大功率交流传动机车的关键技术.ppt

1 大功率交流传动机车的关键技术 郭世明西南交通大学电气工程学院2009年11月 2 内容 1 交流传动的优点2 国内外交流传动的发展概况3 和谐型大功率交流传动机车4 大功率交流传动机车的关键技术 3 1 交流传动的优点 交流传动机车所以成为现代机车发展的方向 正是由其所具有的特点和优点所决定的 和传统的直流传动相比 交流传动系统的优越之处表现在功率因数 粘着 维修 效率 重量尺寸 动力性能 制动性能等诸多方面 4 1 粘着性能好 1 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 串激电动机则不然 转矩变化一点 转速就有很大的变化 2 异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节 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 使驱动系统既不发生空转 又能充分发挥最大的牵引力 5 例如 1992年美国铁路协会 AAR 在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是 起动粘着系数45 全天候牵引粘着系数是32 GE公司在交 直传动机车上 采用粘着控制装置后 全天候粘着系数是0 25 0 30 如此之高的粘着利用 正是针对交流机传动机车所具有的良好的粘着控制而提出的 这对于交 直传动系统是不可想象的 德国四轴120型机车 可满足以往六轴机车的全部要求 6 2 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600 700kW 轴 装用BBC6FRA40B异步牵引电动机 其功率可达1500kW 轴以上 7 比较 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 8 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 9 3 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 防尘性能好 全部电气部件所用绝缘材料均为H级或F级 绝缘性能好 耐热性能好 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 10 4 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3 6 货运作业时可节能8 10 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 交流传动机车有很强的使用灵活性 它既可满足货运的大的起动牵引力的要求 又可满足客运高速度的要求 11 5 动力性能好 制动性能好 异步电动机结构紧凑 重量轻 同时采用特殊的悬挂装置 簧下重量小 有较高的曲线通过能力 对轨面的冲击力小 可在广阔的速度范围内实行电制动 甚至可以制动到零 制动功率大 一部分电制动的能量可用于其它辅助设备 12 6 功率因素高 节能 交 直 交电力机车采用四象限控制器作为机车电源侧的变流器 可以在广泛的负荷范围内保持功率因素接近1 电流的波形接近于正弦波 而且在再生制动时也是如此 这样不仅降低了电网损耗而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网 消除了电网对信号和通信系统的干扰 13 二 国内外交流传动的发展概况 1971年德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型交流传动内燃机车 功率为1840kW 从此开始了现代交流机车的时代 自1970年起 交流传动机车的产量逐年增加 以DE2500型机车为先驱的交流传动机车可视为第一代交流传动机车 受当时技术发展的限制 主电路开关元件采用的是关断速度较快的普通晶闸管 控制电路有的还没有采用微机 14 1989年ABB公司开发出采用GTO晶闸管逆变器的第二代交流传动的DE1024型内燃机车 1987年世界上出现第一台应用GTO元件的交流机车 3200kW的Re4 4型机车 应用GTO元件的交流机车称为第二代交流传动机车 1996年11月 德国Adtranz公司和美国GE公司合作开发出第一台 蓝虎 系列交流传动内燃机车 功率范围从1640kW到3280kW 货运机车最高速度为120km h 客运机车最高速度为200km