机车交流传动技术1

1、（1）u 离合器+机械变速装置u 液力变扭器u 电力传动+牵引电机 电传动方式就是将外部输入的能源(如电力动力车)或本身产生的能源(如内燃动力车)通过一整套电能变换和传递装置，将电能转换为机械能，驱动动轮轮对以牵引列车。这种电能变换和传递装置称为电传动装置。按照电传动装置所采用的牵引电动机的类型，电传动方式可分为两大类：(1)以直流(或脉流)牵引电动机为动力的直流电传动方式；(2)以交流牵引电动机为动力的交流电传动方式。交流电传动方式又根据采用的同步或异步牵引电动机的不同分为交流同步电传动方式和交流异步电传动方式。 早期投入运用的高速列车大部分采用直流电传动方式。但随着大功率电力电子变流技术的

2、发展，使三相交流传动技术得到了实际应用，从而相继出现了交流同步传动方式、交流异步传动方式，这是科技进步的必然趋势。 1903年，由铁路自己的电厂发电机发出的电能年，由铁路自己的电厂发电机发出的电能经经3极的接触网向车辆供给频率可变的三相交流极的接触网向车辆供给频率可变的三相交流电，创造了电，创造了210Km/h以上的高速记录。以上的高速记录。 由于3相的接触网很复杂，而且不能在车上提供牵引电机所需的变压和变频的三相交流电，未得到普遍的应用。 对于长的铁路区段，较低的直流电压不太对于长的铁路区段，较低的直流电压不太合适，而三相交流费用太高，人们选用单合适，而三相交流费用太高，人们选用单相交流做试

3、验相交流做试验 单相交流综合了直流和三相交流电力牵引单相交流综合了直流和三相交流电力牵引的一些优点：单线接触网，可高电压变换，的一些优点：单线接触网，可高电压变换，减小电流强度减小电流强度 1903年用单相交流年用单相交流6.3KV/25Hz进行了试验进行了试验并取得了突破并取得了突破历史回顾历史回顾交流传动的早期发展阶交流传动的早期发展阶段段l1879年出现第一台电力机车l1881年第一台直流供电城市电车l1891年德国西门子试验车：两条架空线+一条轨道提供550V三相交流l1898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10kV/50Hz三相交流电，绕线转子异步电机，转子串电阻

4、实现转差调节l50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 1879年年 Siemens公司在柏林工业产品展览会公司在柏林工业产品展览会上展出的电力机车曾引起了很大轰动。上展出的电力机车曾引起了很大轰动。交流传动的早期发展阶段交流传动的早期发展阶段 第一台电力机车：司机骑在车顶驾驶，拖车上坐10名乘客 第一条电气化铁路，人们选择了交流传动电力机车：三相交流电源直接供电的绕线转子异步牵引电动机系统 意大利交流传动机车，为改善调速性能，电机装有可变极绕组、两电机级联的电路以应付持续运行的级数 德国和意大利先后修建了三相交流制的电气化铁路区段。 1903年德国试验线上交流传

5、动车辆的最大时速达到210km/h。 意大利在其北部1500km的线路上采用3kV、50/3Hz三相交流制实现了电气化。 接触网建造、维护费用高 采用变阻、变极和级联调速方法，无法获得理想的牵引特性 为简化接触网结构：单相供电，在机车上加装同步旋转的“劈相机” 匈牙利、德国做过试验。人们开始考虑采用变定子频率的控制方法装旋转变频机组，系统结构复杂、体积庞大。交流传动的早期发展阶段交流传动的早期发展阶段电力牵引从直流制转为交流制是铁路电气化的大技术进步，因为单相工频交流制具有一系列的优点(1) 可以大大提高动力车的牵引功率，为高速运行提供最根本的前提条件；(2) 可以实现高压输电，减少变电站的数

