机车交流传动技术

1、我国交流传动的发展现状•我国交流传动技术的研究始于70年代初，可以说起步不晚，但国际上80年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。•铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要跟在别人后面先KK，后GTO，再IGBT一步一步地走老路绕弯子，应跨过GTO阶段，直接发展IGBT技术，缩短我国与国际上当今先进技术的差距。•到90年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制的，功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功。•在此基础上，由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所于1996年共同研制的4轴4000kW，我国第一台交流传动电力机车（原形车）诞生。•以AC4000命名的交流传动机车的研制，标志着我国电力机车进入交流传动时代。1、我国交流传动的发展现状AC4000型交流传动电力机车•1999年9月我国首台交流传动内燃机车“捷力型”调车内燃机车研制成功；•2000年6月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的DF4DJ型交流传动内燃机车落成，该机车为客货运两用，它的研制成功标志着我国大功率内燃机车跨入了将全面实现交流化的新时代。•机车设计轴重为23±3%，计算整备重量为138±3%t,机车的最大速度为145km/h，持续速度为19.9km/h，持续牵引力为444kN，轮周功率为2460kW，轮周制动功率为2850kW。1、我国交流传动的发展现状东风4DJ型交流传动内燃机车2、现代机车的技术特点•现代机车传统机车•1.传动方式交流传动直流传动•2.变流系统采用IGBT器件的晶闸管相控整流器•四象限变流器+•电机逆变器•3.牵引电机三相交流异步电机直流电机•制造简单,坚固耐用制造复杂,费工费料•无机械换向器机械换向器•-消除环火故障-运用中易发生环火•-起动时无烧损-起动时可能发生烧损•-无电刷维修-需要维修电刷•-接地故障大大减少-接地故障较多•鼠笼转子,消除绝缘故障转子带绝缘绕组•现代机车传统机车•4.控制系统车载计算机网络模拟-数字混合控制•完善的自诊断系统初级水平的故障检测•5.网侧性能cosφ=1cosφ=0.9•6.电制动性能再生制动电阻制动•主电路结构不变主电路结构改变•牵引-再生制动平滑转换•能量反馈电网能量消耗在电阻上•制动力大,且可制停制动力线性下降•制动功率与牵引功率相同2、现代机车的技术特点运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展3、交流传动机车发展综述运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。3、交流传动机车发展综述运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等3、交流传动机车发展综述运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等3、交流传动机车发展综述运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等3、交流传动机车发展综述运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等满足运输的需求充分利用新技术利用新材料采用新工艺3、交流传动机车发展综述4、交流传动机车的主要组成动力制动模块空气系统模块辅助变频器主变频器及电机驱动模块通讯模块电子设备–牵引变频器•逆变器(电流源型、电压源型、PMW)–电机•同步电机、异步电机–设备与功率器件5、交流传动机车系统框图6、交直与交流传动机车主电路比较变速箱异步电机逆变器整流器牵引变压器1085kW25000V变速箱直流电机整流器牵引变压器25000V滤波电抗器励磁绕组交直传动机车主电路交流传动机车主电路7、交流传动机车的技术分类核心层技术辅助层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术核心层技术辅助层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术7、交流传动机车的技术分类核心层技术辅助层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术司机台操纵技术、车体轻量化技术转向架技术、空气制动技术高压测检测技术7、交流传动机车的技术分类8、机车牵引特性机车牵引特性要求：1、能产生足够大的牵引力2、能方便广泛调节速度3、有较高的过载能力4、充分发挥机车功率5、先进的经济技术指标9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:顺时针切割转子导体Blv右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力F电磁转矩TnAXYCBZFvF0nNS9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）pfn600定子绕组中通入对称的三相交流电，产生速度为旋转磁场。9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）CiAiBiito0tAXYCBZNS0n9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）CiAiBiito90tAXYCBZSN9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）CiAiBiitot=180AZBXCYSN9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）90tU1U2V2W1V1W2SNU1V1W2U2W1V2180tU1V1W2U2W1V20t9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。