h和240km h 15 从80年代中期开始 美国GM公司便与德国西门子公司合作 共同开发新一代交流传动大功率内燃机车 1993年美国伯灵顿北方圣菲铁路 BNSF 一次就向GM公司订购350台4000英制马力的SD70MAC型交流传动内燃机车 这种新型交流传动内燃机车显示出了良好的技术经济性能 又适应了美国各大铁路公司机车老化而将更新换代的需要 对GM公司大批交流传动内燃机车的订货 刺激并推动了GE公司加速开发自己的大功率交流传动内燃机车 至目前 GM和GE公司的大功率交流传动内燃机车的订货总数估计已超过3000台 16 我国交流传动的发展现状 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 因此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一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 17 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 18 世纪之交的2000年是我国交流传动电力机车取得卓越成果的一年 这一年可供商用的大功率交流传动电力机车研制成功 标志着我国交流传动电力机车的工程化进入新的阶段 2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大 技术最先进 达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车 熊猫号 和高速动车组动力车 蓝箭号 的诞生 标志着我国铁路机车进入现代高科技领域 19 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DF4DAC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23 3 计算整备重量为138 3 t 机车的最大速度为14 5km h 持续速度为19 9km h 起动牵引力为444N 轮周功率为2460kW 轮周制动功率为2850kW 20 三 和谐型电力机车1 现代机车的技术特点 现代机车传统机车1 传动方式交流传动直流传动2 变流系统采用IGBT器件的晶闸管相控整流器四象限变流器 电机逆变器3 牵引电机三相交流异步电机直流电机制造简单 坚固耐用制造复杂 费工费料无机械换向器机械换向器 消除环火故障 运用中易发生环火 起动时无烧损 起动时可能发生烧损 无电刷维修 需要维修电刷 接地故障大大减少 接地故障较多鼠笼转子 消除绝缘故障转子带绝缘绕组 21 1 现代机车的技术特点 现代机车传统机车4 控制系统车载计算机网络模拟 数字混合控制完善的自诊断系统初级水平的故障检测5 网侧性能cos 1cos 0 96 电制动性能再生制动电阻制动主电路结构不变主电路结构改变牵引 再生制动平滑转换能量反馈电网能量消耗在电阻上制动力大 且可制停制动力线性下降制动功率与牵引功率相同 22 HXD1型交流传动电力机车 23 HXD1型电力机车概述 概述HXD1型交流传动电力机车是由株洲电力机车有限公司与德国西门子公司在EuroSprinter 欧洲短跑者 机车技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8轴货运机车 主要用于铁路专线 大秦线 牵引重载列车 两万吨运煤专列 具有功率大 恒功率速度范围宽 粘着性能好 效率高 能源消耗低等特点 可满足我国大秦线铁路煤炭运输的需要 24 HXD1型电力机车技术参数 25 HXD1型电力机车技术参数 26 HXD1型机车主电路 27 HXD1型机车牵引变流器技术参数 28 HXD1型机车牵引电机技术参数 29 车载TCN网络 30 HXD2型交流传动电力机车 31 HXD2电力机车概述 HXD2型交流传动电力机车是由大同电力机车有限公司与法国阿尔斯通公司在PRIMA机车技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8轴货运机车 主要用于铁路专线 大秦线 牵引重载列车 两万吨运煤专列 具有功率大 恒功率速度范围宽 粘着性能好 效率高 能源消耗低等特点 可满足我国大秦线铁路煤炭运输的需要 32 HXD2电力机车技术参数 33 HXD2电力机车技术参数 34 HXD2机车主电路 35 HXD2机车牵引变流器技术参数 36 HXD2机车牵引电机技术参数 37 