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1、 交流牵引传动交流牵引传动技技术术北京交通大学 电气工程学院 黄黄 彧彧交流传动的早期发展阶段交流传动的早期发展阶段l l18791879年出现第一台电力机车年出现第一台电力机车年出现第一台电力机车年出现第一台电力机车l l18811881年第一台直流供电城市电车年第一台直流供电城市电车年第一台直流供电城市电车年第一台直流供电城市电车l l18911891年德国西门子试验车：两条架空线年德国西门子试验车：两条架空线年德国西门子试验车：两条架空线年德国西门子试验车：两条架空线+ +一条一条一条一条轨道提供轨道提供轨道提供轨道提供550V550V三相交流三相交流三相交流三相交流l l1898189
2、8年西门子在一台两轴车上安装了变压器，年西门子在一台两轴车上安装了变压器，年西门子在一台两轴车上安装了变压器，年西门子在一台两轴车上安装了变压器，由三根架空线提供由三根架空线提供由三根架空线提供由三根架空线提供10kV/50Hz10kV/50Hz三相交流电，三相交流电，三相交流电，三相交流电，绕线转子异步电机，转子串电阻实现转差调节绕线转子异步电机，转子串电阻实现转差调节绕线转子异步电机，转子串电阻实现转差调节绕线转子异步电机，转子串电阻实现转差调节l l5050年代初，整流器机车的问世，结束了电力牵年代初，整流器机车的问世，结束了电力牵年代初，整流器机车的问世，结束了电力牵年代初，整流器机车
3、的问世，结束了电力牵引交流传动技术的早期发展阶段引交流传动技术的早期发展阶段引交流传动技术的早期发展阶段引交流传动技术的早期发展阶段交流传动技术的发展交流传动技术的发展交流传动技术的发展交流传动技术的发展1964年在西德的年在西德的BBC提出了逆变器的分谐波控制提出了逆变器的分谐波控制概念和方法概念和方法1971年德联邦试运年德联邦试运DE2500内燃机车，证实三相内燃机车，证实三相交流异步牵引：高牵引力、高粘着利用、高制动交流异步牵引：高牵引力、高粘着利用、高制动性能、无磨损少维修、动力学性能好性能、无磨损少维修、动力学性能好1983 5台四轴台四轴5600KW交流传动干线电力机车交流传动干
4、线电力机车BR120投入运用投入运用 随着电力电子技术和微电子技术的发展，随着电力电子技术和微电子技术的发展，60年代中，有年代中，有可能把单相交流变换成适合于牵引用的三相交流电：可能把单相交流变换成适合于牵引用的三相交流电：交流传动的交流传动的交流传动的交流传动的近代发展阶段近代发展阶段近代发展阶段近代发展阶段（20世纪世纪60年代以来）年代以来）1964 1964 脉宽调制逆变器脉宽调制逆变器1971 1971 磁场定向控制磁场定向控制1973 1973 四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器1985 1985 直接转矩自控制法直接转矩自控制法Locomotive 2000Locomotive
5、2000-Series 460-Series 460- of the Swiss Federal Railways of the Swiss Federal RailwaysAEG 12XAEG 12XUniversal Locomotive S252Universal Locomotive S252EuroSprinter-“EuroSprinter-“欧洲短跑手欧洲短跑手”第一代EuroSprinter：BR127 1992 第二代EuroSprinter：BR198 2003 第三代EuroSprinter：RH1216 2005 第二代第二代EuroSprinter：BR198 主牵引