旋转磁场的转向当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。取决于三相电流的相序。9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）9、交流牵引电机（鼠笼式异步电机）221cos)1(60ICTspfnmT10、机车牵引中异步电机的运行特性（1）恒力矩起动①采用恒压频比控制低频时适当提高电压，抵消定子绕组内阻的影响。②采用恒磁通控制电机各参数与频率的关系：constIconstTconstfconstTfEUfUsl1max11111)()(低频constsconstU1(2)恒功率运行电流型逆变器(异步电机)GTO电压型逆变器(欧洲之星TGV)牵引控制系统牵引电机制动系统牵引变流器牵引变压器转向架列车网络控制系统铝合金、不锈钢车体系统集成九大关键技术ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t变频技术——交交变频变频技术——交交变频工作原理：P组工作时，负载电流i0为正N组工作时，i0为负两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值变频技术——交交变频1OO23456图4-20uoiott变频技术——交直交变频电压型变频电路电流型变频电路VVVF电路结构•第一种：整流器ＶＶ，逆变器ＶＦSCR可控整流器六拍逆变器DCACAC50Hz~调频调压可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器交-直-交PWM变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC50Hz~调压调频C第二种：利用PWM技术，在逆变器环节同时VVVF（通用变频器）第三种：采用四象限整流器与PWM逆变器（牵引变流器）电机四象限整流器～/－PWM逆变器－/3~•四象限整流器的作用•１、使能量可以双向流动。既可由网侧向负载侧提供能量，又能把负载侧能量向网侧回馈，针对异步牵引电机来说，很容易实现再生电制动；•２、从电网侧吸收的电流为正弦波，减少了接触网的等效干扰电流，减少了对通讯的干扰；•３、可以使电网侧的功率因数接近１；•４、可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。牵引传动系统牵引高压设备牵引变流牵引驱动高压电器主变压器四象限中间电压过压保护牵引逆变器牵引电机齿轮箱车轮网侧变流控制器电机侧变流控制器车辆控制接触网受电弓主变压器变流器牵引电机钢轨牵引系统关系链再生CRH1动车组主电路CRH1由三个TBU(列车基本单元)共8辆车组成一列动车组。其中TBU1和TBU2完全对称，由两动一拖构成；TBU3由一动一拖构成。牵引逆变器主变压器牵引逆变器高压侧变流器CRH2主电路简图CRH3主电路框图HXD1型机车主电路MHXD2型机车主电路HXD3型电力机车主电路变流器电路（单台电机）中间直流电路M“交－直－交”核心环节——逆变器电路每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°。任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。180°导电方式大功率交流传动机车的关键技术•1、大功率电力电子变换技术牵引变流器•2、计算机控制技术网络控制、矢量控制、直接转矩控制1、大功率电力电子变换技术•电力电子变换技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。•（1）电能变换：交流－直流(AC－DC)的变换（整流）直流－交流(DC－AC)变换（逆变）交流－直流－交流（交－直－交系统）•（2）控制：①对电能传送流动方向的控制；②对电能质量指标的控制，包括电量的大小、频率、波形和相位等。电力电子器件是整个电力电子技术的基础，代表电力电力电子技术的发展历程和水平。电力电子器件的分类如下：1）不控型如：整流二极管2）半控型如：晶闸管3）全控型如：GTO、GTR、MOSFET、IGBT1、大功率电力电子变换技术2、变流器的控制•1、SPWM控制•2、矢量控制•3、直接转矩控制M3~电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR23、交流传动系统控制电路变速箱0,98异步电机0,95逆变器0,99整流器0,98牵引变压器0,941000kW1020kW1074kW1085kW1107kW25000V3、交流传动系统控制电路（控制器）tff*ufu斜坡函数U/f曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生PWM变压变频器的基本控制流程3、交流传动系统控制电路urucuOtOtuouofuoUd-Ud双极性PWM控制方式波形SPWM控制方式波形逆变器模型SVPWM模型ContinuouspowerguigABC+-UniversalBridgeOut1Out2Out3Out4Out5Subsystem1ScopeLf2Lf1LffTzVdctt1svmasvma0svmbsvmb0svmcsvmc0fcnEmbeddedMATLABFunction2s-+ControlledVoltageSource0.5ConstantCf2Cf1CfTmmABCAsynchronousMachineSIUnitsRotorspeed(wm)变频调速系统仿真模型T0/2T2T13Tc12Tb11Ta1u[1]*wsamplingtimef(u)Tcf(u)Tbf(u)Taf(u)T