交流传动电力机车的性能分析Word格式文档下载.docx

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4）交流调速系统以从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞争、相媲美、相抗衡，并逐渐取代的地位。

关键词：

交流传动基础；

调速；

启动；

制动；

平稳性

论文类型：

应用与研究

abstract

Acdrivelocomotivereferstoallconverterpowersupplyofasynchronousandsynchronousmotorcommunicationasthedrivemotorelectriclocomotiveoremus.Electrictractionacdrivesystemmainlybythebowbyelectricity,Lordcircuitbreaker,tractiontransformer,tractionconverters,three-phaseactractionmotor,gearboxetc.Accordingtowhetherconverterwithmiddlecircuit,dividedinto/ZhiJiaoconverterorhandovertwokindsofconverter.Accordingtothechoiceoftheoriginalmiddleloopisdifferent,anddividedintothevoltagetypesystem,currentmodelsystemtwobasicstructure.Acdrivesystemmainlybythetractiontransformer,tractionmotor,powerconverterscomposition.

Acdrivelocomotivehasthefollowingadvantages:

1）goodtractionperformance;

2）gridpowerfactorishigh,theharmonicinterferenceissmall;

3）tractionsystempowerisgreat,smallvolume,lightweight,

4）dynamicperformanceandgellingusegood;

5）significantenergysavingeffect,goodreliability,maintainability;

6）reducewear,loweroperatingcosts,solvethesignalandcommunicationsequipmentofinterference.

Acdrivetechnologyafternearly30yearsofdevelopmentanddcelectriclocomotiveiscomparedonsomegoodfeatures,indomesticandinternationalrailtransittransportequipmentinawiderangeofapplications.

Exchangespeedregulationsystemofthecurrentdevelopmentlevelcanbesummarizedas:

1）alreadyfromsmallandmedium-sizedcapacitydevelopmentleveltothelargecapacity,bigvolumelevel,andsolvetheperformanceindexofacspeedadjustmentsystem,tofillthegapsindcspeedcontrolsystemsupercapacityintheblankofspeed.

2）canmakethecommunicationspeedregulationsystemhashighreliabilityandlong-termcontinuousoperationability,soastomeetsomesituationslong-termcomputerretrievalrequirementsandtokeepthereliabilityoftherequirements.

3）canmakethecommunicationspeedregulationsystemtorealizehighperformance,highaccuracyofspeedcontrol.Inadditiontothecontrolpartcangetanddcspeedcontrolalsogoodperformanceoutside,asynchronousmotoritselfinherentadvantagesandmakethewholecontrolsystemhasbetterdynamicperformance.Thedigitalphaselockcontrolvariablefrequencyspeedregulationsystemofinductionmotorspeedprecisioncanbeashighas0.002%.

4）exchangespeedregulationsystemfromthedcspeedcontroltosupplementtoanddevelopmentmeansdcspeedcontrolsystemincompetition,comparableto,tocompete,andgraduallyreplacestatus

引言

当苏格兰人R·

戴维森在1842年造出第一台标准轨距机车后开辟了电力机车时代的到来。

1879年5月，德国人W·

V·

西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客车”的电力机车，这是电力机车首次成功的试验。

1881年，法国巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造了条件：

1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5.6km长的隧道区段修建了直流电气化铁路。

1903年德国的三相交流电力机车创造了每小时210km的高速记录。

电力机车的发展取决于电气化铁道的发展。

建设具有真正意义的电气化铁路首先要解决如何提供高压电，改变供电制式的问题。

　　接触网供给机车的电流制，分为直流制和交流制两种（交流制中又分单相交流、三相交流），这就叫供电制式。

在电力车发展初期,主要是采用直流电力机车,另外也有一部分三相交流制和单相低频制电力机车,由于当时科学技术水平的制约,直流制电力机车供电电压不高,三相交流制接触网设备过于复杂,单相低频制电力机车又需要单独的供电电网,因此电力机车初期发展较慢,20世纪20年代中期,接触网电压由由过去的几百V提高到了3000V,当时世界各国电气化铁道采用的都是直流制,接触网电压为1500伏～3000伏,为了克服直流电力牵引网电压低的缺点,1904年瑞士实验成功了单相工频交流电力机车,1950年法国试制了引燃管整流器式电力机车,1960年西德制成半导体整流器式电力机车,1958年美国发明晶闸管后,晶闸管相控机车开始问世,使制造大功率机车用逆变器成为现实,工频单相交流制推动了电气化铁道的发展。

