鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)96課件

鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)——2-2交流傳動(dòng)電力機(jī)車（交-直-交）的工作原理學(xué)校名稱：武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：張哲交流傳動(dòng)電力機(jī)車（交-直-交）的工作原理人所共知，機(jī)車發(fā)展按其動(dòng)力來(lái)分，最早出現(xiàn)的是蒸汽機(jī)車，以后由蒸汽機(jī)車發(fā)展到內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車。在電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車中，開(kāi)始是直-直傳動(dòng)，而后是交-直傳動(dòng)，20世紀(jì)70年代以后又出現(xiàn)了交-直-交傳動(dòng)，即所謂的交流傳動(dòng)。這種傳動(dòng)型式被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)車的標(biāo)志，日益風(fēng)靡世界。這樣的發(fā)展道路是由客觀規(guī)律所決定的，是歷史發(fā)展的必然，是機(jī)車由低級(jí)向高級(jí)逐漸演變的必然結(jié)果。每種機(jī)車的出現(xiàn)和存在都是與當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的。比如隨著大功率硅整流技術(shù)的出現(xiàn)，直-直傳動(dòng)很必然地被更優(yōu)越的交-直傳動(dòng)所取代。同樣，隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關(guān)斷晶閘管（GTO）以及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)等的發(fā)展，交-直傳動(dòng)很自然地被交-直-交傳動(dòng)所取代。01/

