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1、一、交流传动背景介绍1、发展历程电力传动诞生于 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。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；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 速技术成为电动机调速的发展方向；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；许多过去不调速的传动装置，如风机、水泵等， 也都采用了调速传动；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
2、，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被肯定的系统，大举进 入电气传动调速控制的各个领域。2、交流传动电力机车发展综述随着科技的进步，电力机车的发展方向逐渐成为以安全性、实用性、可靠性、 灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好的发展目标。但是，不可避免的，存在 着地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平等限制。随着 电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等的出现与发展，行业从业者们满 足运输的需求，充分利用新技术，利用新材料，采用新
3、工艺从而实现新一代电力 机车的发展。3、交流传动电力机车的组成辅助变频器主变频器及电机驱动模动力制动模通讯模块空气系统模块电子设备图 1-1 机车内部构造4、我国交流传动机车的发展现状我国交流传动技术的研究始于 70 年代初，可以说起步不晚，但国际上 80年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要跟在别人后面先KK,后GTO,再IGBT 步一步地走老路 绕弯子，应跨过 GTO 阶段，直接发展 IGBT 技术，缩短我国与国际上当今先进技 术的差距。到 90 年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制的,功 率达 1000kW 的电力牵
4、引交流传动系统获得成功。在此基础上,由株洲电力机车 厂、株洲电力机车研究所于1996年共同研制的4轴4000kW，我国第一台交流传 动电力机车（原形车）诞生。以 AC4000 命名的交流传动机车的研制,标志着我 国电力机车进入交流传动时代。1999 年 9 月我国首台交流传动内燃机车“捷力型”调车内燃机车研制成功； 2000 年 6 月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的 DF4DJ 型交流传动 内燃机车落成,该机车为客货运两用,它的研制成功标志着我国大功率内燃机车 跨入了将全面实现交流化的新时代。机车设计轴重为 233%,计算整备重量为 1383%t,机车的最大速度为145km/h，持
5、续速度为19.9km/h,持续牵引力为 444kN,轮周功率为2460kW，轮周制动功率为2850kW。直流传动介绍1、直流传动概述直流传动系统主要分为两种：直-直传动系统和交-直传动系统。 直-直传动系统工作原理：直流斩波实现直流电压调节。该系统主要在地铁 机车、工矿机车等传动系统中采用。交-直传动系统工作原理：整流器实现 AC-DC 变换并调节电压。该系统主要 在干线电力机车及内燃机车中采用。图 2-1 直-直传动系统isR图 2-2 交-直传动系统速度调节方法：由n =可得，有三种方法，调节电枢电压，调节电枢Ce电流和调节励磁电流。2、直流调速的理论分析调速系统的调速技术指标主要分为：静
6、态指标和动态指标。2.1静差度 S静差度 S 表示出生产机械运行时转速稳定的程度。n n An根据S二 Ue =竺，当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一n n00定范围之内，即要求静差度 S 小于一定数值电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高；在一个 调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能 满足要求2.2调速范围 D在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提 下所能达到的最低转速之比称为调速范围 。2.3 动态技术指标从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转所经过的一段过渡过程，称为动 态过程。3、负载特性与调速
7、方式(a)恒转矩型(b)恒功率型图 2-4 负载类型负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电动机 的额定转矩T应等于或略大于负载转矩TL；负载为恒功率型的生产机械应尽可 能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率PN应等于或略大于生产机 械的静负载功率PL。4、直流传动机车控制系统图 2-5 闭环控制系统励磁绕组KH变速轻rtf牵引变压器枱淤器图 2-6 交直电力机车主电路三、交流传动介绍1、交流传动概述交流传动系统主要分为三种：直-交传动系统、交-交传动系统和交-直-交传 动系统。直-交传动系统工作原理：逆变器实现 DC-AC 变换并调节电压。该系统主要 在干线电力
8、机车及内燃机车中采用。交-交传动系统工作原理：变流器将频率电压恒定的三相交流电变换成频率 电压可调的三相交流电。该系统主要应用在低频交流传动系统中如轧钢等。交-直-交传动系统工作原理：将频率电压恒定的三相交流电变换成直流电， 再将直流电变换成频率电压可调的三相交流电。该系统广泛用于交通、工业、能源等领域。图 3-1 直-交传动系统言.irl频率电压可调的三相交流电图 3-2 交-交传动系统图 3-3 交-直-交传动系统交流传动系统调速方法主要有三种：s娈频调速改变转差率调速=旳（1变极调速变极调速：有级的；变转差调速：不能改变电动机的同步速度，调速范围有限，损耗大，效率低； 变频调速：效率高，
9、调速范围广，调节精度高，目前应用最广泛，最有市场 前景。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。因此，在调频调速时，需要同时改变加在电机上的电压（VF + VV）。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速 时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高， 在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美，因此现在 应用面很广。2、交流传动的技术特点人们很早地
