第3章-电力牵引交流传动与控制

目录1. 概述 (1)1.1 电力牵引的特点 (1)2. 电力机车的传动方式 (2)2.1 直-直流传动 (2)2.2 交-直流传动 (3)2.3 直-交流传动 (3)2.4 交-直-交流传动 (4)3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4)3.1 交-直传动技术的发展 (4)3.2 交流传动技术的发展 (5)4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6)5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)1.概述1.1电力牵引的特点电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面：1、电力机车的功率大内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。

而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。

一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。

由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。

2、电力机车的效率高由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。

由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。

而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。

3、电力机车的过载能力强机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。

由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。

因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。

4、电力机车的运营费用较低（1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑；（2）整备距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率；（3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。

一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。

一、名词解释：1. 转差率旋转磁场的转速n1与转子转速n 的差值称为转差，用△n 表示。

转差△n 与同步转速n1的比值称为转差率，用s 表示，即：()%100n n -n S 11⨯=转差率是表征感应电动机运行状态的一个重要参量。

一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载时约为0.5％，额定负载时约为5％，异步牵引电动机的转差率一般小2％。

2. 转差频率 转差频率就是转差对应的频率，即⎥⎥⎥⎦⎤====12121111sf f f f f f -f n n -n s3. 电流型牵引变流器 交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。

整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。

直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。

逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。

根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。

电流型牵引变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。

4. 电压型牵引变流器交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。

整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。

直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。

逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。

根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。

电压型变流器直流中间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源。

5. 两电平式逆变器逆变器将直流转换为交流。

两电平式逆变器，把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上，即逆变器的输出相电压为两种电平。

补充1：各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析
一、串励和并励牵引 电动机的特性比较
（比较速度特性） 1、自调节性能 串励：转速随负载的
增加下降很多。 并励：转速随负载的
增加下降很少。
结论：串励电动机的牵引力和速度 能够按机车运行条件自动进行调节， 在重载或上坡时，随机车速度的降 低，转矩自动增大，使机车发挥较 大牵引力；在轻载或平道运行时， 机车牵引力减少，使机车具有较高 的速度。
５、空转过程（28页）
空转—— 牵引时，牵引力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
滑行—— 制动时，制动力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
空转过程分析：
初始工作点为A，对应转速
为n1，AB为其自然机械特
性。当偶然原因使粘着系数
下降时，粘着牵引力曲线变为
① 电器控制
功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；
特点：电动或气动的逻辑开关．
包括：继电器、电控阀、气动开关等。
近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制 单元（LCU)完成。
② 电子控制
功能：配合主辅助电路完成机车的控制；
特点：弱电控制、控制复杂；
包括：给定积分器、特性控制、防空转／防 滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等 控制单元。
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
（1）集中供电

化电动机旳端电压以实现电动机旳调速。 调整电阻旳措施又分两类： 有触点式开关调阻 无触点斩波调阻 这种调压方式在电阻中消耗了大量旳电能。
（2）斩波调压
在电路中接入能有规则地导通和关断旳斩波器， 则能够减低直流电动机两端旳平均电压。电动机 两端电压旳平均值为：
U RL
U
ton T
U
只要调整导通比，即可调整平均电压。 伴随半导体技术旳发展，斩波器中旳 斩波元件经历了下列旳发展过程：
3) 牵引变电所
• 牵引变电所旳任务就是将电力系统提供旳三相工 频交流电经过变压、变相或变流转变为本线电动 车辆可用旳电源。
• 根据电流制旳不同，牵引变电所又分为直流牵引 变电所和交流牵引变电所。
• 城市内旳地铁、轻轨网络多采用直流牵引制式， 只有少数延伸至远郊旳城市铁路(如中国香港九广 铁路、日本东京常盘线等)为了与区域铁路共线运 营则会采用交流牵引制式。
1 —— DCU对VVVF逆变器旳线路电容器充/放电控制 2 —— DCU/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制
牵引系统构成示意图
• 列车受电弓从接触网受流，经过高速断路 器后，将1500VDC送入VVVF牵引逆变器 。VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模 式，将1500VDC直流电逆变成频率、电压 可调旳三相交流电，平行供给车辆四台交 流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速 ，实现列车旳牵引。
城市轨道交通多采用直流—交流方式，干 线铁路则采用交流—直流—交流旳方式。
由此可见，将直流电转变成频率可变旳 交流电就是交流传动旳关键所在。
将直流电转变成频率可变旳交流电旳设 备称为逆变器。
在车辆牵引旳开始阶段，保持气隙磁通 为常数，变化供电频率能够使电动机旳最 大扭矩基本不变，到达加速运营旳目旳。