6、主牵引变流器变流器主牵引变流器一相桥臂主牵引变流器一相桥臂6.5kV IGBT已开通已开通300km/h300km/h高速列车的国家高速列车的国家法国：法国：TGV于于1989年开始投入运行，目前有超年开始投入运行，目前有超过百列的百列的TGV按按300公公里的里的时速在运行；速在运行；日本：日本：在新干在新干线运行的列运行的列车1996年达到了年达到了时速速300公里；公里；意大利：意大利：1996年以来，年以来，动车组（EMU）就）就实现了了时速速300公里；公里；西班牙：西班牙：AVE是以法国的是以法国的TGV为基基础，按西班牙，按西班牙铁路的要求制造的，路的要求制造的，时速达速达300
7、公里；公里；德国：德国：新一代新一代ICE-3在在2002年正式投入运年正式投入运营，最高，最高时速速为300公里。公里。200200系系400400系系E1E1E2E2E3E3E4E4STAR21STAR210 0系系100100系系300300系系700700系系951951试验车试验车 961961试验车试验车 198519851992199219991999300X300X100N100N系系300N300N系系500500系系WIN350WIN350东北东北上越上越山形山形北陆北陆秋田秋田东东 海海 道道山山 阳阳1964100系系300系系400系系E1系系E2系系日本高速列车发展
8、日本高速列车发展E3系系E4系系500700800法国高速列车发展法国高速列车发展TGV-PSETGV-ATGV-2NTGV东南线大西洋线第二代198119891990.5.18创515.3km/h记录AVE1992西班牙高速线用TGV-R高速联线、北方线1993TGV-TMST1994英、比、法三国国际线TGV-PBKA1996法、荷、比、德四国国际线TGV-K1997韩国高速线用1996第三代双层高速列车，东南线、地中海线第四代2006 法国东部线第一代TGV-ATGV-TMSTTGV-2NAVG德国高速列车德国高速列车IEC-VICE1ICE5ICT德国-瑞士/奥地利第一代1985199
9、1ICE4使用磁悬浮技术，汉堡-柏林新型转向架摆式列车，运行速度230km/h试验车第二代ICE2199660列运行，速度280km/h44列运行，速度280km/h第三代ICE31997陡坡线路速度300km/hICE21ICE1ICE2ICE3我国交流传动机车我国交流传动机车我国交流传动机车我国交流传动机车1996年年6月完成了中国首台干月完成了中国首台干线交流交流传动原型机原型机车AC4000的的试制制采用自主研采用自主研发的的电压型非型非对称快速晶称快速晶闸管油冷管油冷变流机流机组1025kW三相异步三相异步牵引引电机机在在环行行试验基地完成了最高速度基地完成了最高速度120km/h的
10、各的各项性性试验。AC4000DJ 九方九方DJ 2 奥星奥星 DJ J1 蓝箭蓝箭 CRHCRH动车组动车组动车组动车组交流电机调速方法交流电机调速方法1-1-轴承盖；轴承盖；2-2-端盖；端盖；3-3-接线盒；接线盒；4-4-定子铁心；定子铁心；5-5-定子绕组；定子绕组；6-6-散热筋；散热筋； 7-7-转轴；转轴；8-8-转子；转子；9-9-风扇；风扇；10-10-罩壳；罩壳；11-11-轴承；轴承；12-12-机座机座12 23 36 64 45 57 78 89 9101011111212U2U1W2V1W1V2n三相三相异步电动机异步电动机基本基本工作原理工作原理电生磁：三相生磁
11、：三相对称称绕组通往三相通往三相对称称电流流产生生圆形旋形旋转磁磁场。磁生磁生电：旋：旋转磁磁场切割切割转子子导体感体感应电动势和和电流流电磁力：磁力：转子子载流（有流（有功分量功分量电流）体在磁流）体在磁场作用下受作用下受电磁力作用，磁力作用，形成形成电磁磁转矩，矩，驱动电动机旋机旋转。交流传动异步电机控制技术交流传动异步电机控制技术U/f恒定控制恒定控制转差差频率控制率控制磁磁场定向控制定向控制 转子旋子旋转坐坐标系系直接直接转矩控制矩控制 定子定子绕组坐坐标系系U/f恒定控制恒定控制U/f控制是在改控制是在改变电动机机电源源频率的同率的同时改改变电动机机电源的源的电压，使，使电动机磁通保