任務(wù)一

交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)02/

任務(wù)二

HXD3型電力機(jī)車工作原理目錄content交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)任務(wù)一交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)人們很早地認(rèn)識(shí)到交流傳動(dòng)的優(yōu)越性。交流傳動(dòng)技術(shù)是一門(mén)綜合技術(shù)，但其本質(zhì)的特點(diǎn)是牽引電動(dòng)機(jī)采用了交流異步電動(dòng)機(jī)，其一系列的優(yōu)點(diǎn)都是由此而表現(xiàn)出來(lái)的。交流傳動(dòng)機(jī)車之所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方向，正是由異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。和傳統(tǒng)的串激直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在機(jī)械、絕緣、耐熱、耐潮、黏著、維修、效率、重量尺寸等諸多方面。交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，除軸承外，沒(méi)有其他機(jī)械接觸部分。串激直流電動(dòng)機(jī)則不然，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定子、轉(zhuǎn)子都有絕緣要求很高的繞組，有換向器裝置和電刷機(jī)構(gòu)，摩擦部分多，接線復(fù)雜，機(jī)械轉(zhuǎn)速受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到2500r/min左右。而交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6OOOr/min，這是直流電機(jī)所望塵莫及的。1.構(gòu)造簡(jiǎn)單交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)①異步電動(dòng)機(jī)有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)黏著的能力。空轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速上升值不大，即使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差不會(huì)超出5%以上。串激電動(dòng)機(jī)則不然，轉(zhuǎn)矩變化一點(diǎn)，轉(zhuǎn)速就有很大的變化。②異步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)可以很方便地進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最大可能的黏著利用，不會(huì)出現(xiàn)黏著中斷情況。根據(jù)檢測(cè)有關(guān)黏著控制的信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既不能發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力。③可實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制。當(dāng)某臺(tái)電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)該臺(tái)電機(jī)，這樣能充分利用機(jī)車的黏著性能。在交-直傳動(dòng)系統(tǒng)中，某軸空轉(zhuǎn)時(shí)，需要使所有各軸電機(jī)卸載，這樣就大大降低了機(jī)車的牽引能力。由于上述特性和良好的控制功能，交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)的黏著系數(shù)可以利用得很高。1992年美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)（AAR）在向四家機(jī)車制造廠提出的26臺(tái)交流傳動(dòng)機(jī)車投標(biāo)建議書(shū)中提出的黏著指標(biāo)是：起動(dòng)黏著系數(shù)0.45,全天候牽引黏著系數(shù)0.32（GE公司在交-直傳動(dòng)機(jī)車上，采用“SENTRY”黏著控制裝置后，全天候黏著系數(shù)是0.25?0.30）。如此之高的黏著利用，正是針對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車所具有的良好的黏著控制而提出的，這對(duì)于交-直傳動(dòng)系統(tǒng)是不可想象的。德國(guó)四軸120型機(jī)車，可滿足以往六軸機(jī)車的全部要求。2.黏著性能好交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)這個(gè)概念是指在其他條件大致相同的前提下，在機(jī)車結(jié)構(gòu)所提供的空間條件下，可以裝更大功率的異步電動(dòng)機(jī)。如加拿大造的CP4744號(hào)機(jī)車，在給定的設(shè)計(jì)空間條件下，直流電動(dòng)機(jī)的功率大約被限制在600?700kW/軸。裝用BBC6FRA40B異步牽引電動(dòng)機(jī)，其功率可達(dá)1492kW/軸以上。正因如此，才可使機(jī)車的牽引功率大大提高。牽引功率大導(dǎo)致?tīng)恳Υ?，而又由于黏著性能好，大的牽引力能充分發(fā)揮其牽引能力。我們可以比較一下ND5型交直流傳動(dòng)機(jī)車和SD60MAC交流傳動(dòng)機(jī)車的牽引力情況：ND5機(jī)車的柴油機(jī)的標(biāo)定功率為2940kW，起動(dòng)牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為359.8kN；SD60MAC機(jī)車的柴油機(jī)的標(biāo)定功率為2835kW，起動(dòng)牽引力為781kN,持續(xù)速度為20.5km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動(dòng)牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%。目前，從國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，不同類型電機(jī)其單位重量功率可達(dá)到的比值為：直流電動(dòng)機(jī)為0.33kW/kg，同步電動(dòng)機(jī)為0.5kW/kg，異步電動(dòng)機(jī)為0.68kW/kg。隨著科技的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的單位重量功率將越來(lái)越高。如日本新干線300系列原型試驗(yàn)車，其所采用的交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的功率達(dá)到300kW，而其重量不足400kg,單位重量功率可達(dá)0.75kW/kg。這一經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)世界各國(guó)正在大力發(fā)展的重載和高速機(jī)車尤為有利。3.功率大，牽引力大交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)交流異步電動(dòng)機(jī)無(wú)換向器、無(wú)電刷裝置；除軸承外無(wú)摩擦部件，密封性好，防潮、防塵、防雪性能好；全部電氣部件均是絕緣的，且所用絕緣材料均為H級(jí)或F級(jí)，絕緣性能好，耐熱性能好。因此故障率低，可靠性高?？刂蒲b置是模塊結(jié)構(gòu)，故障率也很低，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全部運(yùn)行過(guò)程和控制過(guò)程均由無(wú)觸點(diǎn)電子元件完成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點(diǎn)磨損、粘連、接觸不良、機(jī)械卡滯等問(wèn)題。CP4744型機(jī)車的運(yùn)用實(shí)踐表明：交流傳動(dòng)系統(tǒng)只發(fā)生過(guò)極少的故障，而這些故障無(wú)一件與逆變器或牽引電動(dòng)機(jī)一類的主要硬件有關(guān)。