内燃机车电力传动5__第五章交-直-交流传动恒功率

内燃机车电力传动（五）第一节概述长期以来，机车电传动大多采用直流牵引电动机系统。这是因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以分别控制，其起动、调速性能和转矩控制特性比较理想，并容易获得良好的动态响应。然而，直流电动机的结构复杂，存在电刷接触式的换向器，它不仅工艺复杂，体积及重量大，耗铜，价格昂贵，而且在运行中，很容易产生换向火花甚至发生环火现象，故障率高，不便于维护。由于换向及环火这一类问题的存在，则要求电动机换向片之间的电压不能过高，因而使得直流电动机的设计容量和高速时的利用功率受到限制，单电机的设计容量也很难超过1000kw，远远不能适应机车向高速、大功率方向发展的要求。交流传动发展的初期三相交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，由于其转子上既没有换向器，也没有带绝缘的绕组，根本不存在换向火花及环火等问题，因此，它的结构简单、体积小、重量轻、运行可靠，能以更高的转速运转。由于交流电动机克服了直流电动机固有的缺点，很早就引起了人们的极大注意，试图将它用作铁路机车的牵引电动机。只是限于当时的变频供电技术条件而无法实施。上世纪50年代中期，法国国铁曾在一台样车上装置旋转变频机组进行连续变频调速，但由于系统结构复杂、机组笨重庞大及效率低、成本高等原因而未能得到推广。60年代，随着电力电子技术的崛起与进步和变频调速装置的研制成功，重新唤起了人们对交流调速传动的重视。进入70年代，因采用异步交流传动系统的DE-2500型内燃机车在原联邦德国研制成功，交流传动在牵引领域重新焕发出了前所未有的活力。80年代交流传动的发展进入80年代，随着电力电子器件和微电子技术的发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动技术取得了突破性的进展并已日趋成熟，在各种机车、动车上获得了推广运用。在这一时期，欧洲的交流传动发展势头较猛，出现了诸如DE500系列、Di4型、ME1500型、DE6400型等典型的欧洲系列交流传动内燃机车。同时期，美国的内燃机车制造厂家们对交流传动内燃机车的投入采取了比较审慎的态度，仅在老机车改造方面作了一些尝试，如GM公司的FLG型双动力源客运机车改造，装用ABB公司提供的交流传动装置及MICAS—S微机控制系统，第一批改造的该型机车10台于1990年投入运用。此外GM公司还与德国西门子公司合作对F69PH型客运机车进行改造，装用西门子提供的交流传动装置及SIBAS—16微机控制系统。90年代交流传动的发展进入90年代，交流传动技术成为机车技术热点、被认为是现代机车的标志而日益风靡世界。美国交流机车市场异军突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流传动内燃机车，之后又相继推出SD70MAC、SD80MAC以及SD90MAC型交流传动内燃机车。而80年代一直默默无声的GE公司也不甘示弱，相继推出AC4000、AC6000型交流传动内燃机车。而且两大公司均拥有大批订货，几年来总计达千余台（据不完全统计截至1997年的定货已近1400台）。除德国、美国外，法国、意大利、西班牙、芬兰、日本等国也可以生产交流传动内燃机车，并有许多国家开始批量订购交流传动内燃机车。我国交流传动的发展早在70年代，国内有关科研院所、许多大专院校就开展了交流传动技术的研究工作，但由于种种原因，始终处于实验室研究阶段。进入90年代，由于我国经济、技术发展的需要，且有国外交流传动技术的成熟运用以及在研制、运用方面大量可供借鉴的经验，我国的交流传动技术的研究进入了一个新时期。作为国家“八五”重点攻关项目的我国第一台AC4000型大功率交流传动电力机车（原型机），于1996年6月19日在株洲电力机车厂诞生，这标志着我国机车交流传动技术零的突破。经过机车试运行，并在西南交通大学国家牵引动力重点实验室的机车车辆滚动试验台上进行了全面的技术试验，为改进和完善交流传动机车获取了宝贵的第一手技术资料。在此基础上，又相继研制出性能更加优良的交流传动电力机车样机。“九五”期间，我国正式进入交流传动内燃机车的研制阶段。1997年，四方机车车辆厂承担了我国第一台交流传动内燃调车机车的研制任务，于1999年9月完成试制。随后各机车工厂也相继开发出交流传动内燃机车样车。我国已进入发展交流传动机车的实质性阶段。异步交流牵引电动机的特点1、构造简单，动力学性能好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，电机转速可达到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，直流电机转速因受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。由于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，对轨面的冲击力小，使机车具有良好的动力学性能。2、功率大，牵引力大由于异步牵引电动机结构简单、转速可达4000r/min，所以能够做到功率大、重量轻，其单位重量千瓦（kw/kg）是直流电机的2~3倍。在机车结构所限制的空间条件下，异步牵引电动机功率可达到1400kw~2000kw。正因为如此，才可使机车的牵引功率大大提高，从而可获得更大的牵引力，再加上粘着性能好，大的牵引力能充分发挥机车的牵引能力。现以ND5型交—直传动机车与SD60MAC交流传动机车进行比较：ND5型机车的柴油机标定功率为2940kw，起动牵引力为533.6kN，持续速度为22.2km/h时的持续牵引力为359.8kN；SD60MAC机车的柴油机标定功率为2835kw，起动牵引力为781kN，持续速度为20.5km/h时的持续牵引力为521kN。后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵引力都高出45%左右。3、粘着性能好由于异步电机具有很硬的机械特性，所以当某台电机发生空转时，随着转速的上升（上升值不大），转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。