车载FIP网络 38 HXD3型交流传动电力机车 39 HXD3型交流传动电力机车概述 概述HXD3型交流传动电力机车是由大连机车车辆有限公司与日本东芝公司联合研发的新型大功率6轴货运机车 主要用于铁路干线牵引重载列车和快捷货物列车 具有功率大 恒功率速度范围宽 粘着性能好 效率高 能源消耗低等特点 可满足我国铁路重载 快捷货物运输的需要 40 HXD3型电力机车技术特征 1 电传动系统采用下悬安装方式的多绕组变压器 IGBT水冷变流机组 1250kW异步牵引电动机 机车具有起动 持续 牵引力大 恒功率速度范围宽 粘着性能好 功率因数高等特点 2 辅助电气系统采用2组辅助变流器 分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源 对辅助机组进行分类供电 系统冗余性强 一组辅助变流器发生故障后可以由另一组辅助变流器采用CVCF方式对一台压缩机及其它辅助机组供电 3 采用微机网络控制系统 实现了机车特性控制 逻辑控制 自诊断功能和机车的网络重联功能 并具有信息储存和转储功能 41 HXD3型电力机车技术特征 4 总体设计采用高度集成化 模块化的设计思路 电气系统与空气系统分布布局 采用了规范化司机室的设计理念 5 采用带有中梁的 整体承载的框架式车体结构 有利于提高机车车体的强度和刚度 6 转向架二系支承采用高圆螺旋弹簧 牵引电机采用滚动抱轴承半悬挂结构 采用轮盘制动 整体轴箱及低位牵等技术 7 采用独立通风冷却技术 8 采用了克诺尔集成化的空气制动系统 在司机室具有制动系统显示 故障查询和故障存储功能 42 HXD3型电力机车技术参数 43 HXD3型电力机车技术参数 44 HXD3型机车主电路 45 HXD3型机车辅助系统 46 HXD3型机车牵引变流器技术参数 47 HXD3型机车牵引电机技术参数 48 四 大功率交流传动机车的关键技术 1 大功率电力电子变换技术牵引变流器2 计算机控制技术网络控制 矢量控制 直接转矩控制 49 1 大功率电力电子变换技术 电力电子变换技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 1 电能变换包括 交流 直流 AC DC 的变换 整流 直流 交流 DC AC 变换 逆变 交流 直流 交流 交 直 交系统 2 控制则包括 对电能传送流动方向的控制 对电能质量指标的控制 包括电量的大小 频率 波形和相位等 50 1 电力电子器件 电力电子器件是整个电力电子技术的基础 代表电力电力电子技术的发展历程和水平 电力电子器件的分类如下 1 不控型如 整流二极管2 半控型如 晶闸管3 全控型如 GTO GTR MOSFET IGBT等 51 门极可关断晶闸管 GTO 门极可关断晶闸管又称为可关断晶闸管 简称 GTO GateTure OffThyristor 它与普通晶闸管相比 属于 全控型 器件或 自关断 器件 它既可控制自身的开通 又可控制自身的关断 主电路元件少 结构简单 装置小巧轻便 因换流属于脉冲换流 所以无噪声 不需要安装强迫换流装置 减少了损耗 所以 GTO 装置的使用效率高 易实现脉宽调制 因此可改善输出波形 52 绝缘栅双极型晶体管 IGBT IGBT是 MOSFET 和 GTR的复合 其特点是 IGBT 的开关速度高 开关损耗小 在相同电压 电流定额的情况下 IGBT 的安全工作区域比 GTR 大 而且具有耐脉冲电流冲击的能力 IGBT 的通态压降在 1 2 或 1 3 额定电流以下区段具有负的温度系数 而在其以上区段则具有正的温度系数 而且通态压降比电力 MOSFET 低 IGBT 的输入阻抗高 与电力 MOSFET 和 GTR 相比 IGBT 的耐高电压和大电流值还可进一步提高 并保持开关频率高的特点 53 IGBT 的结构 a 基本结构 b 图形符号图 2 24IGBT 的基本结构和符号 54 IGBT 的基本特性1 静态特性 a 转移特性 b 输出特性图2 25IGBT的静态特性 55 2 动态特性 IGBT 的开关过程 56 IGBT的安全工作区 1 IGBT 的正向偏置安全工作区 最大集电极电流是为了IGBT 能够避免动态擎住效应而确定的 最大集射极电压是由 IGBT 中 PNP晶体管的击穿电压所确定的 最大功耗则由IGBT 的最高允许结温决定 IGBT 的导通时间越长 则发热越严重 因而正向偏置安全工作区越窄 57 2 电力变换电路 1 两电平2 三电平 58 两电平四象限变流器 59 三电平逆变器 60 2 变流器的控制 1 SPWM控制2 矢量控制3 