电传动控制技术_1_绪论.

北京交通大学电气工程学院黄彧电气化铁路传动技术的发展历史回顾•1879年Siemens公司在柏林工业产品展览会上展出的电力机车曾引起了很大轰动。历史回顾•1881年柏林首台有轨电车投入运营。•1892年一台使用三相交流电动机的动车行驶在Simens柏林厂区。•1897年一台功率300kW的机车投入使用。世界最早的交流传动动车•1903年，由铁路自己的电厂发电机发出的电能经3极的接触网向车辆供给频率可变的三相交流电，创造了210km/h以上的高速记录。世界最早的交流传动动车供电制式：3相交流电机功率：2.2MW速度：210km/h三相交流供电接触网•由于3相的接触网很复杂，而且不能在车上提供牵引电机所需的变压和变频的三相交流电，未得到普遍的应用。•对于长的铁路区段，较低的直流电压不太合适，而三相交流费用太高，人们选用单相交流做试验；•单相交流综合了直流和三相交流电力牵引的一些优点：单线接触网，可高电压变换，小电流强度；•1903年用单相交流6.3KV/25Hz进行了试验并取得了突破。历史回顾电传动技术的演变•牵引动力的电传动系统构成–牵引供电方式–变流调速方式–驱动方式•牵引供电方式经历了初期的低压直流，三相交流供电后，电流制逐步趋向统一，现代主要有单相低频交流制、3kV直流制，单相工频交流制。电传动技术的演变•驱动方式由早期的直流电机、三相电机演变到脉流电机、单相整流子电机直至现代的三相异步交流电机和三相同步交流电机驱动。•根据不同的供电制和驱动电机的组合，出现了所对应的变流调速方式。•随着电力电子器件的不断发展，到现代已形成较为统一的主流变流技术模式–DC-DCAC-DCDC-ACAC-DC-AC•城市轨道交通直到现代仍以和的直流制牵引供电方式为主体。国外高速列车发展现状•高速列车的发展方向是提高运行速度--重要的技术指标，也是铁路现代化水平的重要体现；•目前高速列车的发展目标是最高运营速度300～350km/h。为了达到如此高的运行速度，动力集中型高速列车在牵引粘着力，制动能力等方面存在困难。而动力分散型高速列车却有优势；•从最新的技术发展状况分析，日本的500系、700系、E2系1000型，德国的ICE3型、ICE350E型(VelaroE型、为西班牙新高速线设计制造)，法国的AGV型(为法国巴黎—斯特拉斯堡东部新高速线设计制造)，均采用了动力分散型；•这些高速列车最高运行速度均为300～330km/h，最高试验速度350km/h及以上。日本高速铁路修建时受地理条件的限制(山区长大隧道多，隧道断面较小，曲线半径偏小)，所以当前700系，E2系1000型的最高运营速度为275～285km/h。摆式列车X2000高速电动车组城市轨道交通系统•轨道交通包括了地铁、轻轨、有轨电车和磁悬浮列车等。•由电气或内燃牵引，轮轨导向，车辆编组运行在城市中心与市郊、市郊与新建城镇间，以地面专用线路为主的大运量快速轨道交通系统。•运输的平均距离30km～60km。•最高运行速度一般120km/h，但启动、制动加速度远高于干线列车，略低于地铁列车。•站间距离约1000m～3000m，平均运行速度可达35-40km/h。主要内容•直流传动与控制技术–牵引电机特性与机车牵引特性–有级调压调速与有触点控制系统–相控机车的主电路与功率因数–机车电子控制系统•交流传动与控制技术–牵引变流器–牵引电机–交流传动机车/动车组–交流传动控制课程主要研究内容：电力牵引传动系统：在交通运输中采用电动机驱动的电气传动部分，以牵引电动机为控制对象，通过开环或闭环控制系统对电机的牵引力和速度进行控制。主要包括：干线电力机车、电传动内燃机车、矿山用电力机车、电动车、城市有轨无轨电车机车电传动实质•牵引电机变速传动技术•直流电机：–其转矩同主磁通和电枢磁势的乘积有关，M=KIФ–通过相控整流控制电枢电压可改变直流电机的转速n=（U–IR）/CФ•交流电机：–转矩与旋转磁场及转子磁势有关M∝I2R/s–改变电机电压可控制电机磁通φ，而转子功率因数cosψ与同步转速和转子转差有关，同步转速随电源频率增加而增加。n=(120Xf)/P–20世纪80年代，以德国BR120型机车为起点。自1903年以来铁路电传动技术•取决于供电的传动技术–用组合开关的直流和交流机车车辆–传动机构的进步–工频交流电气化铁路•作为关键技术的电力电子技术–斩波器传动–脉流传动–现代化交流传动取决于供电的传动技术•用组合开关的直流（DC）和交流（AC）机车车辆–在直流电气化铁路上，机车只有几个由电动机串/并联和磁场削弱级构成的持续运行级，由于接触网电压低，不适于大功率传动。–交流电气化铁路避免了持续运行级数少和启动损耗大的缺点，并且由于接触网电压高，适用于干线铁路。–多抽头变压器设计可控制电动机电压。对于级数较少的电动机电压结构，部分使用精细调节器来分接中间值。–最初级位控制用的接触器或组合开关是用机械驱动，后来改为电气驱动。例如BR110型新电力机车就是用无功率损耗的电动级位选择器来调节运行级的。