1973年～1974年爆发石油危机之后，各国对铁路电力和内燃牵引重新进行了经济评价，电力牵引更加受到青睐。

英国原先主要是发展内燃牵引，也开始重视发展电力牵引。

连已经完全内燃化的美国，铁路电气化的呼声也很高。

这时候，半导体技术和微机控制技术的突破和发展推动了新型电力机车的问世。

1979年，第一台E120型大功率采用异步电动机驱动的交—直—交电力机车在德国诞生，开创了电力机车发展的新纪元。

　　随着既有电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展,干线电力机车的研制已从直流传动转向交流传动。

20世纪90年代，欧洲、日本等主要机车制造厂商几乎已停止了直流传动电力机车的生产，交流传动电力机车已成为世界电力机车发展的主流,目前世界先进国家新造的大功率电力机车几乎都采用了三相交流传动技术,单轴功率达到1000～1600KW的大功率客货通用型GTO变频调速电力机车已经广泛投入运用,在250～300km/h及其以上的高速领域,交流传动的电动车组独领风骚,在140～220km/h的快速客货运输领域,交直型电力机车（或其他直流传动机车）也正在被三相交流传动技术所取代.

1交流传动电力机车的基础

1.1电气化系统问题——电流制与电力机车

当今世界各国电气化铁路采用的电流制，也就是供电制有四种：

直流3KV，直流1.5KV，交流单项15KV、162/3HZ和交流单项25KV、50HZ。

这些电流制的出现与延续是与某一时期的经济、技术发展状况和社会背景有关的。

前三种主要在欧洲的一些国家中使用，如意大利北部、法国和西班牙的部分地区。

50年代以来，由于法国率先使用交流工频相控机车取得显著的经济、社会效益，使这种系统迅速推广使用。

1）直流制100多年前出现第一条电气化铁路（当时主要是工业、矿山和城市电车）时，人们选择直流供电系统。

那时除了直流制以外，几乎没有别的系统在技术上是比较可行的。

今天直流供电制在地铁、城市运输方面任然占主要地位，因为在这种公共场所只容许低压电源，而且电网中的电压降比较小。

但在干线电气化之初，直流供电已显得很不合适，因为在低电压的情况下，无法把所需要的功率送到足够远的地方。

大约10年之后，通过采用换向极和完善的绝缘技术，成功的研制了1500V左右的直流牵引电动机，其绝缘结构可以承受两倍电压考验。

从而推动了一些国家（如意大利）出现了大范围的1.5KV和3.0KV的干线铁路电气化系统。

值得注意的是，对于直流供电的电路网来说，交流传动技术也有重大的意义。

一些国家和地区正是首先在采用这种供电制的城市运输装备上推广交流传动技术。

2）单项低频交流制因为上面提到过的原因，曾在相当的时间不考虑直流供电而选择三项交流设备。

这就需要三线或两线接触网，后者的一个相接在轨道上。

这种双架空线系统中的主要问题在于必须考虑击穿距离，因而严格的限制电压（通常在3-4KV）。

这种供电方式建造的唯一以大型电气化铁路网的是意大利国家铁路，而迄今还有少量的山区或专线上，仍保留这种作为历史遗迹的供电系统。

另外一些国家则开始选择单相交流作为铁路电气化供电制。

这种系统只需要单架空线，而且通过电压变换立即可以采用10KV的供电电压。

当时的困难在于还没有可用的电力机车。

经过许多不同方案的研制和开发比较，终于在1912年选择了由单相串励换向器电动机装备的机车和162/3HZ、15KV电流制。

由于牵引电动机中存在着交变磁通。

电枢绕组产生较大的变压器电动势，并引起电刷火花。

这个问题后来通过采用几种措施得到解决：

降低供电频率162/3HZ，增加电动极数，以限制主磁通；

使变压器电动势减少，并在整个运行速度区域内补偿变压器电动势。

在80年代广泛使用交流传动电力机车以前，中欧和北欧的一些国家一直使用这种单相交流换向器电动机的电力机车。

3）单相工频交流制20年代以后，欧洲已经实现50HZ供电制，地区电网相互连接建成高压大电网。

对于铁路的电气化计划，采用公共电网的频率也变得极为重要了。

在接触网电压高到25KV的情况下，这种供电制被证实在经济上最有竞争力的。

在发展单相工频交流制供电的过程中，制造并实验了许多种新的牵引电动机和电力机车。

50HZ单相交流串励换向器电动机，由于性能或结构的原因，很难提高功率。

对于运输条件困难的区段，比较适合的是使用所谓交流器机车和整流器机车。

前者采用旋转变频机供电的笼型异步电动机，其实就是交流传动电力机车。

虽然实验表明，这种机车的运行性能良好，但限于当时的条件，能量变换级数多、效率低，而且单位功率的重量大，没能在实际中推广。

整流器机车则首先将单相交流电压变换为合适大小的电压后进行整流。

这种机车可在高压侧或低压侧进行电压值的有极调节，直流侧通过电抗器平波后向直流牵引电动机供电。

随着技术的进步，硅二极管整流器替代了栅控泵弧整流器。

而当晶闸管出现时，整流器不仅实现整流，而且还进行调压，从而去掉了调压开关，简化了结构，也减少了维修工作量。

1.2电力牵引交流传动系统的结构及类型

现代交流传动电力机车上，来自接触网的单相交流电在牵引变压器中变换成所需要大小的合适电压，经整流器整流后供给给中间回路。

以后将会看到，从单相交流接触网来的功率是以脉动形式提供给中间回路的。

但从传动特性来说，人们希望得到尽可能恒定的功率，从而得到尽可能恒定的转矩。

所以，中间回路首先是一个能量储存和变换的装置，但它又是一个滤波器，在平衡功率波动方面起着决定性的作用。

在电工技术领域中，存在两种具有储能特性的无源元件:

电容器和电抗器。

基于所选择的不同的储能元件，交流传动相应的分为两种基本系统：

电压型系统和电流型系统。

相应的，把有关的交-直-交变流器称为电压型变流器和电流型变流器。

电压型变流器中，电容器用作中间回路的储能器，它接受相中间回路供给的瞬时电流之差，并使电压保持恒定。

由于这个电源具有低的内阻抗，所以逆变器的端电压不随负载变化。

这种逆变器称为电压源逆变器，对于单电动机传动或多电动机传动都同样适用。

但是低的内阻抗使得时间常数也很小，在逆变器端子上出现的任何短路，都会是短路电流迅速上升，很难通过一般方法消除，必须采用快速熔断器或特殊的保护措施。

对于电流型变流器，采用采用电抗器作为中间回路储能器。

它吸收波动形式的差电压，保持中间回路的电流强度恒定。

由于这个作为逆变器电源的中间回路具有很大的内阻抗，逆变器上输入端的电流在负载变化时保持恒定。

这种逆变器称为电流源逆变器。

但是，电流源逆变器的端电压明显的随负载变化。

如果用来向多台并联的电动机供电，那么其中任何一台电动机负载的变化都会影响到其它电动机的工作。

所以，电流源逆变器对于多电动机传动系统来说是不适用的。

对于电力牵引交流传动，除了不同类型变流器的选择以外，人们还要面临不同类型的交流牵引电动机的选择：

同步型还是异步型。

迄今，在电力牵引领域出现的交流传动系统基本上有以下两类：

（1）电流型变流器供电的同步电动机或笼型异步电动机系统；

（2）电压型变流器供电的笼型异步电动机系统。

电流型系统其实是从相控整流桥供电的脉流牵引电动机系统直接演变过来的。

只不过在采用直流电动机的情况下，频率变换是由电动机上的机械式变频器——换向器来实现的。

而在交流传动中，这项任务由逆变器来实现。

对于采用异步电动机的电流型系统，逆变器依靠电动机的漏抗和谐整电容进行换相；

而对于采用同步电动机的情况，则借助负载本身换相电压（电动机反电势）进行换相。

在这两种情况下，电动机各个绕组都将流过方波电流，除了增大铜耗外，还是转矩中含有较明显的谐波成分。

因此，需要采用特殊措施。

在使用同步电动机的情况下，逆变器比较简单，也不需要对晶闸管提出特殊的要求。

但是，当速度在接近零的范围内，由于电动机反电动势的值太小，不足以使晶闸管换相。

所以，当电力牵引上采用这种系统时，在3%-10%额定速度值以下，仍然需要依靠附加的强迫换相装置进行工作。

另外一方面，为了向同步电动机的励磁绕组供电，必须采用集电环和电刷，或者采用旋转整流器，结构比较复杂。

一个与上述系统不同的方案是，采用电压型变流器供电的异步牵引电动机系统。

逆变器向牵引电动机输出频率和幅值可变的三相电压，通过适当的选择脉宽调制技术，能够进一步改善输出电压波形。

在电动机漏抗的影响下，使电动机绕组中的电流尽可能接近于正弦形，并从而减少转矩的脉动程度。

此外，网侧变流器通过中间回路储能设备（二次谐波吸收电路、支撑电容器）解耦，使得对接触网的反作用（如干扰电流和功率因数等问题）可以通过网侧变流器的设计技巧加以解决。