直接转矩控制 61 1 矢量变换控制的基本原理 矢量变换控制的基本思路是以产生同样的旋转磁场为准则 建立三相交流绕组电流 两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系 从而可以按直流电动机的控制规律来控制交流电动机 矢量变换控制的基本想法是要把交流电动机模拟成与直流电动机相似 能够像直流电动机一样来进行控制 62 直流电动机电磁转矩的表达式为 M CM Ia气隙磁通 正比于直流励磁电流if 且气隙磁通 与电枢电流ia互成直角坐标关系 并为两个独立变量 互不相关 这样 可以方便地分别调节电枢电流ia和励磁电if 进行转矩 转速控制 这就是直流电动机调速性能优越的控制特点 63 三相异步电动机的情况 1 定子通三相正弦对称交流电时产生一个随着时间和空间都在变化的旋转磁场 2 转子磁势和旋转磁场之间不存在垂直关系 3 异步电动机转子是短路的 只能在定子方面调节电流 组成定子电流的两个成分 励磁电流和工作电流都在变化 因为存在非线性关系 因此对这两部分电流不可能分别调节和控制 64 可见异步电动机所以调速性能差 就是它不具备直流电机优异调速性能的三个条件 如果在控制上想办法能达到那些要求 那末它的调速性能也一定是优异的 三相异步电动机在空间上产生的是旋转磁场 如果要模拟直流电动机的电枢磁势与磁场垂直 并且电枢磁势大小和磁场强弱分别可调 65 异步电动机M T两相绕组模型 66 该模型有两个互相垂直的绕组 M绕组和T绕组且以角频率 1在空间旋转 T M绕组分别通以直流电流iT iM iM在M绕组轴线方向产生磁场 iM称励磁电流 调节iM大小可以调节磁场强弱 iT在T绕组轴线方向上产生磁势 这个磁势总是与磁场同步旋转 而且总是与磁场方向垂直 调节iT大小可以在磁场不变时改变转矩大小 iT称转矩电流 iT iM分属于T M绕组 因此分别可调 可控 异步电动机如果按照M T两相绕组模型运行就可以满足直流电动机调速性能好的三条件 67 两相静止 绕组的电流 与两相旋转的M T绕组电流的关系 68 坐标系统与M T坐标系统 M T 绕组电流iT iM i i 都用矢量表示 69 矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相 静止系统模型 再经过旋转坐标变换为磁场方向与M轴方向一致的同步旋转的两相M T模型 电流矢量i是一个空间矢量 因为它实际上代表电机三相产生的合成磁势 是沿空间作正弦分布的量 不同于在电路中电流随时间按正弦变化的时间相量 70 电流矢量分解为与M轴平行的产生磁场的分量 励磁电流iM和与T轴平行的产生转矩分量 转矩电流iT 前者可理解为励磁磁势 后者可理解为电枢磁势 通过控制iM iT大小也就是电流矢量i的幅值和方向 M T坐标系统中的 角 去等效地控制三相电流ia ib ic的瞬时值 从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的 71 由于是矢量控制也就是说不仅控制电流幅值大小 而且考虑了方向体现在iT iM分配比例是确定的 这就与以往的调速办法不同 如变压变频 VVVF 的调速方法是属于标量控制 必然要经过较长时间调节才能达到稳定运行 矢量控制主要特点是动态响应快 使交流电机调速性能有质上的提高 72 2 直接转矩控制 1 直接转矩控制技术的产生1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克 Depenbrock 教授首次提出了直接转矩控制的理论 接着1987年把它推广到弱磁调速范围 不同于矢量控制技术 直接转矩控制有着自已的特点 它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂 特性易受电动机参数变化的影响 实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题 73 2 直接转矩控制的主要特点 a 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 控制电动机的磁链和转矩 它不需要将交流电动机与直流电动机作比较 等效 转化 既不需要模仿直流电动机的控制 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型 它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算 因此 它所需要