牵引传动论文.pdf

电力牵引传动发展概况电力牵引传动发展概况电力牵引传动发展概况电力牵引传动发展概况 班级 交通设备班级 交通设备 0902090209020902 班班 学号 学号 姓名 姓名 电力牵引传动发展概况电力牵引传动发展概况 摘要摘要 轨道交通一直是我国交通运输业的主体 而电力牵引已经成为轨道牵引动力的主要形 式 这篇文章首先介绍了电力牵引传动各种形式的介绍 再通过电力牵引传动系统中的牵引 变流器和牵引电动机的发展说明了电力牵引传动的发展概况 关键词关键词 电力牵引直流传动交流传动牵引变流器牵引电动机 1 1 1 1 电力牵引概论电力牵引概论 电力牵引传动系统主要由牵引供电装置 变流调速装置 驱动装置三部分构成 牵引供 电方式经历了初期的低压直流 三相交流供电后 电流制逐步趋向统一 现代主要有 15kV16 2 3Hz 单相低频交流制 3kV 直流制 25kV 50Hz 单相工频交流制 1950 年由法国试建 25kV 50Hz 单相工频交流制后 显示出了很大的优点 虽然发展较晚但发展很快 半个多世 纪以来就建成 106883km 占全球电气化铁路的 40 9 单相工频交流制的电气化铁路将成为 主流 根据不同的供电制和驱动电机的组合 出现了所对应的变流调速方式 随着电力电子 器件的不断发展 到现代已形成较为统一的主流变流技术模 DC DC AC DC DC AC AC DC AC 驱动方式由早期的直流电机 三相电机演变到脉流电机 单相整流子电机直至 现代的三相异步交流电机和三相同步交流电机驱动 直 直流电力机车采用直流制供电 牵引变电所内设有整流装置 它将三相交流电变成 直流电后 再送到接触网上 因此 电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵 引电动机使用 简化了机车上的设备 直流制的缺点是接触网的电压低 一般为 l500V 或 3000 V 接触导线要求很粗 要消耗大量的有色金属 加大了建设投资 直 直流内燃机车 的传动方式主要采用直流牵引发电机和直流电动机 其特点是调速方法比较简便 直流串励 电动机的转速特性较软 适合于机车牵引 其弊端是直流牵引发电机的功率受到换向条件和 机车限界尺寸以及机车轴重的限制 使单机组直流电力传动内燃机车的功率几乎限制在 2200 以下我国 60 年代初开始生产 主要机型有东风型 东风 2 型 东风 3 型以及进口 的 ND1 型 ND2 型等机车 交 直流电力机车采用交流制供电 目前世界上大多数国家都采用工频 50Hz 交流制 或 25 Hz 低频交流制 在这种供电制下 牵引变电所将三相交流电改变成 25 kV 工业频率单 相交流电后送到接触网上 但是在电力机车上采用的仍然是直流串励电动机 这种电动机最 大优点是调速简单 只要改变电动机的端电压 就能很方便地在较大范围内实现对机车的调 速 但是这种电机由于带有整流子 使制造和维修都很复杂 体积也较大 把交流电变为 直流电的任务在机车上完成 由于接触网电压比直流制时提高了很多 接触导线的直径可以 相对减小 减少了有色金属的消耗和建没投资 因此 工频交流制得到了广泛采用 世界上 绝大多数电力机车也是交 直流电力机车 交 直流内燃机车的传动方式是采用交流牵引发电机 通过大功率硅整流器将交流电变为直 流电 然后供给数台直流牵引电动机 交流发电机无换向器 克服了制造大功率直流牵引发 电机换向时所出现的困难 并且结构简单 运用可靠 省铜 重量轻 维护简便 保留了直 流牵引电动机的调速性能的特点 我国 70 年代初开始生产 主要机型有东风 4 型系列 东 风 5 型系列 东风 7 型系列 东风 8 型系列 东风 10 型系列 东风 11 型及进口的 ND4 型 ND5 型等机车 随着重载和高速列车的发展 机车功率的提高 直流牵引电动机的弊端已 经显现 交 直 交流电力机车采用交流无整流子牵引电动机 即三相异步电动机 这种电动机 在制造 性能 功能 体积 重量 成本 维护及可靠性等方面远比整流子电机优越得多 它之所以迟迟不能在电力机车上应用 主要原因是调速比较困难 这种机车具有优良的牵引 能力 很有发展前途 德国制造的 E120 型电力机车就是这种机车 交 直 交流内燃机车的传动方式采用交流牵引发电机和交流牵引电动机 因两者都是交流电 机 交流电动机无换向器 具有结构简单 体积小 运行可靠等优点 不但可以提高单节 机车的功率 而且由于其具有硬特性使机车具备良好的防止动轮空转打滑的性能 交流异步 电动机的转速主要决定于它的供电电源的频率 而在一定功率下柴油机的转速不变 牵引发 电机的频率也不变 因此交流电力传动的关键是在交流牵引发电机和交流牵引电动机之间设 置一个功率大 调频宽的变频装置 以满足交流牵引电动机的调速要求 交 交流电力传动是没有中间直流环节的直接变频的交流电力传动 其传动装置由交 流牵引发电机发出的三相交流电经一个或数个变频装置 BP 后 直接变为频率可调的三相交 流电 交 交流变频装置输出的频率要低于输入频率 一般最高输出电源频率只能达到输入 电源频率的三分之一 因而要求交流牵引发电机具有较高的频率 因此交 交流传动比较适 合于原动机转速较高的设备 如燃气轮机 2 2 2 2 变流器的发展变流器的发展 