12、持一定，在机磁通保持一定，在较宽的的调速范速范围内，内，电动机的效率，功率因数不下降。机的效率，功率因数不下降。因因为是控制是控制电压与与频率之比，称率之比，称为U/f控制。控制。存在存在问题：低速性能低速性能较差，差，转速极低速极低时，电磁磁转矩无法克服矩无法克服较大大的静摩擦力，不能恰当的的静摩擦力，不能恰当的调整整电动机的机的转矩矩补偿和适和适应负载转矩的矩的变化；化；无法准确的控制无法准确的控制电动机的机的实际转速。由于恒速。由于恒U/f变频器器是是转速开速开环控制，控制，设定定值为定子定子频率也就是理想空率也就是理想空载转速，而速，而电动机的机的实际转速由速由转差率所决定，所以差率所
13、决定，所以U/f恒定控制方式存在的恒定控制方式存在的稳定定误差不能控制，故无法准确差不能控制，故无法准确控制控制电动机的机的实际转速。速。转差频率控制特点转差频率控制特点转差角差角频率与率与实测转速信号相加后得到定子速信号相加后得到定子频率率输入信号，是入信号，是转差差频率控制系率控制系统突出的特点或突出的特点或优点。点。在在调速速过程中，程中，实际频率随着率随着实际转速同步地上升速同步地上升或下降，加、减速平滑而且或下降，加、减速平滑而且稳定。定。与直流双与直流双闭环系系统存在差距的原因：存在差距的原因：所所谓的的“保持磁通恒定保持磁通恒定”的的结论也只在也只在稳态情况下才能成情况下才能成立
14、。立。函数关系中只抓住了定子函数关系中只抓住了定子电流的幅流的幅值，没有控制到，没有控制到电流的流的相位，而在相位，而在动态中中电流的相位也是影响流的相位也是影响转矩矩变化的因素。化的因素。在在频率控制率控制环节中，取中，取 ，使，使频率得以与率得以与转速同步升降如果速同步升降如果转速速检测信号不准确或存在干信号不准确或存在干扰，也就会，也就会直接直接给频率造成率造成误差，因差，因为所有所有这些偏差和干些偏差和干扰都以正反都以正反馈的形式毫无衰减地的形式毫无衰减地传递到到频率控制信号上来了。率控制信号上来了。 矢量控制基本思路矢量控制基本思路磁磁场定向控制。它是定向控制。它是70年代初由西德年
15、代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流等人首先提出，以直流电机和交流机和交流电机比机比较的方法的方法阐述了述了这一原理。一原理。3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCitimii异步电动机异步电动机矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 矢量控制系统原理结构图控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电
16、机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 直接转矩控制直接转矩控制 1985年，德国年，德国鲁尔大学的大学的DePenbrock教授首次教授首次提出了直接提出了直接转矩控制理矩控制理论，该技技术在很大程度上在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通解决了矢量控制的不足，它不是通过控制控制电流，流，磁磁链等量等量间接控制接控制转矩，而是把矩，而是把转矩直接作矩直接作为被被控量来控制。控量来控制。转矩控制是控制定子磁矩控制是控制定子磁链，在本，在本质上并不需要上并不需要转速信息，控制上速信息，控制上对除定子除定子电阻外的所
17、有阻外的所有电机参数机参数变化化鲁棒性良好，所引入的定子磁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无无速度速度传感器，感器，这种控制被称种控制被称为无速度无速度传感器直接感器直接转矩控制。矩控制。直接力矩控制基本原理直接力矩控制基本原理DTC系统存在的问题系统存在的问题由于采用砰由于采用砰-砰控制，砰控制，实际转矩必然在上下矩必然在上下限内脉限内脉动，而不是完全恒定的。，而不是完全恒定的。由于磁由于磁链计算采用了算采用了带积分分环节的的电压模模型，型，积分初分初值、累、累积误差和定子差和定子电阻的阻的变化都会影响磁化