6、量，从而降低电气化的初期投资；(3) 大大减少有色金属用量(约可减少60左右)；(4) 可以降低能耗约l/3，从而减少运营支出；(5) 可以避免直流电腐蚀地下设施。 牵引动力及电传动系统构成牵引动力及电传动系统构成 牵引供电方式牵引供电方式 变流调速方式变流调速方式 驱动方式驱动方式经历了初期的低压直流，三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，现相交流供电后，电流制逐步趋向统一，现代主要有代主要有15kV 50/3Hz单相低频交流制、单相低频交流制、3kV直流制，直流制，25kV 50Hz单相工频交流制单相工频交流制。 1950年由法国试建年由法国试建25kV 50Hz单相

7、工频交流单相工频交流制后，显示出了很大的优点，虽然发展较制后，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，占全球电气化铁路的40.9单单相工频交流制的电气化铁路将成为主流。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，出根据不同的供电制和驱动电机的组合，出现了所对应的现了所对应的。 随着电力电子器件的不断发展，到现代已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式形成较为统一的主流变流技术模式 DC-DC AC-DC DC-AC AC-DC-AC由早期的直流

8、电机、三相电机演由早期的直流电机、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的三相异步交流电机和三相同步交流电机驱动。驱动。 城市轨道交通直到现代仍以城市轨道交通直到现代仍以DC 750V和和DC1500V的直流制牵引供电方式为主体，的直流制牵引供电方式为主体， DC-DC，DC-AC变流调速方式，直流电机变流调速方式，直流电机和三相交流电机。和三相交流电机。磁悬浮磁悬浮列车列车 牵引电机变速传动技术 直流电机：直流电机： 其转矩同主磁通和电枢磁势的乘积有关，T = CTIa 相控整流调电压-改变电机转速 n=（U I

9、aR）/Ce 交流电机：交流电机： 转矩与旋转磁场及转子磁势有关 T I2R / s 变电机电压可控制电机磁通，转子功率因数cos与同步转速和转子转差有关，同步转速随电源频率增加而增加。 20世纪80年代，以德国BR120型机车为起点。直流电网+直流牵引电机启动电阻MMMMMMMMMMMM直直- -直传动电力机车直传动电力机车东风2型、东风3型柴油机直流牵引发电机直流牵引电动机柴油机GMMMMMM直直- -直电传动内燃机车直电传动内燃机车 上世纪60年代初开始开发铁路用晶闸管整流器时，直流电气化铁路几乎只用串励换向器电机作为牵引电机。 晶闸管整流器有以下3个主要优点： 无损耗或损耗少及无触点运

10、行； 牵引/制动时连续调节电压； 再生制动电路结构简单。 为直流电气化铁路开发了直流调节器，即斩波器的技术。 原理上，直流调节器是一个无触点开关，它以脉冲方原理上，直流调节器是一个无触点开关，它以脉冲方式将接触网电压引到电动机上，改变脉冲间隔比就可以在式将接触网电压引到电动机上，改变脉冲间隔比就可以在0至几乎至几乎100% 接触网电压范围内连续改变电动机电压。接触网电压范围内连续改变电动机电压。直流调节器直流调节器 直流供电系统供电，直流牵引电机驱动 优点：结构简单 控制容易 缺点：直流电压不能升得很高 功率、速度受到限制 线路损耗大 应用：各种工矿、地铁、无轨电车单相工频交流供电系统+直流牵

11、引电动机驱动MMMMMM25 kV 50HzTLZL交流牵引发电机+直流牵引电动机东风4型、东风5型、东风8型MMMMMM柴油机GZL半控桥与全控桥式整流电路半控桥与全控桥式整流电路对应电路图交流输入电压，交流输入电流，输入电流基波波形图整流输出电压、电流波形图MuiIdiu tIdid tidIdtcos 1 = cos /2 电流有畸变电流有畸变 三个台阶三个台阶utiMuiId全控整流电路全控整流电路idIdtcos 1 = cos 电流有畸变电流有畸变 两个台阶两个台阶MuiIdutiT1T2T3T4D1D2D3D4M1M2M3RM4RM3RM1M4M5M6RM2 低压调压低压调压调节