在迄今开发的交流传动电力机车上，网侧变流器几乎全采用是四象限脉冲整流器。

1.3三相异步交流传动

1）三相交流异步电动机

电动机的转矩和功率变换是建立在定子和转子跨越气隙相互施加推力的基础上。

产生推力的原因是绕组中的电流（可以想象为沿着铁心表面以一定方式分布的电流层）与气隙中的磁场（准确点说是气隙磁场感应强度的法向量）之间的相互作用。

在交流电动机的定子铁心中，延空间均匀布置三个绕组，各绕组相互错开120度。

交流异步电动机的转子有两种形式：

绕线集电环转子和笼型（短路）转子。

绕线转子中的三相绕组如同定子一样，布置在转子铁心上，并通过集电环与电刷与外部相连接。

笼型结构的转子较为简单，由嵌在槽中的导电槽组成，两端借助圆环加以连接。

笼型转子不与电源连接，转子通过感应产生电压和电流，所以这种电动机也被称为感应电动机。

如果定子三相绕组依次接到三相电源的每一相时，产生一个磁场，其幅值所在的磁轴相继与各绕组轴重叠，也就是说，三相绕组联合产生一个在空间不继移动的磁场。

当三相绕组流过三相正弦电流时，则将产生一个旋转磁场。

如果转子以略低于旋转磁场的转速转动，那么在转子绕组和旋转磁场之间，出现相对运动，从而在转子绕组中产生感应电压，引起电流。

但是这个电流具有相对运动的频率，而不是电源的频率。

人们称这个转子与旋转磁场之间的相对运动为“转差”，而相应的频率为“转差频率”。

现在从空间的角度来观察一下这整个系统。

在异步电动机中，转子与旋转磁场的同步速度减去转差速度的转速旋转，在其绕组中流过具有转差频率的电流。

对于外部观察者来说，这两个频率（旋转频率和转差频率）相互叠加，所以转子电流层在空间也是以同步速度旋转的。

这意味着，转子电流层相对于旋转磁场来说是静止的。

所以，转子导条中的电流与磁场共同产生一个恒定的转矩。

这里必须注意的是，对转矩起决定作用的仅仅是转子电流的有功分量。

因为只有这个分量对磁场来说是处于合适的位置上，能够产生推力和转矩。

异步电动机只有在异步运动的情况下，才能实现能量变化和提供转矩。

作为电动机时，它旋转的比磁场稍微慢些，而作为发动机时，则稍微快些，当异步电动机空载运行时，旋转速度非常接近于同步速度。

此时，它只吸收少量的无功电流（磁化电流），用来建立气隙磁场。

2）电力牵引交流传动系统的硬件配置

采用交流传动技术的电力机车或电动车组，为了实现能量的传输与变换，不可缺少的设备有三部分：

①车顶高压设备，包括受电弓、空气或真空断路器、防止大气过电压的装置（如避雷器、放电间隙）和高压侧电压、电流检测装置。

这部分设备的基本功能是保证通过弓、网动态接触，使机车从牵引变电所获得可靠供电。

②车内变流设备（主要包括牵引变压器和交-直-交或直-交变流器），以及相关的附加设备，如通风机、压缩机、泵等。

它们的任务是实现电能形式的变换，以满足变频变压的要求；