18、都会影响磁链计算的准确度。算的准确度。两个两个问题的影响在低速的影响在低速时都比都比较显著，因著，因而使而使DTC系系统的的调速范速范围受到限制。受到限制。直接转矩控制系统与直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较矢量控制系统的比较特点与性能特点与性能直接转矩控制系统直接转矩控制系统 矢量控制系统矢量控制系统磁链控制磁链控制 定子磁链定子磁链 转子磁链转子磁链转矩控制转矩控制 砰砰-砰控制，脉动砰控制，脉动 连续控制，平滑连续控制，平滑旋转坐标变换旋转坐标变换 不需要不需要 需要需要转子参数变化影响转子参数变化影响 无无 有有调速范围调速范围 不够宽不够宽 较宽较宽交流传动系统的结构和类型交流传动
19、系统的结构和类型 受电弓受电弓5 51010121211119 94 46 61 12 27 78 83 3整流器整流器主断路器主断路器牵引变压器牵引变压器中间回路中间回路逆变器逆变器交流牵引交流牵引电动机电动机传动齿轮传动齿轮电子控制装置电子控制装置司机控制器司机控制器触发脉冲发生器触发脉冲发生器入端入端变流器的概念：把来自接触网的能量流器的概念：把来自接触网的能量变换为合适合适牵引引电动机运行的形式；机运行的形式；牵引：整流器，基本任引：整流器，基本任务是整流作用，将交流是整流作用，将交流电压变换为直流直流电压。减小减小电流的畸流的畸变；提高功率因数，降低提高功率因数，降低电能能传输中的中
20、的损耗；耗；减少减少对信号和通信系信号和通信系统的干的干扰。电压型四象限脉冲整流器型四象限脉冲整流器再生制再生制动：逆：逆变器器交交-直变流器直变流器四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器SBSA1010三点式脉冲整流器的波形三点式脉冲整流器的波形漏抗电压漏抗电压变压器次边电流变压器次边电流四象限电压四象限电压变压器次边电压变压器次边电压牵引变流器牵引变流器在接触网或柴油发电机与牵引电机间进行电能变换在接触网或柴油发电机与牵引电机间进行电能变换必须能根据牵引与制动状态而改变能量的流向必须能根据牵引与制动状态而改变能量的流向易于高效率地调节牵引力和速度易于高效率地调节牵引力和速度高的开关频率：高的开关
21、频率： 降低了电压、电流的谐波成分降低了电压、电流的谐波成分减小了电机的力矩脉动减小了电机的力矩脉动减小了滤波电容、电感减小了滤波电容、电感电压型牵引逆变器电压型牵引逆变器 电流型牵引逆变器电流型牵引逆变器二点式逆变器二点式逆变器 二点式逆二点式逆二点式逆二点式逆变变器，把中器，把中器，把中器，把中间间直流回路的正极直流回路的正极直流回路的正极直流回路的正极电电位或位或位或位或负负极极极极电电位位位位接到接到接到接到电动电动机上；机上；机上；机上； 在一个周期中，只有在一个周期中，只有在一个周期中，只有在一个周期中，只有8 8种状种状种状种状态态，谐谐波含量波含量波含量波含量较较多。多。多。多
22、。UdUd三点式逆变器三点式逆变器 采用三点式逆采用三点式逆采用三点式逆采用三点式逆变变器，除了把中器，除了把中器，除了把中器，除了把中间间直流回路的正极或直流回路的正极或直流回路的正极或直流回路的正极或负负极送到极送到极送到极送到电动电动机外，机外，机外，机外，还还可以把中可以把中可以把中可以把中间间直流回路的中点直流回路的中点直流回路的中点直流回路的中点电电位位位位送到送到送到送到电动电动机上；机上；机上；机上； 其其其其输输出端出端出端出端电电位在位在位在位在+Ud/2+Ud/2和和和和0 0之之之之间间或者在或者在或者在或者在0 0和和和和-Ud/2-Ud/2之之之之间变间变化，可减少
