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1、机车交流传动技术,（2）,1、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。 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。,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
2、。 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。,1、我国交流传动的发展现状,AC4000型交流传动电力机车,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DF4DJ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233%，计算整备重量为1383%t,机车的最大速度为145km/h，持续速度为19.9km/h，持续牵引力为444kN，轮周功率为2460kW，轮周制动功率为2850kW。,1、我国交流传动
3、的发展现状,东风4DJ型交流传动内燃机车,2、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,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
4、检测 5. 网侧性能 cos=1 cos=0.9 6. 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,2、现代机车的技术特点,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,3、交流传动机车发展综述,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。,3、交流传动机车发展综述,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,安全性、
5、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。,地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等,3、交流传动机车发展综述,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。,地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等,单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等,3、交流传动机车发展综述,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。,地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平
6、、工艺水平的限制等,单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等,电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等,3、交流传动机车发展综述,运输的需求,各种限制,交流传动机车发展,交流电机的特点,科学技术的发展,安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。,地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等,单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等,电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等,满足运输的需求 充分利用新技术 利用新材料 采用新工艺,3、交流传动机车发展综述,4、交流传动机车的主要组成,牵引变频器 逆变器 (电流源型、电压源型、PMW),电机 同步电机、异
7、步电机,设备与功率器件,5、交流传动机车系统框图,6、交直与交流传动机车主电路比较,变速箱,异步电机,逆变器,整流器,牵引变压器,1085kW,25000V,变速箱,直流 电机,整流器,牵引变压器,25000V,滤波电抗器,励磁绕组,交直传动机车主电路,交流传动机车主电路,7、交流传动机车的技术分类,核心层技术,辅助层技术,相关层技术,牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术,核心层技术,辅助层技术,相关层技术,牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术,冷却与通风技术、辅助变流器技术 控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术,7、交
8、流传动机车的技术分类,核心层技术,辅助层技术,相关层技术,牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术,冷却与通风技术、辅助变流器技术 控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术,司机台操纵技术、车体轻量化技术 转向架技术、空气制动技术 高压测检测技术,7、交流传动机车的技术分类,8、机车牵引特性,机车牵引特性要求：,1、能产生足够大的牵引力,2、能方便广泛调节速度,3、有较高的过载能力,4、充分发挥机车功率,5、先进的经济技术指标,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,9、交
9、流牵引电机（鼠笼式异步电机）,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,定子绕组中通入对称的三相交流电，产生速度为,旋转磁场。,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,A,X,Y,C,B,Z,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,o,A,X,Y,C,B,Z,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）, t =180,A,Z,B,X,C,Y,S,N,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。,旋转磁场的转向,当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C 时，旋转磁场的转向与这个顺
10、序是一致的，可见 磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。,旋转方向,取决于三相电流的相序。,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）,10、机车牵引中异步电机的运行特性,（1） 恒力矩起动 采用恒压频比控制 低频时适当提高电压，抵消定子绕组内阻的影响。 采用恒磁通控制 电机各参数与频率的关系：,(2) 恒功率运行,电流型逆变器 (异步电机),GTO电压型逆变器(欧洲之星TGV ),九大关键技术,变频技术交交变频,变频技术交交变频,工作原理： P组工作时，负载电流i0为正 N组工作时，i0为负 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得 到该频率的交流电 改变两组变流
11、器的切换频率，就可改变输出频率 改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出 电压的幅值,变频技术交交变频,变频技术交直交变频,电压型变频电路,电流型变频电路,VVVF电路结构,第一种：整流器，逆变器,交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,第二种：利用PWM技术，在逆变器环节同时 VVVF（通用变频器）,第三种：采用四象限整流器与PWM逆变器 （牵引变流器）,四象限整流器的作用 、使能量可以双向流动。既可由网侧向负载侧提供能量，又能把负载侧能量向网侧回馈，针对异步牵引电机来说，很容易实现
12、再生电制动； 、从电网侧吸收的电流为正弦波，减少了接触网的等效干扰电流，减少了对通讯的干扰； 、可以使电网侧的功率因数接近； 、可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。,牵引传动系统,牵引,高压设备,牵引变流,牵引驱动,网侧变流控制器,电机侧变流控制器,车辆控制,接触网,受电弓,主变压器,变流器,牵引电机,钢 轨,牵引系统关系链,再生,CRH1动车组主电路,CRH1由三个TBU(列车基本单元)共8辆车组成一列动车组。其中TBU1和TBU2完全对称，由两动一拖构成；TBU3由一动一拖构成。,CRH2 主电路简图,CRH3 主电路框图,HXD2型机车主电路,HXD3型电力机车主电路,变流器电路（单台
13、电机）,“交直交”,核心环节逆变器电路,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。,180导电方式,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,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： 交流直流(ACDC)的变换（整流） 直流交流(DCAC)变换（逆变） 交流直流交流（交直交系统） （2）控制： 对电能传送流动方向的控制； 对电能质量
14、指标的控制，包括电量的大小、频率、波形和相位等。,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,1、大功率电力电子变换技术,2、变流器的控制,1、SPWM控制 2、矢量控制 3、直接转矩控制,3、交流传动系统控制电路,3、交流传动系统控制电路,（控制器）,工作频 率设定,升降速 时间设定,电压补偿设定,PWM产生,PWM变压变频器的基本控制流程,3、交流传动系统控制电路,双极性PWM控制方式波形,SPWM控制方式波形,逆 变 器 模 型,SVPWM模型,变频调速系统仿真模型,SVPWM模块仿真模型,SVPWM模块仿真模型,仿 真 结 果,仿 真 结 果,HXD1,