电力牵引交流传动系统

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1、第一章第一章 绪论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

2、杂、价格昂贵，而且在运行中很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

3、的同步速度，其调速范围有 限，同时还存在损耗大、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sf 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s 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

4、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

5、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 104级。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：第一节第一节 交流传动系统的应用领域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

6、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，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LT 速转变化有以下关系。（11）()nQQn（12）2()LLnTTn则电动机的消耗功率与转速的三次方成正比，即P（13）3()nPPn这一类调速传动主

7、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

8、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，对调速系统同样有高性能和高精度的要求，它们可以用一台电压型变频调速器向 多台电动机供电，能获得明显的技术经济效果。最近，这些方面的应用实例正在不断增 加。 3. 在高速度、宽调速传动机械上的应用 在机床一类加工机械的传动系统中，无论是工具旋转或工件旋转哪种形式，为了提 高切削精度、增加工效以及延长刀具使用寿命，保持恒线速度切削是最佳运行模式。因 此，要求传动系统能在很宽的速度范围内（1：100200）调速，宽调频的交流传动系统 可以满足恒线速度控制的要求。在工件大直径部分转速较低，而在工作小直径部分则要 求高转速运行。当工件直径

9、按锥形变化时，传动轴的速度则要求连续平滑的变化。适合 于高速度、宽调速范围传动系统的变频器，目前已有系列产品，它们大多数是由大功率 晶体管（GTR）构成的电压型逆变器，输出频率范围为 0200Hz，最高频率可达 400Hz，其性能能够满足恒线速度控制，并实现了高速恒功率运转。 4. 在快响应传动机械上的应用 所谓快响应系统，是指实际速度对于速度指令的变化跟踪得快，或者是从急剧负载 变化引起的过渡性速度变化中恢复得快的系统，这类负载如轧机、冲孔机等。采用逆变 器转差闭环的控制以后，系统能够达到快速响应的要求。例如对于阶跃的速度指令，其 响应时间 ts能够达到小于 0.1s，即能做到速度以 0.1

10、s 跟踪。而对于冲击负载（阶跃负载 变化）速度变化（冲击降落）的恢复时间 tr约为 0.10.2s。二、电力牵引交流传动系统二、电力牵引交流传动系统电力牵引作为电气传动的一个单独类别，过去一起采用直流电动机牵引或脉流电动 机牵引。近 20 年来，由于电子技术尤其是大功率变流技术的发展、控制理论和控制技术 的完善、以及静止变频器研究技术的成熟，使三相交流电动机在机车牵引中的应用得到 了关键性突破，获得了极为迅速的发展。 三相交流异步电动机牵引有着显著优越的技术经济指标。一般说来有以下优点： （1）有良好的牵引性能 合理地利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，使机车的高速利 用功率，

11、恒功率调速比。另外，调节调频特性能使机车起动时发出较大1pK 2nK 的起动转矩。 （2）电网功率因数高、谐波干扰小 在交直交电力机车上，其电源侧变流器可以采用四象限调节变流器（） ，它4qs 通过 PWM 斩波控制方法，可以调节电网输入电流的相位，使所取电流接近正弦波形， 并能在广泛的负载范围内使机车的功率因数近于 1，这在减小对通讯信号的谐波干扰方 面和充分利用电网的传输功率方面都有很大的意义。另外，四象限变流器能很方便地实现牵引和再生之间的能量转换，能取得显著的节能效果。 （3）功率大、体积小、重量轻、运行可靠 由于异步电动机转速可达 4000r/min，由于利用了换向器电机换向器所占的