后来这种开关发展成晶闸管调节器，能无级调节2个变压器抽头间的电压，如德国的BR243型机车。直流—直流传动•直流供电系统供电，直流牵引电机驱动•优点：•缺点：•应用：直流电网+直流牵引电机启动电阻MMMMMMMMMMMM直-直传动电力机车东风2型、东风3型柴油机→直流牵引发电机→直流牵引电动机柴油机GMMMMMM直-直电传动内燃机车工频交流电气化铁路•用特殊频率的交流电气化铁路，需要自己的发电厂或变流器来供电。•1904年，奥地利铁路首先使用了当时是42Hz的工频，后来改为用50Hz的工频。•德国国家铁路在进一步电气化的同时吸取大量试验所取得的经验，1936年用50Hz交流电气化。•大约从1965年开始使用晶闸管整流器，全球兴起了用工频的铁路电气化高潮。•除了传统的用162/3Hz和25Hz铁路电气化国家，所有新电气化铁路都采用50Hz和60Hz工频，于是欧洲出现了多种电流制式。取决于供电的传动技术斩波器传动•上世纪60年代初开始开发铁路用晶闸管整流器时，直流电气化铁路几乎只用串励换向器电机作为牵引电机。•晶闸管整流器有以下3个主要优点：–无损耗或损耗少及无触点运行；–牵引/制动时连续调节电压；–再生制动电路电路结构简单。•为直流电气化铁路开发了直流调节器，即斩波器的技术。作为关键技术的电力电子技术原理:直流调节器是一个无触点开关，它以脉冲方式将接触网电压引到电动机上，改变脉冲间隔比就可以在0至几乎100%接触网电压范围内连续改变电动机电压。LNLFUMLMGS1iCCiS1UM,istaTTUMtuC,iCuCiCist直流调节器：原理电路和电压、电流原理时间曲线LNUCM直流调节器在晶闸管问世后不久，就为交流电气化铁路开发了脉流牵引电动机供电用的电网换向变流器。为减少接触网的无功功率负荷，使用了简单的或顺序相控的单相半控桥电路。UciUci二段桥四段桥单相半控桥式电路脉流传动作为关键技术的电力电子技术脉流传动•德国于1964/65年开始将这种技术用于50Hz的电气化矿山铁路上。•大量使用晶闸管变流器脉流技术的有瑞典向美国出口的RC机车和奥地利大量使用的1044系列机车。•晶闸管脉流传动的一个问题是对电网的功率因数低.–在顺序相控中大多用4段不对称桥式电路来解决干扰电流和无功功率作为关键技术的电力电子技术交流-直流传动•交流供电系统直流牵引电机•特点：单相工频交流供电系统+脉流牵引电动机驱动MMMMMM25kV50HzTLZL交-直传动电力机车交流牵引发电机+直流牵引电动机东风4型、东风5型、东风8型MMMMMM柴油机G~ZL交-直传动内燃机车现代交流传动技术•晶闸管在逆变器中的应用，成功地实现了用简单和牢固的三相交流异步电动机作为牵引电机的愿望。弥补了三相交流系统的复杂性和技术花费大的缺点。•目前可在机车或动车上实现转矩-转速连续控制所需的变频变压的三相电源系统。•三相交流电机特殊的优点：不用换向器；转速高；功率密度高。–实现4轴5.6MW或6.4MW大功率机车–300kN以上牵引力牵引重载货物列车–以200km/h以上速度牵引旅客列车作为关键技术的电力电子技术牵引变压器+整流器+逆变器ZL-~-~-~-~MMMMUNT（不可控）交-直-交传动电力机车~~~~柴油机G~-~-~-~-~M~M~M~M~柴油机+硅整流器+逆变器交-直-交传动内燃机车交-交传动牵引变压器+变频器TUN~~~~~~~~M~M~M~3333M~交交传动电力机车柴油机+变频器交-交传动内燃机车柴油机G~~~~~~M~M~M~M~~~~直—交传动•直流供电交流电动机•两种基本方式方式１：直流供电＋斩波器＋逆变器联邦德国EDE1000/5000-=~3M~3000V方式2：直流供电＋逆变器美国克里福兰直流机车ＵN-~-~M~M~M~M~直-交传动电力机车电力牵引传动方式•直流传动：•交直传动：•直交传动：•交流传动：电气传动机车及其分类•电传动机车：采用电气传动、以电机为动力驱动轮对的各型机车干线电力机车电传动内燃机车工矿电力机车城市轨道及地铁电动车组•机车电传动装置：机车种类、供电电源的性质、变流方式、牵引电机的种类电传动机车电路•按功能和作用不同–主电路：–控制电路：–辅助电路：•按机车供电方式–集中式：–独立式：–部分集中式：电源：直流交流电机：直流交流n、v、i、P、if变流装置：电源、电机整流器AC—DC逆变器DC—AC斩波器DC—DC变频器AC—AC控制系统：继电器控制系统模拟控制系统微机控制系统变流装置控制系统电源给定研究对象控制器被控对象输入输出测量元件建立数学模型分析性能指标：稳、准、快稳定性：%准确性：稳态精度快速性：ts闭环控制系统控制系统动态响应%tS1振荡稳定小结•电力牵引传动技术的发展历程•电气传动装备及其分类•电传动机车电路按照所用电机种类直流电力机车交流电力机车直直传动斩波器DC—DC交直传动整流器AC—DC直交传动斩波器DC-DC-AC逆变器DC—AC交交传动变频器AC—AC交直交传动整流器AC—DC逆变器DC—AC