12、调节RM1RM1，封锁，封锁RM2 RM2 D3D3、D4D4续流续流Ud：0 0.5Ud0 = 450VRM1RM1满开放，调节满开放，调节RM2RM2 Ud：0.5Ud0 Ud0 = 900V0-900V0-900V调压，用一段桥式电路是否可以实现，调压，用一段桥式电路是否可以实现，且主电路简单？为何用两段桥式电路？且主电路简单？为何用两段桥式电路？ 高压调压高压调压 八轴电力机车 轴式2（B0 B0） 三段不等分整流桥 顺序控制与开关控制相结合T1T3T2T4T5T6D3D4D1D2a1x1a2x2b1三段绕组：三段绕组： a1b1 = b1x1 = 335V a2x2 = 670V第一

13、段：第一段： T1T2移相移相D3D4续流续流 T3T4T5T6都封锁都封锁 Ud = 0 Ud0第二段：第二段： T T1 1T T2 2满开放满开放 触发触发T3T 4 Ud = Ud0第三段：第三段： T T5 5T T6 6满开放满开放 触发触发T1T 2 Ud = Ud0第四段：第四段： T T1 1T T2 2T T5 5T T6 6满开放满开放 触发触发T3T 4 Ud = 1 Ud0开关控制开关控制：T1T2 T3T4封锁封锁 T5T6满开放满开放T1T3T2T4T5T6D3D4D1D2a1x1a2x2b1Ud第一段：第一段： T1T2移相移相D3D4续流续流 T3T4T5T6

14、都封锁都封锁 Ud = 0 Ud0第二段：第二段： T T1 1T T2 2满开放满开放 触发触发T3T 4 Ud = Ud0第三段：第三段： T T5 5T T6 6满开放满开放 触发触发T1T 2 Ud = Ud0第四段：第四段： T T1 1T T2 2T T5 5T T6 6满开放满开放 触发触发T3T 4 Ud = 1 Ud0开关控制开关控制：T1T2 T3T4封锁封锁 T5T6满开放满开放结论：顺序控制和开结论：顺序控制和开关控制相结合使三段关控制相结合使三段桥实现四个调压区桥实现四个调压区 又称又称“经济四段桥经济四段桥”交交- -直传动特点直传动特点 交流供电系统+直流牵引电机

15、 特点：功率较大 粘着重量大 低速时牵引力大 牵引特性接近双曲线 晶闸管晶闸管在逆变器中的应用，成功地实现了用简单在逆变器中的应用，成功地实现了用简单和牢固的三相交流异步电动机作为牵引电机的愿和牢固的三相交流异步电动机作为牵引电机的愿望。弥补了三相交流系统的复杂性和技术花费大望。弥补了三相交流系统的复杂性和技术花费大的缺点。的缺点。 目前可在机车或动车上实现转矩目前可在机车或动车上实现转矩-转速连续控制所转速连续控制所需的变频变压的三相电源系统。需的变频变压的三相电源系统。 三相交流电机特殊的优点：不用换向器；转速高；三相交流电机特殊的优点：不用换向器；转速高；功率密度高。功率密度高。 实现4

16、轴5.6MW或6.4MW大功率机车 300kN以上牵引力牵引重载货物列车 以200km/h以上速度牵引旅客列车=3M3= （1）功率大，转速高 （2）有较好的粘着性能 （3）运行可靠，结构简单，坚固耐用。 （4）体积小，重量轻 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。 （5）功率因数高、节能。功率因数高、节能。ZL-MMMMUNT（不可控）交交- -直直- -交传动电力机车交传动电力机车柴油机G-MMMM柴油机+硅整流器+逆变器交交- -直直- -交传动内燃机车交传动内燃机车1971年德国产DE2500柴油机1500r/min意大利、西班牙、芬兰等国都有这种传动方式的内燃机车。交交- -交传动交传动牵引变压器+变频器TUNMMM3333M交-交传动电力机车前苏联的B80B、B83和法国的BB10004机车采用交交传动方式柴油机+变频器柴油机GMMMM交交- -交传动内燃机车交传动内燃机车三相同步电机直直交传动交传动 直流供电交流电动机 两种基本方式方式：直流供电斩波器逆变器-=3M3000V联邦德国的EDE1000/5000型电力机车直流电网为6000V，中间直流环节电压为1500V异步牵引电机的线电压为1250V方式2：直流供电逆变器N-MMMM直直-