12、空间，所 以交流电机能够做到功率大、重量轻。与带换向器的直流（脉流）电动机相比，其单位 重量千瓦（kW/kg）是直（脉）流电机的三倍。在机车车体提供的空间范围内，异步电 动机的功率可以达到 14002000kW。另外，交流电动机没有换向器和电刷装置，机车 主电路系统又可以省去许多有触点电器，因此，运行可靠性可以进一步提高。 （4）动态性能和粘着利用好 由于交流异步电动机有较硬的自然特性，其防空转（机车粘着利用）性能较好。当 机车轮对发生空转（粘着破坏）时，牵引力会急剧下降，使粘着牵引力很快恢复。经过 近十年的研究，机车牵引控制已用矢量控制或直接转矩控制取代了滑差电流控制。 这些控制技术，不仅能

13、使系统稳态精度高，而且能获得高的动态性能，可以使牵引力沿 着轮轨之间蠕滑极限进行控制，极适合于当代机车高速、重载牵引的要求。 电力牵引交流传动系统主要由牵引变压器、牵引电机和牵引变流器组成。其主要组 成如图 1-1 所示，图 1-1 交流传动机车主要组成 交流传动电力牵引的技术主要可分为:：核心层技术、辅助层技术和相关层技术。 其核心层技术主要包括：牵引变频器技术、变频控制及其网络技术、交流驱动电机 技术和牵引变压器技术。 其辅助层技术主要包括：冷却与通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护 技术和电磁兼容与布线技术。 其相关层技术主要包括：司机台操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术、空气

14、制 动技术和高压测检测技术。 三相交流传动用于机车动力牵引是从 70 年代开始的。1971 年原西德研制了第一批 DE2500 型交流传动内燃机车，经试运行后，证实了三相交流机车的一系列重大优点：如 牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、以及维修量小等。从而掀起了研究三相交流机动力制动模块空气系统模块辅助变频器主变频器及电机驱动 模块通讯模块 电子设备 车的热潮。1980 年，原西德又将第一批 E120 型交流传动干线电力机车投入运行，这是 交流传动机车发展史上的一个重要里程碑。近年来，已有多种型号的三相交流电力机车、 交流电传动内燃机车和高速电动车组，分别在德国、法国、美国、丹麦、挪威、瑞士、

15、 瑞典、意大利、奥地利、西班牙等国铁路线上运行。从世界范围内看，目前三相交流传 动机车的技术研究中心在西欧，如 ABB 电气集团、西门子电气集团、法国阿尔斯通电气 集团，日本在 1990 年也研制成功了 EF500 型双流制交直交电力机车样机和新干线 300 系的交直交高速电动车组。后又成功研制出 500 系、700 系等高性能交流传动高 速动车组。从 20 世纪 90 年代开始，铁路发达国家已不再生产相控脉流电力机车和直流 电动机传动的内燃机车，全部采用交流传动控制技术。 自 70 年代开始，我国许多科研单位已着手进行电力半导体变流技术和三相交流传动 的研究，容量从几千瓦逐渐扩大，到 198

16、9 年交流传动系统的容量已达到 300kW 以上。 与此同时，铁道部门的有关科研机构也在进行三相交流传动机车的研究，到 1992 年已经 完成了单机容量为 1000kW 级的地面试验系统。根据“地面试验系统”研制取得的数据 和经验，1996 年研制成功功率为 4000kW 级 4 轴的三相交流电力机车，是我国牵引传动 由直流转变为交流的一个重要里程碑。目前我国已研制成功 DJ1、DJ2、DJ3 等交流传动 电力机车， “中华之星”交流传动高速动车组以及交流传动内燃机车。第二节第二节 交流传动技术的发展方向交流传动技术的发展方向交流传动是一门跨学科的技术，它涉及到电力电子器件、变流器、交流电机、控制 理论及微电子学在内的许多领域。经过近 20 年的发展，交流传动在工业及交通运输业中 已开始得到广泛应用。但是，由于这一领域所具有的跨学科的特点，在系统控制理论上 和许多实用技术上，还存在一些问题，有待进一步研究改进和提高，其发展前景可归纳 为以下几个方面。一、电力电子器件一、电力电子器件电力电子器件是近代交流传动的基础和支