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，变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。图6.12所示为变频控制系统示意图，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，达到节能与调速的目的。

图6.12　变频控制系统示意图

当列车司机操作司机控制器到牵引级位时，列车就是通过变频调速系统中的变频器来调节IGBT的开断来控制输出电源的电压和频率，从而调节作用在转子上的正向力矩，改变牵引力。同理在制动级位时，变频器调节IGBT的开断限制电流，调节作用在电机转子上的反向力矩，实现不同的制动力。

（一）变频调速控制原理

VFD控制器是一个固态电力电子转换系统，由3个不同的子系统组成，分别是整流桥转换器、直流（DC）链路和逆变器。电压源逆变器（VSI）驱动器是目前为止最常见的驱动类型。大多数驱动器是AC—AC驱动器，将交流线路输入转换为交流逆变器输出。但是在地铁应用中驱动器被配置为DC—AC驱动器。图6.13所示为逆变电路示意图，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。

图6.13　逆变电路示意图

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，用于改变驱动器电机的电压和频率。图6.14所示为VFD的树状分支图。

图6.14　VFD树状分支图

（1）标量控制的原理(www.daowen.com)

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，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。

（2）矢量控制的原理

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。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。它最初是为高性能电机应用开发的，这些应用需要在全速范围内平稳运行，在零速时产生全扭矩，并且具有高动态性能，包括快速的加速和减速。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也越来越多，随着微处理器计算能力的发展，会普遍取代标量控制。

有两种矢量控制方法，即直接矢量控制（DFOC）和间接矢量控制（IFOC）。间接矢量控制更常用，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。在直接矢量控制中，通量量值和角度的反馈信号被用于电压或电流模型中计算。在间接矢量控制中，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的滑角的计算，参考值求和来导出适当的通量空间角度。

（3）直接转矩控制的原理

直接转矩控制（DTC）是一种用于变频器的方法，通过控制三相交流电动机的转矩从而最终控制转速，这一方法需通过测得的电机电压和电流来估算电机磁通量和转矩值。

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。

表6.3为直接转矩控制与磁场定向控制在许多属性上的对比。

表6.3　直接转矩控制与磁场定向控制对比