—— ——交流牵引传动技交流牵引传动技术术北京交通大学 电气工程学院 黄黄 彧彧1 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 l18981898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2 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：3 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4 Locomotive 2000Locomotive 2000-Series 460--Series 460- of the Swiss Federal Railways of the Swiss Federal Railways5 6 7 AEG 12XAEG 12X8 Universal Locomotive S252Universal Locomotive S2529 EuroSprinter-“EuroSprinter-“欧洲短跑手欧洲短跑手””10 第一代EuroSprinter：BR127 1992 第二代EuroSprinter：BR198 2003 第三代EuroSprinter：RH1216 2005 11 第二代第二代EuroSprinter：：BR198 主牵引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 IGBT12 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，目前有超过百列的年开始投入运行，目前有超过百列的TGV按按300公公里的时速在运行；里的时速在运行；•日本：日本：–在新干线运行的列车在新干线运行的列车1996年达到了时速年达到了时速300公里；公里；•意大利：意大利：–1996年以来，动车组（年以来，动车组（EMU）就实现了时速）就实现了时速300公里；公里；•西班牙：西班牙：–AVE是以法国的是以法国的TGV为基础，按西班牙铁路的要求制造的，时为基础，按西班牙铁路的要求制造的，时速达速达300公里；公里；•德国：德国：–新一代新一代ICE-3在在2002年正式投入运营，最高时速为年正式投入运营，最高时速为300公里。
公里13 200200系系400400系系E1E1E2E2E3E3E4E4STAR21STAR210 0系系100100系系300300系系700700系系[951[951试验车试验车] ][961[961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日本高速列车发展E3系系E4系系50070080014 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-2NAVG15 德国高速列车德国高速列车IEC-VICE1ICE5ICT德国-瑞士/奥地利第一代19851991ICE4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/hICE21ICE1ICE2ICE316 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线交流传动原型机车月完成了中国首台干线交流传动原型机车AC4000的试制的试制–采用自主研发的电压型非对称快速晶闸管油冷变流机组采用自主研发的电压型非对称快速晶闸管油冷变流机组–1025kW三相异步牵引电机三相异步牵引电机–在环行试验基地完成了最高速度在环行试验基地完成了最高速度120km/h的各项性试验。
的各项性试验AC4000DJ 九方九方DJ 2 奥星奥星 DJ J1 蓝箭蓝箭 17 CRHCRH动车组动车组动车组动车组18 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 910101111121219 U2U1W2V1W1V2n三相异步电动机三相异步电动机基本工作原理基本工作原理•电生磁：三相对称绕组电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生通往三相对称电流产生圆形旋转磁场圆形旋转磁场•磁生电：旋转磁场切割磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和转子导体感应电动势和电流电流•电磁力：转子载流（有电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电形成电磁转矩，驱动电动机旋转动机旋转20 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•转差频率控制转差频率控制•磁场定向控制磁场定向控制 转子旋转坐标系转子旋转坐标系•直接转矩控制直接转矩控制 定子绕组坐标系定子绕组坐标系21 U/f恒定控制恒定控制•U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。
的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降因为是控制电压与频率之比，称为因为是控制电压与频率之比，称为U/f控制•存在问题：存在问题：–低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化；应负载转矩的变化；–无法准确的控制电动机的实际转速由于恒无法准确的控制电动机的实际转速由于恒U/f变频器变频器是转速开环控制，设定值为定子频率也就是理想空载是转速开环控制，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速控制电动机的实际转速22 转差频率控制特点转差频率控制特点•转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率输转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号，是转差频率控制系统突出的特点或优点入信号，是转差频率控制系统突出的特点或优点在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑而且稳定。
或下降，加、减速平滑而且稳定•与直流双闭环系统存在差距的原因：与直流双闭环系统存在差距的原因：–所谓的所谓的“保持磁通恒定保持磁通恒定”的结论也只在稳态情况下才能成的结论也只在稳态情况下才能成立–函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素–在频率控制环节中，取在频率控制环节中，取 ，使频率得以与转速同步，使频率得以与转速同步升降如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给升降如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了 23 矢量控制基本思路矢量控制基本思路•磁场定向控制它是磁场定向控制它是70年代初由西德年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。