③转向架中的机电能量装换装置，也就是牵引电动机。

当然，在转向架中还装有力的传递结构，如齿轮减速器、万向节空心轴传递装置等。

2交流传动电力机车的特点、工作原理及特性

2.1交流传动机车的特点

交流传动电力机车的本质特点是牵引电机采用了交流电动机，尤其是交直交型电力机车采用三相异步电动机，其一系列的优点都是由此表现出来的。

1.优异的运行性能

电力机车的运输能力主要取决于启动牵引力、持续功率和最高速度下的剩余加速力。

有数据表明交流传动电力机车经优化控制后，在干燥的轨面下黏着系数大于0.4。

由于采用三相异步电动机作牵引电动机，目前生产的4轴交流传动电力机车的持续功率大都在5400kW,远大于直流传动机车。

恒功率区宽度为2.5～3，而直流传动机车一般在1.5～1.6。

2.显著的节能效果

交流传动电力机车，由于应用了四象限脉冲整流器，使得机车在1/4额定功率以上时的功率因数接近于1。

牵引吨位的列车，接触网电流可降低20%左右。

另外，它在不增加任何设备的情况下，就能方便地实现再生制动，从运动结果看可反馈10%的能量，且品质比相控机车好得多

3.解决对信号和通信设备的干扰

交流传动电力机车，由于应用了四象限脉冲整流器作为输入端变流装置，不仅改善了接触网的功率因数，而且也从根本上保证了流过接触网的电流波形不会发生明显畸变，消除了对信号和通信设备的干扰。

4.减少磨耗降，低运行成本

异步电动机结构中无换向器，所以相同功率的电机，异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量大大减少，在机车通过曲线时，轮轨间侧向压力也就相应减少，降低了轮缘和轨面的磨耗。

5.良好的可靠性、维修性

交流异步电动机无换向器，除轴承外无摩擦器件，控制采用模块结构和诊断装置，提高了无故障运行公里数，而且减少了检修时间和维修费用，有数据表明交流传动电力机车的维修费用仅为相控机车的1/3。

2.2交流传动电力机车的工作原理

交直交型电力机车由各种变流器供电的交流异步或同步电动机作为传动电机的电力机车或动车组。

交流传动电力机车的系统结构图如下图2.1所示。

图2.1交流传动电力机车的系统结构

根据变流器是否带中间回路，分为交直交变流器和交交变流器两类。

根据中间回路选择原件的不同，又分为电压型系统和电流型系统两种基本结构。

因此电力牵引领域的交流传动机车基本上有两类：

电流型变流器供电的同步电动机或笼型异步电动机机车及电压型变流器供电的笼型异步电动机机车，其传动类型如图2.2所示。

图2.2笼型异步电动机机车的传动类型

2.2.1工作原理

如图（2.3）所示为电压型变流器供电的笼型异步电动机系统原理。

来自接触网的单行交流电经受电弓引入机车变压器，在牵引变压器中变换成所需的合适电压后送入电源侧变流器，将单相交流电转换为直流电，提供给中间回路经平滑功率脉动，送入电动机