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1、1,第三章 电力牵引交流传动与控制,主要内容： 电力牵引交流传动技术概述 电力牵引交流传动基础 交-直-交变流器与逆变器 电力牵引交流传动的控制技术,2,第三章 电力牵引交流传动与控制,一、电力牵引交流传动技术概述 机车交流传动系统的基本结构 交流传动机车： （特指）采用各种变流器供电，交流异步或同步电动机驱动的机车或电动车组。 变流器类型： 交-交变流器（直接式） 交-直-交变流器（间接式）,3,系统基本结构型式,（电压型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统（普遍应用） （电压型）交-直-交变流器+交流同步牵引电机系统 （电流型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统 交-交变流器+交流
2、同步牵引电机系统,4,发展历史与现状,交流调速技术 上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术-大功率半导体器件） 应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域 日本 1975 直流 80%，交流 20% 1985 直流 20%，交流 80% 全世界 上世纪80年代后五年 交流调速年均增长13%-14% 直流调速年均增长3%-4% 中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电量38%。采用交流调速节能前景广阔,5,交流电传动机车技术发展 20世纪60-70年代：初期发展阶段 1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统
3、 1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2500 70年代 共生产25套 20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车上获得推广应用 欧洲发展迅速（共计达350多台） DE500系列（Mak公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（Mak+ABB公司 2650kw GTO 挪威国铁） ME1500（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管1981） 美国铁路交流传动投入不足，发展较慢 -仅在老机车改造方面作了尝试,6,20世纪90年代：交流传动技术成为热点 美国异军突起（至1997达1400台） SD60MAC（GM公司 2834kw GTO 微机控制 1992） A
4、C4000（GE公司 3281kw GTO 32位微机 1994） AC6000（GE公司 4474kw GTO 32位微机 1994） 欧洲 GEC-Alsthom公司 为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997 中国交流牵引传动技术发展 70-80年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态 1992 研制成功1000kw地面变流器（试验）装置 1996 AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机1025kw） 2000 DJJ1”蓝箭” 220km/h IPM器件 直接转矩控制 1225kw异步电动机 2001DJ2”奥星”号竣工，田心厂等 动车组 4800KW，Vmax=16
5、0Km/h，自主知识产权 2002 “中华之星” 试验速度：312.5公里/小时 2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4,7,大功率电力电子器件的发展 -交流传动发展的关键技术之一,晶闸管（Thyristor） 70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频 目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V 主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。 GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器 目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V 主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限
6、于1-2kHz（吸收电路、触发和关断电路是关键） GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管 电流控制双极型自关断元件， 通态压降低 目前水平：600A/1200V、450A/1300V 主要问题：难于突破1500V 功率场效应管（Power MOSFET） (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小 目前水平：200A/1000V,8,IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管 兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz
7、)、高阻抗，低压降等混合器件，电压控制元件 国外已发展到第五代： 第1代（1985 ） 500-1000V 25A 第2代（1989 ） 600-1200V 400A 第3代 高频、低耗、低压降 1200-2000V 第4、5代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至1500A/1600V 模块化、智能化 IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块 集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体的智能型模块 中国机车用大功率半导体器件发展水平 晶闸管：200-3000A/6500V GTO：600A/2500V（1993），目
