《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——交流传动与直流传动优劣的比较1.电力传动的发展从十九世纪七十年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。
1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。
1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。
这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模式。
1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。
1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。
大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。
1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。
随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。
与直流传动机车相比，交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。
2．交流传动与直流传动的比较2.1 机车工作原理的比较2.1.1 直流传动电力机车工作原理直流传动电力机车包括直直型电力机车和交直型整流器电力机车。
直直型电力机车是由直流电源供电，直流串励牵引电机驱动，通过串并联切换加凸轮变阻或晶闸管斩波器调阻（调压)方式进行调速和控制的机车。
一般工矿用4轴电力机车串并联切换加凸轮变阻的电传动装置工作过程为:机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QF，启动电阻R，向4台直流牵引电动机M1-M4供电，牵引电流经钢轨流回变电所。
随着4台牵引电动机接通电源即行旋转，电能转变为机械能，分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动轮实现牵引运行。
交直型整流器电力机车的能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。
如图所示。
2.1.2 交流传动电力机车工作原理交（直）交型电力机车是指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电动车组。
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。
根据中间回路选择元件的不同，又分为电压型系统、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或笼型异步电动机机车和电压型变流器供电的笼型异步电动机机车。
电压型变流器供电的笼型异步电动机系统原理。
来自接触网的单相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人电源侧变流器，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，送入电动机侧的变流器，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给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。
由于电压型变流器供电的笼型异步电动机机车的转矩脉动以及对电网的反作用小，适合于较大功率的机车，因此干线交流传动电力机车绝大部分都采用这种系统。
直流传动机车，无论是直直型还是交直型，共同点是采用直（脉）流牵引电动机，都可通过控制励磁电流使牵引电机具有所要求的软特性和良好的防空转性能，脉流牵引电动机虽然在结构上与直流电机有所不同，但其工作原理基本上与直流电机相同，直流电动机结构上的缺点是存在电刷和换向器，无法改变电机存在的火花和环火的致命缺陷，从而限制了直流电动机的功率和容量，不能很好地满足铁路高速重载的发展要求，继而限制了直流传动机车的发展，因此在机车上采用无整流子的交流电动机成为趋势。
2.2 交流传动与交直流传动机车主电路的比较交流传动机车与交直流传动机车都是将接触网供给的单相工频交流电，经受电弓进入机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将单相交流电转换为直流电。
所不同的是，交直传动机车会将转换来的直流电通过滤波电抗器、电磁绕组进行滤波，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。
而交流传动机车会将转换来的直流电通过逆变器再逆变成三相交流电，向三相异步牵引电动机供电。
交流传动与直流传动机车主电路的区别在于两者变流装置的不同，从而造成的能量传递形式的不同。
而交流传动机车与直流传动机车本质上的不同是，这两者所采用的牵引电机不同。
交直与交流传动机车主电路比较如图所示。
3. 电力电子在交流传动机车上的应用在交流传动技术的发展过程中,电力电子器件的发展是这一技术进步的物质基础。
第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。
随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。
进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。
与此同时, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。
先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。
微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。
从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。
微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。
由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。
4.总结通过机车交流传动与直流传动的分析比较，我们不难看出交流传动机车明显的发展优势。
交流传动机车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、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。
1.构造简单，转速高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，磨擦部分多，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6000r/min，这是直流电机所望尘莫及的。
2.粘着性能好（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，具有很强的恢复粘着的能力。
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，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。
根据检测有关粘着控制的信号，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粘着性能。
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，交直交传动系统的粘着系数可以利用得很高，能达到40%以上，而交—直传动系统的粘着系数在36%以下。
3.功率大，牵引力大这个概念是指在其它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。
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，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到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。
4.可靠性高，维修简便交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，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。
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，可知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。
5.简化了机车主电路异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过微机控制装置改变逆变器的输出相序即可实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两位置转换开关可省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。
6.效率高，利用率高，使用灵活性强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。
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，HXD3型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，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。
7.动力性能和制动性能较好异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。
可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。
一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。
8.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。
牵引同吨位的列车，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，从运行结果看可反馈10%的能量，且品质比相控机车好得多。
9.解决了对信号和通信设备的干扰交流传动的电力机车，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。
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