HXD3型机车辅助系统在VVVF及CVCF两种控制方式下的工作特性及差异性分析

杨峰

摘要：针对HXD3型機车辅助系统在采用VVVF及CVCF两种不同的控制方式，通过其特性及差异性的分析，引出了采取两种不同控制方式的原因。

关键词： HXD3型机车；辅助系统；VVVF；CVCF

一、引言

（一）系统组成：HXD3型机车辅助电气系统是由辅助变流器、各辅助机组及辅助加热设备组成。

（二）工作模式：辅助变流器是为通风机和压缩机等辅助机组提供三相交流电源的电源装置。根据负载特性不同，系统具有可变电压、可变频率的VVVF控制和固定电压、固定频率的CVCF控制两种功能。为了确保根据机车运行状况而提供实际所需的冷却风量和降低运转噪音，系统中所有风机类负载设定为VVVF控制模式，其余负载采用CVCF控制模式。

机车装有2组辅助变流器。正常工作时，一组（UA11）采用VVVF控制，另一组（UA12）采用CVCF控制模式。当某一组辅助变流器出现故障时，通过微机控制监视系统的信息传递和故障切换，将另外一组辅助变流器将采用CVCF控制模式为所有辅助负载提供能量。完成了机车辅助变流系统的冗余控制，提高了机车辅助变流系统的可靠性。本文将对两种控制方式下辅助系统负载的工作特性进行比较，以便能更好地掌握辅助变流器在不同控制模式下的工作特性，进一步了解在不同模式下使用及注意要求。

二、VVVF控制方式

HXD3型机车各类风机均采用VVVF控制方式进行控制。各类风机均为三相异步电机。异步电机在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机当中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，不易实现磁通m的恒定。

由电机学理论，气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值方程：

（1-1）

式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；

f1—定子频率（Hz）；

Ns—定子每相绕组串联匝数；

kNs—基波绕组系数；

m—每极气隙磁通量（Wb）

可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（一）基频以下调速

由式（1-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使常值

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得 。这是恒压频比的控制方式。

（二）基频以上调速

在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。

异步电机在变压变频控制方式的工作特性

图1：异步电机在变压变频控制方式的工作特性

三、CVCF控制方式

HXD3型机车当某一组辅助变流器出现故障时，通过微机控制监视系统的信息传递和故障切换，另外一组辅助变流器将采用CVCF控制模式为所有辅助负载提供能量。

由电机学理论可知，异步电机在定子电压Us和电源角频率W1恒定时，恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式为：

（1-2）

对其机械特性进行分析为：

当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则

也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te =f（s）是一段直线，见图2

当s接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，则

即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te =f（s）是对称于原点的一段双曲线。

当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图2所示。

综上，在恒压恒频控制下异步电机的工作特性为：

图2：异步电机在恒压恒频控制方式的工作特性

四、两种控制方式的差异性分析

从两种控制方式的工作特性可以看出，VVVF控制方式对于异步电动机控制来说，具有启动转矩大、调速平稳、防空转能力强、效率高等特点，因此，变频调速将是交流电机调速的主要使用手段。采用恒频恒压控制时，当电动机起动时，转子尚未转动，起动电流为短路电流，电流较大，由于回路中阻抗的存在将导致感应电动势减小，从而磁通Fm变小。感应电动势减小同时将引起输入端电压降落。并且产生的压降对其他辅助系统负载工作性能提出了更高的要求。因此，采用恒频恒压起动时，起动电流大、起动转矩并不大，则对变频器的容量要求更大，所以当采用一组变频器工作时应尽量减少辅助系统其它非必需负载的投入。

综上，变频变压控制方式常用于异步电机的调速，恒频恒压控制方式并不常用，主要提供给恒压设备供电。但由于在HXD3型机车辅助系统当中，由于所带负载较复杂，既有交流电机，也有需稳定电压的用电设备，因此，在控制中采用VVVF与CVCF结合控制的方式、同时在一组故障时采用CVCF控制方式的控制手段能最大限度的满足各项用电设备的需求。

五、结束语

HXD3型机车作为目前铁路运输线上广泛运用的主力机型，通过其辅助系统更进一步的了解，有助于我们更好地掌握其运用及检修保养要求，同时，作为当前交-直-交机车普遍采用的辅助系统控制方式，其对负载的影响也将是一个长期的研究课题。

参考文献：

[1]张曙光.HXD3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2010

[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社，2005