8、前研制500-2000A/2500-4500V,9,电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：,注：SIT(SITH)静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)MOS控制晶体管（晶闸管）,10,交流传动控制装置及控制技术的发展,上世纪80年代以前 主要为模拟器件和开关逻辑器件控制方式 80年代 出现16位微机控制，如MICAS、SIBAS-16等 90年代32位微机控制，如SIBAS-32等 交流传动控制技术： 微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和最优控制 电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接转矩控制（控制转矩和磁链）,11,交流传动的优点
9、,由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点： 异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可达45%，交-直机车25%） 牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑动接触部件） 单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同步电动机0.5kw/kg，异
10、步电动机0.68kw/kg或更高） 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低,12,二、电力牵引交流传动基础, 三相交流电机的旋转磁场,1. 三相异步电动机的工作原理及结构,逆时钟方向旋转,N,S,N,S,S,N,13, 三相异步电动机的转动原理,旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上北极N下为南极S。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外 ，在下半部则由外向里。按左手定则知，导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n1方向旋转。
11、,三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为,转子导体感应电动势频率：,14,电机旋转磁场同步转速： n1=60f1/p (r/m) (3-2-2) f1 电机定子绕组输入电源频率(Hz) 异步电动机转速为n，转差率定义为： s=(n1-n)/n1 0s1 (3-2-3) 由转差率定义得电机转速公式： n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p (3-2-4) 由转差n2=n1-n=60f2/p，代入(3-2-3)得： s =(n1-n)/n1 =n2/n1 =f2/f1 (3-2-5) 或： f2=sf1 (3-2-5a) 式中f2称为为转差频率（即转子导体感应电流频率）,15, 三相异
12、步电动机结构,封闭式三相笼型异步电动机结构图 1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心； 7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇,16,三相笼型异步电动机结构图,17,定子铁心及冲片示意图,（b）铸铝转子,笼形式转子绕组,（a）铜排转子,18,定子绕组的联结,定子三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每相绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出
13、线端都引至接线盒上，一般首端分别标为U1, V1, W1 ，末端分别标为U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图所示。三相绕组可接成星形或三角形。,星形连接,三角形连接,19,二、电力牵引交流传动基础,异步牵引电动机的调速特性及控制規律 异步牵引电动机的基本特性 电磁转矩特性 电磁转矩公式 M=CmI2cos2 =CmE2(r2/(X2s+r2) =CmE20(sr2/(sX2s0)+r2) (3-2-1) 式中：Cm 电机结构常数 电机内旋转磁场每极磁通(Wb) E2 =4.44f2k2w2 转子感应电势(v) f2 转子感应电势频率(Hz) r2 转子电路中等效电阻() X
14、2s=2f2L2s=sX2s0=2s f1L2s 转子等效漏抗() L2s 转子等效漏感(H) cos2= r2/(X2s+r2) 转子电路功率因数 I2= E2/(X2s+r2) 转子电流(A) E20=E2/s 当电机f2=f1时的转子感应电势(v) X2s0=X2s/s 当电机f2=f1时的转子漏抗(),20,电磁转矩特性曲线,Mmax 临界(最大) 转矩 Sk 临界转差率 Me 额定转矩 Se 额定转差率 MQ 启动转矩 （对应s=1),由异步电机扭矩公式，可得电磁转矩特性曲线。,21,临界转矩、转差率与电机其它参数的关系,由(3-2-1)式，令dM/ds=0得： sk=r2/X2s0
15、=r2/(2f1L2s) (3-2-6) 代入(3-2-1)式得： Mmax=CmE20/X2s0 =Cm(4.44f1k2w2)/(2f1L2s) =Cm (3-2-7) 因此：Mmax与r2无关 ；sk与f1成反比,与r2成正比 若忽略定子漏抗时，定子输入电压近似等于定子感应电势： U1E1= 4.44f1k1w1(3-2-8) 当f1不变，则 与U1正比，此时有： Mmax=Cm=CmU1(3-2-9) 当U1不变，则与 1/f1正比，此时有： Mmax=Cm=Cm(1/f1)(3-2-10),22,sk与f1成反比,与r2成正比,23,当f1不变时， 与U1正比Mmax=Cm=CmU1
16、,24,当U1不变时，与 1/f1成正比Mmax=Cm=Cm(1/f1),25,机械特性M=f(n),可由M=f(s)求得： n=(1-s)n1 =60f1(1-s)/p S=1 n=0 S=0 n=n1 稳定运行区 nknn1 非稳定运行区 0nnk 过载系数kM kM=Mmax/Me =1.82.5 以确保电机稳定运行,26,27,谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附加转矩）对机械特性的影响,高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。,28,异步牵引电动机调速,调速方法 由式 n=60f1(1-s)/p可知调速三种途径： 改变定子绕组磁极对数p 绕组换接，有级调速 改变转差率s s=f(u1,r1,x1s,x2s,r2) 改变电机输入频率f1 需要变频电源，可经济地获得宽广平滑的调速性能,29,变频调速对机械特性的影响,当取U1E1= 4.44f1k1w1时有： = E