MaK公司制造的交流牽引電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作7年沒(méi)有發(fā)生過(guò)一件燒損事故。據(jù)美國(guó)伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流電動(dòng)機(jī)的大修期一般在4萬(wàn)公里至48萬(wàn)公里之間，而交流牽引電動(dòng)機(jī)的大修期可高達(dá)120?160萬(wàn)公里。另外交流傳動(dòng)機(jī)車有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài).進(jìn)行故障診斷。綜上所述，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是很高的，維修量很小，且檢修簡(jiǎn)便，維修費(fèi)用大大降低。加拿大CP4744型交流傳動(dòng)機(jī)車的應(yīng)用實(shí)踐表明：不僅延長(zhǎng)了計(jì)劃內(nèi)修理間隔，而且減少了計(jì)劃外修理次數(shù)，每臺(tái)機(jī)車每年可減少計(jì)劃外修理6次。4.可靠性高，維修簡(jiǎn)便交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.90,而交直流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.86。E120交流傳動(dòng)機(jī)車在長(zhǎng)期應(yīng)用對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，客運(yùn)作業(yè)時(shí)可節(jié)能3%?6%，貨運(yùn)作業(yè)時(shí)可節(jié)能8%?10%。由可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動(dòng)機(jī)車的利用率顯著提高。與直流傳動(dòng)機(jī)車相比，BBC交流傳動(dòng)機(jī)車的利用率提高了10%。對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)管理來(lái)說(shuō)，在計(jì)算所需數(shù)量時(shí)，機(jī)車?yán)寐势鹬匾饔茫瑢?duì)所需投資有決定性的影響。交流傳動(dòng)機(jī)車有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)大起動(dòng)牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)高速度的要求。5.效率高，利用率高、使用靈活性強(qiáng)交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)和諧型機(jī)車逐步成為中國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁姾图夹g(shù)引進(jìn)的成果。和諧型系列機(jī)車從2007年1月開(kāi)始，陸續(xù)配屬中國(guó)鐵路各運(yùn)用機(jī)務(wù)段。2007年平均每月投用28臺(tái)；2008年平均每月投用32臺(tái)；2009年平均每月投用92臺(tái)；2010年上半年平均每月投用104臺(tái)。目前，全路已有2642臺(tái)和諧機(jī)車上線運(yùn)用，分布在14個(gè)鐵路局、29個(gè)機(jī)務(wù)段，其中，和諧型電力機(jī)車2223臺(tái)，內(nèi)燃機(jī)車419臺(tái)，成為擔(dān)當(dāng)主要干線貨運(yùn)牽引的主力機(jī)型。在型譜化方面，HXD1型、HXD2型機(jī)車為八軸貨運(yùn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，軸式2(Bo-Bo),單軸功率1200kW,總功率為9600kW,最高速度120km/h,可單機(jī)牽引萬(wàn)噸、雙機(jī)牽引2萬(wàn)噸。HXD1B型、HXD2B型、HXD3B型機(jī)車為六軸貨運(yùn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，軸式Co-Co,單軸功率1600kW，總功率為9600kW，最高速度120km/h，可牽引5千到6千噸。HXD1C型、HXD3型機(jī)車為六軸貨運(yùn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，軸式Co-Co,單軸功率1200kW，總功率為7200kW，最高速度120km/h，可牽引4千到5千噸。7.中國(guó)電力機(jī)車跨越發(fā)展交流傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)HXD3型電力機(jī)車工作原理任務(wù)二HXD3型電力機(jī)車工作原理交直交型電力機(jī)車屬于交流傳動(dòng)機(jī)車。由逆變器供電，機(jī)車和動(dòng)車組采用交流異步電動(dòng)機(jī)做牽引動(dòng)力。根據(jù)變流器結(jié)構(gòu)的不同，目前交（直）交型機(jī)車和動(dòng)車組有電壓型、電流型兩種基本結(jié)構(gòu)交流傳動(dòng)電力機(jī)車工作原理如圖1所示。圖一HXD3型電力機(jī)車工作原理電壓型異步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車工作原理如圖2所示，我們定義了4個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的作用如下。①環(huán)節(jié)——整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。具體電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。②環(huán)節(jié)——直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑A處的紋波（脈動(dòng)），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。③環(huán)節(jié)一逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時(shí)為了機(jī)車調(diào)速的需要，它具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)?；虿捎秒妷合嗔浚╒VCPWM）控制技術(shù)，降低電機(jī)損耗，減少網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。圖二工作原理HXD3型電力機(jī)車工作原理④環(huán)節(jié)——電抗器，有三大作用。降低電機(jī)、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的諧波分量；保證頻繁斷開(kāi)電機(jī)電路時(shí)不損壞變頻器；通過(guò)三相霍爾電流傳感器對(duì)變頻器輸出端采取完善的短路保護(hù)措施。機(jī)車在工作時(shí)，受電弓將網(wǎng)壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送人①環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑A處脈動(dòng)，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給⑤環(huán)節(jié)三相異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。圖二工作原理HXD3型電力機(jī)車工作原理①軸式為Co-Co,電傳動(dòng)系統(tǒng)為交直交傳動(dòng)，采用IGBT水冷變流機(jī)組，1250kW大轉(zhuǎn)矩異步牽引電動(dòng)機(jī)，具有起動(dòng)（持續(xù)）牽引力大、恒功率速度范圍寬、黏著性能好、功率因數(shù)高等特點(diǎn)。②輔助電氣系統(tǒng)采用2組輔助變流器.能分別提供VVVF和CVCF三相輔助電源，對(duì)輔助機(jī)組進(jìn)行分類供電。③采用微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制、自診斷功能，而且實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)重聯(lián)功能。④總體設(shè)計(jì)采用高度集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，電氣屏柜和各種輔助機(jī)組斜對(duì)稱布置在中間走廊的兩側(cè)。⑤轉(zhuǎn)向