動，起動電流為短路電流，電流較大，由于回路中阻抗的存在將導致感應電動勢減小，從而磁通Fm變小。感應電動勢減小同時將引起輸入端電壓降落。并且產生的壓降對其他輔助系統負載工作性能提出了更高的要求。因此，采用恒頻恒壓起動時，起動電流大、起動轉矩并不大，則對變頻器的容量要求更大，所以當采用一組變頻器工作時應盡量減少輔助系統其它非必需負載的投入。

綜上，變頻變壓控制方式常用于異步電機的調速，恒頻恒壓控制方式并不常用，主要提供給恒壓設備供電。但由于在HXD3型機車輔助系統當中，由于所帶負載較復雜，既有交流電機，也有需穩定電壓的用電設備，因此，在控制中采用VVVF與CVCF結合控制的方式、同時在一組故障時采用CVCF控制方式的控制手段能最大限度的滿足各項用電設備的需求。

五、結束語

HXD3型機車作為目前鐵路運輸線上廣泛運用的主力機型，通過其輔助系統更進一步的了解，有助于我們更好地掌握其運用及檢修保養要求，同時，作為當前交-直-交機車普遍采用的輔助系統控制方式，其對負載的影響也將是一個長期的研究課題。

參考文獻：

[1]張曙光.HXD3型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]陳伯時，陳敏遜.交流調速系統.北京：機械工業出版社，2005