23、半化，可减少半化，可减少半化，可减少半导导体器件的阻断体器件的阻断体器件的阻断体器件的阻断电压电压，为输为输入端直流入端直流入端直流入端直流电电压压的一半；的一半；的一半；的一半； 三点式逆变器的输出端三点式逆变器的输出端三点式逆变器的输出端三点式逆变器的输出端电压波形比二点式逆变电压波形比二点式逆变电压波形比二点式逆变电压波形比二点式逆变器包含较小的谐波分量，器包含较小的谐波分量，器包含较小的谐波分量，器包含较小的谐波分量，可减少电压和电流冲击，可减少电压和电流冲击，可减少电压和电流冲击，可减少电压和电流冲击，从而有利于降低损耗、从而有利于降低损耗、从而有利于降低损耗、从而有利于降低损耗、提
24、高系统功率、减少转提高系统功率、减少转提高系统功率、减少转提高系统功率、减少转矩脉动。矩脉动。矩脉动。矩脉动。晶闸管GTOIGBT/IPM交流传动机车交流传动机车交流传动机车交流传动机车“开关开关开关开关”器件器件器件器件 由由由由四象限四象限四象限四象限变变流器流器流器流器和和和和PWMPWM逆逆逆逆变变器器器器组组成的成的成的成的电压电压型型型型牵牵引引引引变变流器已成流器已成流器已成流器已成为为交流供交流供交流供交流供电电的的的的电电力机力机力机力机车车、电动车组电动车组主主主主变变流器的基本流器的基本流器的基本流器的基本电电路。路。路。路。交流传动电力机车和电动车组交流传动电力机车和电
25、动车组交流传动电力机车和电动车组交流传动电力机车和电动车组300 系系电传动部分采用部分采用牵引引变压器器+四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器+PWM逆逆变器器+三相交流感三相交流感应电动机的机的传动方式。方式。每个主每个主变流器装置中有流器装置中有4个模个模块，其中，其中2个模个模块为两重两重四象限脉冲整流器，另外四象限脉冲整流器，另外2个模个模块为逆逆变器及器及过压保保护装置。每个模装置。每个模块分分别由由4只只GTO元件（元件（4500V3000A）和）和4只反并只反并联二极管（二极管（4500V800A）压接接在一起在一起组成。成。主主变流装置中的流装置中的2个四象限脉冲整流器个四象限脉
26、冲整流器载波波错开开90，可以抑制可以抑制4kHz附近的高次附近的高次谐波波电流；流； 中中间直流回路直流回路电压1900V 。 700系系变流流频率从率从300系的系的420Hz升至升至1500Hz，主，主变流装置采用了三流装置采用了三级电平平电路，使路，使输入入输出波形与出波形与GTO相比更接近正弦波，从而抑制相比更接近正弦波，从而抑制了高次了高次谐波，降低了主波，降低了主变压器的噪声。器的噪声。IPM模模块代替了代替了GTO。 CRH动车组主电路动车组主电路两重两点式脉冲整流器两重两点式脉冲整流器+两点式逆两点式逆变器器磁磁场定向矢量控制定向矢量控制三点式脉冲整流器三点式脉冲整流器+三点
27、式逆三点式逆变器器转子磁子磁场定向定向间接矢量控制接矢量控制CRH1两点式脉冲整流器两点式脉冲整流器+两点式逆两点式逆变器器直接直接转矩控制矩控制CRH2两点式脉冲整流器两点式脉冲整流器+两点式逆两点式逆变器器矢量控制矢量控制CRH3CRH5交流传动牵引控制策略交流传动牵引控制策略控制目控制目标：网网侧功率因数接近功率因数接近1，电流畸流畸变小；小；在网在网压波波动时中中间直流直流电压保持保持稳定；定；在在负载或供或供电电压波波动时具有快速响具有快速响应；启启动平平稳，谐波波转矩小，启矩小，启动力矩力矩稳定；定；在在宽广的速度范广的速度范围内内实现恒功率控制。恒功率控制。脉冲整流器：瞬脉冲整流器：瞬态直接直接电流控制；流控制；牵引逆引逆变器器-异步异步电机机驱动系系统：磁：磁场定向矢量控制和直定向矢量控制和直接接转矩控制。矩控制。 小 结交流交流调速技速技术V/F V/F 转差控制差控制 矢量控制矢量控制 直接直接转矩矩交流交流传动机机车主主电路典型路典型结构构交流交流传动牵引控制策略引控制策略