当进行粘着控制时，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，使驱动系统既不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力，实现最大可能的粘着利用。由于上述特性和良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。1992年美国铁路协会（AAR）在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数0.45，全天候牵引粘着系数为0.32（而GE公司在交—直流机车上，采用“SENTRY”粘着控制装置后，全天候粘着系数实测值为0.24~0.25），动力制动粘着系数为0.24。如此之高的粘着利用，正是针对交流传动机车所具有的良好的粘着控制而提出的，这对于交—直传动系统是不可想象的。4、可靠性高、维修简便交流异步牵引电动机无换向器、无电刷装置，除轴承外，无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好，绝缘性能和耐热性好。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。电路系统中几乎全由无触点的电子元件组成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘接、接触不良、机械卡滞等问题。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公司直流牵引电动机的大修期一般在40万km~48万km，而交流牵引电动机的大修期可高达120万km~160万km。此外，交流传动机车配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很高，维修量很小，且维修简便，维修费用大大降低。以德国现有E1200型机车和EA1000型机车比较，交流传动的E1200型机车的维修费仅为EA1000型机车的35%；E1200型机车的轮缘磨耗比EA1000型机车减少了53%。5、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。根据有关测量数据表明，采用交流传动的内燃机车与直流传动比较，在发挥相同功率时节省燃料10%~25%。由于可靠性、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，如某铁路运输公司采用交流传动机车后，机车利用率由原来的86%提高到95%，从铁路运营管理的角度来说，可减少机务段的备用机车数量以节省投资。正是交流传动机车所显示的高起动牵引力、大持续功率和宽恒功率区的特点，使其具有很强的使用灵活性，它既可满足货运列车对大的起动牵引力的要求，又可满足客运列车对高速度的要求，因此对客、货列车编组来说，成为名副其实的“通用机车”。第二节异步牵引电动机的调速一、异步电动机调速的基本方法1、电磁转矩特性电磁转矩T公式（5-1）式中Cm—电机结构常数；φ—旋转磁场每极磁通（wb）；I2—转子电流（A）；cos2—转子电路功率因数；S—转差率；n1—同步转速；（f1—电源频率，p—磁极对数）；n—转子实际转速（r/min）；E2—转子电势，E2=4.44k2w2f2φ=4.44K2W2Sf1φ=SE20；R2—转子电路电阻（Ω）；XL2—转子漏感抗，XL2=2πf2LL2=2πSf1LL2=SXL20。22022220222222222222)(cosLmLLmmSXRSRECXRRXRECICT11nnnSpfn1160异步电动机的转矩特性曲线：T=f(S)TS0SeSKTeTmaxTq1SKcosф2S01I2KI2图6—1异步电动机T=f(s)曲线图6—2异步电动机I2、cosф2的变化规律当电源电压U1及其频率f1均不变时，则电磁转矩T仅随转差率S变化。（1）起动转矩Tq（S=1）（2）最大转矩Tmax（求极值）—临界转差率（3）额定转矩Te额定功率Pe（kw），额定转速ne（r/min）22022220LmqXRRECT202LKXRS2020max21LmXECTmNnPnPPTeeeeeee95506021032、异步电动机的机械特性T=f(n)Tnn1nk0图6—3异步电动机机械特性不稳定区稳定区11nnnS由很容易将转矩特性T=f（S）转换为机械特性T=f（n）（1）不稳定运行区0~nK：当负载转矩小于电机转矩时，电机很快加速进入稳定运行区；当负载转矩大于电机转矩时，电机很快减速而堵转。（2）稳定运行区nK~n1：为电机正常工作区段，机械稳定性好，能适应负载的变化。一般额定转差率Se=0.04~0.063、异步电动机调速的基本方法Tnn1nk0图6—4电机转矩与外加电压的关系TZabc...U1`U1`U1``U1``U1```U1```＞＞（1）改变电压U1的调速在电源频率f1不变的条件下，异步电动机转矩M与电压U1的平方成正比，最大转矩Tmax所对应的SK与U1无关。可见改变U1不但不能使转速有多大的变化，反而使电机最大转矩发生较大的波动，削弱了电机适应负载变化的能力。（2）改变磁极对数的调速由可知，改变磁极对数p可改变它的同步转速n1，也就改变了转子的转速。但调速范围受到限制，且为有级调速。pfn1160（3）改变频率的调速若能平滑地大范围改变f1，就可以平滑改变n1，从而平滑宽广地调节电机的转速n，可满足机车牵引电动转速从零到最大值的调速要求。二、异步电机的等值电路及转矩表达式图6—6异步电动机的等值电路、—电源相电压和电机定子电流；—归算到定子侧的转子电流；—电机激磁电流；—分别为一相定子感应电势和归算到定子侧的转子感应电势；S—转差率，为转差频率与定子频率的比值：S=f2/f1；R1、X1—定子绕组电阻及漏电抗；R2'、X2—归算到定子侧的转子电阻及漏电抗；Xm—激磁电抗。1U1I2'ImI21'EE)(11111jXRIEUmmIjXjXSRIE)''(''2222Pe=mI'22R'2/SSRIfmpPTe/''22221122121212211212')''()'()(''mmmmmmSXRRXXXXXXSSXXXSRXXRUI2212212112221122121222211')(''/2RfXRfXXXXRffRRXffUpmTmm电