阐述了这一原理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24 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*CiAiBiCi1iβ1im1it1~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机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号 25 直接转矩控制直接转矩控制• 1985年，德国鲁尔大学的年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。
控量来控制•转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制转矩控制26 直接力矩控制基本原理直接力矩控制基本原理27 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，实际转矩必然在上下砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的限内脉动，而不是完全恒定的•由于磁链计算采用了带积分环节的电压模由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度化都会影响磁链计算的准确度•两个问题的影响在低速时都比较显著，因两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使而使DTC系统的调速范围受到限制系统的调速范围受到限制28 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29 交流传动系统的结构和类型交流传动系统的结构和类型 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30 •入端变流器的概念：把来自接触网的能量变换为入端变流器的概念：把来自接触网的能量变换为合适牵引电动机运行的形式；合适牵引电动机运行的形式；•牵引：整流器，基本任务是整流作用，将交流电牵引：整流器，基本任务是整流作用，将交流电压变换为直流电压。
压变换为直流电压–减小电流的畸变；减小电流的畸变；–提高功率因数，降低电能传输中的损耗；提高功率因数，降低电能传输中的损耗；–减少对信号和通信系统的干扰减少对信号和通信系统的干扰–电压型四象限脉冲整流器电压型四象限脉冲整流器•再生制动：逆变器再生制动：逆变器交交--直变流器直变流器31 四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器SBSA101032 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33 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34 二点式逆变器二点式逆变器• •二点式逆变器，把中间直流回路的正极电位或负极电位二点式逆变器，把中间直流回路的正极电位或负极电位二点式逆变器，把中间直流回路的正极电位或负极电位二点式逆变器，把中间直流回路的正极电位或负极电位接到电动机上；接到电动机上；接到电动机上；接到电动机上；• •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种状态，谐波含量较多。
种状态，谐波含量较多种状态，谐波含量较多种状态，谐波含量较多UdUd35 三点式逆变器三点式逆变器 • •采用三点式逆变器，除了把中间直流回路的正极或负采用三点式逆变器，除了把中间直流回路的正极或负采用三点式逆变器，除了把中间直流回路的正极或负采用三点式逆变器，除了把中间直流回路的正极或负极送到电动机外，还可以把中间直流回路的中点电位极送到电动机外，还可以把中间直流回路的中点电位极送到电动机外，还可以把中间直流回路的中点电位极送到电动机外，还可以把中间直流回路的中点电位送到电动机上；送到电动机上；送到电动机上；送到电动机上；• •其输出端电位在其输出端电位在其输出端电位在其输出端电位在+Ud/2+Ud/2和和和和0 0之间或者在之间或者在之间或者在之间或者在0 0和和和和-Ud/2-Ud/2之间变之间变之间变之间变化，可减少半导体器件的阻断电压，为输入端直流电化，可减少半导体器件的阻断电压，为输入端直流电化，可减少半导体器件的阻断电压，为输入端直流电化，可减少半导体器件的阻断电压，为输入端直流电压的一半；压的一半；压的一半；压的一半；• •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36 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37 由由由由四象限变流器四象限变流器四象限变流器四象限变流器和和和和PWMPWM逆变器逆变器逆变器逆变器组成的电压型牵组成的电压型牵组成的电压型牵组成的电压型牵引变流器已成为交流供电的电力机车、电动车组主引变流器已成为交流供电的电力机车、电动车组主引变流器已成为交流供电的电力机车、电动车组主引变流器已成为交流供电的电力机车、电动车组主变流器的基本电路变流器的基本电路变流器的基本电路变流器的基本电路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38 300 系系•电传动部分采用牵引变压器电传动部分采用牵引变压器+四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器+PWM逆变器逆变器+三相交流感应电动机的传动方式三相交流感应电动机的传动方式•每个主变流器装置中有每个主变流器装置中有4个模块，其中个模块，其中2个模块为两重个模块为两重四象限脉冲整流器，另外四象限脉冲整流器，另外2个模块为逆变器及过压保护个模块为逆变器及过压保护装置。
每个模块分别由装置每个模块分别由4只只GTO元件（元件（4500V／／3000A）和）和4只反并联二极管（只反并联二极管（4500V／／800A）压接）压接在一起组成在一起组成•主变流装置中的主变流装置中的2个四象限脉冲整流器载波错开个四象限脉冲整流器载波错开90°，，可以抑制可以抑制4kHz附近的高次谐波电流；附近的高次谐波电流； •中间直流回路电压中间直流回路电压1900V 39 700系系•变流频率从变流频率从300系的系的420Hz升至升至1500Hz，主变流装置采用了三级，主变流装置采用了三级电平电路，使输入输出波形与电平电路，使输入输出波形与GTO相比更接近正弦波，从而抑制相比更接近正弦波，从而抑制了高次谐波，降低了主变压器的噪声了高次谐波，降低了主变压器的噪声•IPM模块代替了模块代替了GTO 40 CRH动车组主电路动车组主电路41 交流传动牵引控制策略交流传动牵引控制策略•控制目标：控制目标：–网侧功率因数接近网侧功率因数接近1，电流畸变小；，电流畸变小；–在网压波动时中间直流电压保持稳定；在网压波动时中间直流电压保持稳定；–在负载或供电电压波动时具有快速响应；在负载或供电电压波动时具有快速响应；–启动平稳，谐波转矩小，启动力矩稳定；启动平稳，谐波转矩小，启动力矩稳定；–在宽广的速度范围内实现恒功率控制。
在宽广的速度范围内实现恒功率控制•脉冲整流器：瞬态直接电流控制；脉冲整流器：瞬态直接电流控制；•牵引逆变器牵引逆变器-异步电机驱动系统：磁场定向矢量控制和直异步电机驱动系统：磁场定向矢量控制和直接转矩控制接转矩控制 42 小 结•交流调速技术交流调速技术–V/F V/F –转差控制转差控制 –矢量控制矢量控制 –直接转矩直接转矩•交流传动机车主电路典型结构交流传动机车主电路典型结构•交流传动牵引控制策略交流传动牵引控制策略43 若有不当之处，请指正，谢谢！44 。