电力机车以及安装电传动内燃机车上设置在牵引主电路中的变流器是牵引传动装置的 核心部件 牵引变流器的功能是转换直流制和交流制间的电能量 并对各种牵引电动机起控 制和调节作用 从而控制机车的运行 牵引整流器可分为以下述四类 交流 直流整流器 直流 直流变流器 直流 交流变流器 交流 交流变流器 交流 直流整流器是将交流电整成直流电 主要有两种形式 采用桥式整 流线路的桥式整流器和采用中抽整流线路的中抽整流器 直流 直流变流器又称斩波器 用以 改变直流电压平均值的一种装置 用晶闸管强迫关断方法 周期性地控制直流电源和负载间 的通断 使斩波器输出端得一脉动电压 用平波电抗器 Ld 滤去脉动成分 则在负载上得到 一由周期导通角控制的直流电压 Ud 斩波器经适当的改接可有再生制动性能 直流斩波器 多用在直流电力机车 动车组和地铁车辆上 直流 交流变流器又称逆变器 将直流电变成交 流电的变流器 有电压型和电流型两种 电压型逆变器 由于换向要求直流侧电压 Ud 需 保持恒定而得名 异步牵引电动机起动时要求逆变器供出幅值可变的 接近正弦的低频电压 这可用分谐波调制法控制 F1 F2 的通断顺序来达到 电压型逆变器在控制电路作用下能顺 利地转入再生制动 利用这一可逆性又可制成交 直 交电力机车电源侧变流器 它能提供恒 定的中间环节直流电压 又可调节交流电网侧的功率因数和改善电流波形 这就是电压型四 象限变流器 电流型逆变器 它要求直流侧是一电流源 即 Id 要相对稳定 这可以采用串 联电抗器 Ld 来达到 电流型逆变器只能调频不能调压 调压功能由电源侧交 直变流器来 完成 电流型逆变器已在地铁车辆上应用 交流 交流变流器是不需经过直流中间环节 可直 接将单相交流电变成三相可调频的交流电 这种变流器中较成功的是用次驱动同步型牵引电 动机的两组三相反并桥式系统 它在原理上类似一电流型直 交逆变器 并借助于电源和负载 电势进行换向 这种类型的变流器已在苏联 83 型电力机车上应用 循环变流器是另一 种降频交 交变流器 是燃气轮机车电传动系统可以选择的一种设备 牵引变流器主要包括大功率二极管以及晶闸管 电容器和电抗器等 这些器件主要在两 个方面得到了发展 一是向大功率发展 提高元件质量 加强冷却措施 采用强迫通风 风 冷 油冷及氟冷方法 使单个元件开关峰值功率由 100 千伏安增加到 1000 千伏安以上 二 是增加品种 德国 日本等国已实现变流器元件产品系列化 专用化 如快速二极管和快速 晶闸管用于强迫换向电路 普通二极管和晶闸管用于电源换向电路 此外 制成逆导通晶闸 管 它在较高频的强迫换向电路中得到了应用 还有自关断器件 控制极关断晶闸管 GTO 和 大功率三极管 因为它们不需要强迫换流用的电容器和电抗器而使变流器大为简化 电容器 分为支撑电容器 滤波电容器和换流电容器 电抗器有滤波 换流和饱和电抗器之分 各类 器件都有其独自特点 变流器由不控整流器向可控变流器的发展 变流器的电子控制系统也发生变化 变流器 在 60 年代采用分立元件的开环控制系统 70 年代过渡到线性集成元件 运算放大器等 的 闭环控制系统 70 年代末则应用大集成度的数字集成器件和微处理机的闭环控制系统 这 些电子控制技术的应用使变流器的性能 进而使整个机车的性能和自动化程度显著提高 自 1879 年德国西门子公司建造的直流 125 伏 3 马力的电车应用牵引变流器取得成功 20 世纪 50 年代法国 德国 日本等国研制成多种工频牵引变流器 有单相 三相变频式变 流器 单相交流 直流旋转式变流器 多阳极水银式变流器和引燃管式变流器等 这些牵引 变流器还未推广就被 60 年代新出现的大功率半导体器件构成的变流器所替代 起初仅用大 功率二极管进行交流 直流间的整流 晶闸管和电子控制器件出现后 牵引整流器便具有交 直流间的可控整流和有源逆变 直 直流间的变换的功能 并且试制出直 交流间的变换器 80 年代 牵引变流器在电力机车 电力传动柴油机车 燃气轮机车 动车组以及地下铁道 车辆上得到广泛的应用 应用何种牵引变流器已成为表明机车特性的主要标志之一 牵引变流器正在朝大功率 调节控制性能齐全和对通信 电网无干扰的方向发展 80 年代初在牵引变流器中得到推广应用的是二极管整流 晶闸管相控和直流斩波 而以应用交 流牵引电动机为目标的直 交 交 交逆变技术虽然性能优越 并已有小批量生产应用 但 因价格昂贵 技术复杂以及操作 维修要求高等还未得到普遍推广 提高功率半导体器件的 性能 特别是提高自关断类的 GTO 和大功率三极管的功率和性能 应用氟冷却和大规模集成 数字电路技术等 将会推进牵引变流技术的发展 3 3 3 3 牵引电动机的发展牵引电动机的发展 牵引电动机是在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的装置 牵引电动机是机车牵 引传动部分中的重要装置 牵引电动机和牵引变流器被称为机车的心脏 牵引电动机有多种 类型 如直流牵引电动机 交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等 直流牵引电动机 尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性 适应机车牵引特性的需要 获得广泛应 用 牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同 但有特殊的工作条件 空间尺寸受到轨 距和动轮直径的限制 在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动 大 小齿轮 啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动 在恶劣环境中运用 雨 雪 灰沙容易侵入等 因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求 如要充分利用机体内部空间使结构紧凑 要 采用较高级的绝缘材料和导磁材料 零部件需有较高的机械强度和刚度 整台电机需有良好 的通风散热条件和防尘防潮能力 要采取特殊的措施以应付比较困难的 换向 条件以减少炭 刷下的火花等 牵引电动机有两种悬挂方式 一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式 称为抱轴式 悬挂或半悬挂 采用这种悬挂方式时 动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵 引电动机 抱轴式悬挂适用于结构速度低于 120 公里 小时的机车车辆 另一种是架承式悬 挂 或称全悬挂 采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上 在牵引电动机 轴端和小 大齿轮之间加入各种弹性连接元件 以减小冲击振动的影响 架承式悬挂适用于 结构速度高于 120 公里 小时的机车车辆 在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时 加在牵引电动机上的电压为脉动电压 因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机 大功率脉 流牵引电动机的 换向 条件更加困难 此外 电动机内部还有一些附加损耗 从而引起电动 机温升 因此 脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施 以解决 换向 和温升两个突出的问题 为了解决直流和脉流牵引电动机的 转向 问题 有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵 引电动机和三相交流异步变频牵引电动机 并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速 车辆 晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成 用晶闸 管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构 这种电动机具有直流电机 的优点而没有困难的 换向 问题 但晶闸管及其控制系统相当复杂 所以电子元件直接影响 电动机的运行可靠性 三相交流异步变频牵引电动机结构简单 工作可靠 成本低廉 是比 较理想的牵引电动机 但由于需用变频调速 它的发展和应用一度受到限制 60 年代 大 功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速 现在各国已有较多机车和动车 采用三相交流异步变频牵引电动机 联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异 步电动机 它的初级绕组敷设在地面导轨上 由地面的变频电源供电以产生行波磁场 调节 供电电源频率就可改变磁悬浮高速车辆的速度 次级绕组就是反应板 装在车辆的构架上 初级行波磁场和次级感应电流的相互作用 不仅产生使车辆前进的推力 而且还产生磁拉力 以悬浮车辆 并在制动工况时起着动力制动的作用 交流牵引电动机 包括变频异步牵引电动机和自控同步牵引电动机 是随着现代大力率 变流技术的迅速发展而发展起来的 除工业上应用以外 现已被成功地应用于铁道干线车和 高速动车上 交流异步牵引电动机转子上没有换向器及带绝缘的绕组 不存在换向火花和环 火稳定性问题 因此 它结构简单 运行可靠 可以以更高的圆周速度运转 使机车具有很 宽的调速范围 由于交流牵引电动机没有换向器工作面圆周速度的限制 因而可以选用高的 转速和大的传动比 这样 能显著减轻电机的重量 以获得较大的单位重量功率 另外 交 流电动机充分利用了原直流电机换向器所占的空间 热量能沿定子圆周均匀散发 改善了电 机的冷却效果 明显地增长了电机的寿命 它以十分显著的优良特性在德 日 法等经济发 达国家迅速发展 很快取代了传统的直流牵引电机 随着交流变频调速技术的日益成熟 可 以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速 调速范围可达 1 1000 比直流调速范围更大 尤其是没有了直流电机换向器的存在 因而克服了直流电机的许多弊端 交流牵引电机与直 流电机相比 结构简单可靠 体积小 重量轻 更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面 的要求 更重要的是交流牵引电机因具