10、认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其 本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表 现出来的。交流传动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特 点和优点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱 动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺 寸等诸多方面。2.1构造简单异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接 触部分。串激直流电动机则不然，结构复杂。定子、转子都有绝缘要求很高的绕 组，有换向器装置和电刷机构，磨擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和 机械强度的限制
11、，只能达到 2500r/min 左右。而交流异步电动机转速可达 4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min,这是直流电机所忘尘莫急的。 2.2粘着性能好异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高， 转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即 使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出 5%以上。串激电动机则不然，转 矩变化一点，转速就有很大的变化。异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利 用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变 逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱
12、动系统既不能发生空转，又能 充分发挥最大的牵引力。可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充 分利用机车的粘着性能。在交直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电 机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。2.3 功率大，牵引力大这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条 件下，可以装更大功率的异步电动机。如加拿大改造的CP4744号机车，在给定 的设计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制在600700kW/轴。装用BBC6FRA40B异步牵引电动机，其功率可达1492kW/轴以上。正因如此，才可使机 车的牵引功率大大提高。牵引功率大导致牵引力大，
13、而又由于粘着性能好，大的 牵引力能充分发挥其牵引能力。我们可以比较一下 ND5 型交直流传动机车和 SD60MAC交流传动机车的牵引力情况：ND5机车的柴油机的标定功率为2940kW， 起动牵引力为533.6kN,持续速度为22.2km/h时的持续牵引力为359.8kN； SD60MAC机车的柴油机的标定功率为2835kW，起动牵引力为781kN，持续速度为 20.5km/h时的持续牵引力为521kN。后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵 引力都高出 45%。目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为： 直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异
14、步电动机为0.68kW/kg。 随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。如日本新干线 300 系列原型试验车，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到300kW，而其重量不 足400kg，单位重量功率可达0.75kW/kg。这一经济技术指标，对世界各国正在 大力发展的重载和高速机车尤为有利。2.4可靠性高，维修简便 交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好， 防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为 H 级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。控制装置是模 块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触
15、点电子元 件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡 滞等问题。CP4744型机车的运用实践表明：只发生过极少的故障，而这些故障 无一件与逆变器或牵引电动机一类的主要硬件有关。MaK公司制造的交流牵引电 动机连续工作7 年没有发生过一件烧损事故。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公 司直流电动机的大修期一般在 4 万公里至 48 万公里之间，而交流牵引电动机的 大修期可高达 120160 万公里。另外交流传动机车有完备的微机监视系统和故障 诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。综上所述，可知交流传 动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。加拿 大 CP4744 型交流传动机车的应用实践表明：不仅延长了计划修间隔，而且减少 了计划外修理次数，每台机车每年可减少计划外修6 次。2.5效率高，利用率高、使用灵活性强交流传动系统的总效率约为 0.90，而交直流传动系统的总效率约为 0.86。E120 交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能 36%，货运作业 时可节能 810%。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用 率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了 10%。对 铁路运营管理来说
