铁道机车专业教学96课件

铁道机车专业教学资源库——2-2交流传动电力机车（交-直-交）的工作原理学校名称：武汉铁路职业技术学院主讲：张哲交流传动电力机车（交-直-交）的工作原理人所共知，机车发展按其动力来分，最早出现的是蒸汽机车，以后由蒸汽机车发展到内燃机车和电力机车。在电传动内燃机车和电力机车中，开始是直-直传动，而后是交-直传动，20世纪70年代以后又出现了交-直-交传动，即所谓的交流传动。这种传动型式被认为是现代机车的标志，日益风靡世界。这样的发展道路是由客观规律所决定的，是历史发展的必然，是机车由低级向高级逐渐演变的必然结果。每种机车的出现和存在都是与当时的技术发展相适应的。比如随着大功率硅整流技术的出现，直-直传动很必然地被更优越的交-直传动所取代。同样，随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管（GTO）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等的出现和微机控制技术等的发展，交-直传动很自然地被交-直-交传动所取代。01/

任务一

交流传动技术的特点和优点02/

任务二

HXD3型电力机车工作原理目录content交流传动技术的特点和优点任务一交流传动技术的特点和优点人们很早地认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。交流传动机车之所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、黏着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。交流传动技术的特点和优点异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接触部分。串激直流电动机则不然，结构复杂。定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，摩擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。而交流异步电动机转速可达4000r/min以上，试验转速甚至可达6OOOr/min，这是直流电机所望尘莫及的。1.构造简单交流传动技术的特点和优点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，具有很强的恢复黏着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。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，以实现最大可能的黏着利用，不会出现黏着中断情况。根据检测有关黏着控制的信号，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，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。③可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的黏着性能。在交-直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。由于上述特性和良好的控制功能，交-直流传动系统的黏着系数可以利用得很高。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黏着指标是：起动黏着系数0.45,全天候牵引黏着系数0.32（GE公司在交-直传动机车上，采用“SENTRY”黏着控制装置后，全天候黏着系数是0.25〜0.30）。如此之高的黏着利用，正是针对交流传动机车所具有的良好的黏着控制而提出的，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。2.黏着性能好交流传动技术的特点和优点这个概念是指在其他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1492kW/轴以上。正因如此，才可使机车的牵引功率大大提高。牵引功率大导致牵引力大，而又由于黏着性能好，大的牵引力能充分发挥其牵引能力。我们可以比较一下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%。目前，从国外统计资料来看，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，其所采用的交流异步牵引电动机的功率达到300kW，而其重量不足400kg,单位重量功率可达0.75kW/kg。这一经济技术指标，对世界各国正在大力发展的重载和高速机车尤为有利。3.功率大，牵引力大交流传动技术的特点和优点交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。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。CP4744型机车的运用实践表明：交流传动系统只发生过极少的故障，而这些故障无一件与逆变器或牵引电动机一类的主要硬件有关。MaK公司制造的交流牵引电动机连续工作7年没有发生过一件烧损事故。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公司直流电动机的大修期一般在4万公里至48万公里之间，而交流牵引电动机的大修期可高达120〜160万公里。另外交流传动机车有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态.进行故障诊断。综上所述，交流传动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。加拿大CP4744型交流传动机车的应用实践表明：不仅延长了计划内修理间隔，而且减少了计划外修理次数，每台机车每年可减少计划外修理6次。4.可靠性高，维修简便交流传动技术的特点和优点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%。对铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运大起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。5.效率高，利用率高、使用灵活性强交流传动技术的特点和优点和谐型机车逐步成为中国铁路运输的主力军和技术引进的成果。和谐型系列机车从2007年1月开始，陆续配属中国铁路各运用机务段。2007年平均每月投用28台；2008年平均每月投用32台；2009年平均每月投用92台；2010年上半年平均每月投用104台。目前，全路已有2642台和谐机车上线运用，分布在14个铁路局、29个机务段，其中，和谐型电力机车2223台，内燃机车419台，成为担当主要干线货运牵引的主力机型。在型谱化方面，HXD1型、HXD2型机车为八轴货运交流传动电力机车，轴式2(Bo-Bo),单轴功率1200kW,总功率为9600kW,最高速度120km/h,可单机牵引万吨、双机牵引2万吨。HXD1B型、HXD2B型、HXD3B型机车为六轴货运交流传动电力机车，轴式Co-Co,单轴功率1600kW，总功率为9600kW，最高速度120km/h，可牵引5千到6千吨。HXD1C型、HXD3型机车为六轴货运交流传动电力机车，轴式Co-Co,单轴功率1200kW，总功率为7200kW，最高速度120km/h，可牵引4千到5千吨。7.中国电力机车跨越发展交流传动技术的特点和优点HXD3型电力机车工作原理任务二HXD3型电力机车工作原理交直交型电力机车属于交流传动机车。由逆变器供电，机车和动车组采用交流异步电动机做牵引动力。根据变流器结构的不同，目前交（直）交型机车和动车组有电压型、电流型两种基本结构交流传动电力机车工作原理如图1所示。图一HXD3型电力机车工作原理电压型异步电动机电力机车工作原理如图2所示，我们定义了4个环节，各环节的作用如下。①环节——整流电路基本作用是将交流电转换为直流电。具体电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器。②环节——直流环节滤波器基本作用是平滑A处的纹波（脉动），消除或减少谐波含量，改善机车的功率因数。采用不同的整流电路，其滤波电路也不同，功能有所差别。③环节一逆变器用于将直流电转换为三相交流电，同时为了机车调速的需要，它具有较宽的调频范围和调压范围，一般采用正弦波脉宽调制（PWM）技术。或采用电压相量（VVCPWM）控制技术，降低电机损耗，减少网压波动的影响。图二工作原理HXD3型电力机车工作原理④环节——电抗器，有三大作用。降低电机、电缆中的高频成分，控制噪声的传播，抑制电机启动过程中的谐波分量；保证频繁断开电机电路时不损坏变频器；通过三相霍尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施。机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送人①环节，将交流电转换为直流电，经②环节平滑A处脉动，送入③环节，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经④环节平波电抗器，供给⑤环节三相异步牵引电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。图二工作原理HXD3型电力机车工作原理①轴式为Co-Co,电传动系统为交直交传动，采用IGBT水冷变流机组，1250kW大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、黏着性能好、功率因数高等特点。②辅助电气系统采用2组辅助变流器.能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。③采用微机网络控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能，而且实现了机车的网络重联功能。④总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气屏柜和各种辅助机组斜对称布置在中间走廊的两侧。⑤转向