第3章-电力牵引交流传动与控制

1第三章电力牵引交流传动与控制主要内容：电力牵引交流传动技术概述电力牵引交流传动基础交-直-交变流器与逆变器电力牵引交流传动的控制技术2第三章电力牵引交流传动与控制一、电力牵引交流传动技术概述1.机车交流传动系统的基本结构交流传动机车：（特指）采用各种变流器供电，交流异步或同步电动机驱动的机车或电动车组。变流器类型：交-交变流器（直接式）交-直-交变流器（间接式）3系统基本结构型式（电压型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统（普遍应用）（电压型）交-直-交变流器+交流同步牵引电机系统（电流型）交-直-交变流器+交流异步牵引电机系统交-交变流器+交流同步牵引电机系统42.发展历史与现状①交流调速技术上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术---大功率半导体器件）应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域日本1975直流80%，交流20%1985直流20%，交流80%全世界上世纪80年代后五年交流调速年均增长13%-14%直流调速年均增长3%-4%中国风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电量38%。采用交流调速节能前景广阔5②交流电传动机车技术发展20世纪60-70年代：初期发展阶段1965德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统1971第一台成功运行的交流机车诞生DE250070年代共生产25套20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车上获得推广应用欧洲发展迅速（共计达350多台）DE500系列（Mak公司500kwGTO1980）DE1024系列（Mak+ABB公司2650kwGTO挪威国铁）ME1500（丹麦国铁2410kw普通晶闸管1981）美国铁路交流传动投入不足，发展较慢----仅在老机车改造方面作了尝试620世纪90年代：交流传动技术成为热点美国异军突起（至1997达1400台）SD60MAC（GM公司2834kwGTO微机控制1992）AC4000（GE公司3281kwGTO32位微机1994）AC6000（GE公司4474kwGTO32位微机1994）欧洲GEC-Alsthom公司为叙利亚国铁开发2370kwIGBT1997中国交流牵引传动技术发展70-80年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态1992研制成功1000kw地面变流器（试验）装置1996AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机1025kw）2000DJJ1”蓝箭”220km/hIPM器件直接转矩控制1225kw异步电动机2001DJ2”奥星”号竣工，田心厂等动车组4800KW，Vmax=160Km/h，自主知识产权2002“中华之星”试验速度：312.5公里/小时2006CRH1、CRH2、CRH5，DJ47③大功率电力电子器件的发展---交流传动发展的关键技术之一晶闸管（Thyristor）70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。GTO（Gateturn-offthyristor）80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于1-2kHz（吸收电路、触发和关断电路是关键）GTR（GaintTransistor）大功率晶体管电流控制双极型自关断元件，通态压降低目前水平：600A/1200V、450A/1300V主要问题：难于突破1500V功率场效应管（PowerMOSFET）(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小目前水平：200A/1000V8IGBT(InsulatedGateBiplarTrasistor)绝缘栅双极晶体管兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混合器件，电压控制元件国外已发展到第五代：第1代（1985）500-1000V25A第2代（1989）600-1200V400A第3代高频、低耗、低压降1200-2000V第4、5代2000-4000V，600A/1200V,800A/1000V至1500A/1600V模块化、智能化IPM（IntelligentPowerModule)智能功率模块集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体的智能型模块中国机车用大功率半导体器件发展水平晶闸管：200-3000A/6500VGTO：600A/2500V（1993），目前研制500-2000A/2500-4500V9电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：注：SIT(SITH)—静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)—MOS控制晶体管（晶闸管）10④交流传动控制装置及控制技术的发展上世纪80年代以前主要为模拟器件和开关逻辑器件控制方式80年代出现16位微机控制，如MICAS、SIBAS-16等90年代32位微机控制，如SIBAS-32等交流传动控制技术：•微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和最优控制•电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接转矩控制（控制转矩和磁链）113.交流传动的优点由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点：异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可达45%，交-直机车25%）牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑动接触部件）单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同步电动机0.5kw/kg，异步电动机0.68kw/kg或更高）交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保三相鼠笼式异步牵引电动机造价低12二、电力牵引交流传动基础①三相交流电机的旋转磁场1.三相异步电动机的工作原理及结构iiuiviwiu0t33三相电流波形UUVVWW111222t=Iu=Im0UUVVWW111222t=Iv=ImUUVVWW111222t=Iw=Im逆时钟方向旋转NSNSSN13②三相异步电动机的转动原理旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上北极N下为南极S。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外⊙，在下半部则由外向里⊕。按左手定则知，导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n1方向旋转。pfn1160三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为转子导体感应电动势频率：)p60nn(f2114电机旋转磁场同步转速：n1=60f1/p(r/m)(3-2-2)f1电机定子绕组输入电源频率(Hz)异步电动机转速为n，转差率定义为：s=(n1-n)/n10＜s≤1(3-2-3)由转差率定义得电机转速公式：n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p(3-2-4)由转差n2=n1-n=60f2/p，代入(3-2-3)得：s=(n1-n)/n1=n2/n1=f2/f1(3-2-5)或：f2=sf1(3-2-5a)式中f2称为为转差频率（即转子导体感应电流频率）15③三相异步电动机结构封闭式三相笼型异步电动机结构图1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇16三相笼型异步电动机结构图17定子铁心及冲片示意图（b）铸铝转子笼形式转子绕组（a）铜排转子18定子绕组的联结定子三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每相绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，一般首端分别标为U1,V1,W1，末端分别标为U2,V2,W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图所示。三相绕组可接成星形或三角形。星形连接三角形连接19二、电力牵引交流传动基础2.异步牵引电动机的调速特性及控制規律①异步牵引电动机的基本特性a)电磁转矩特性电磁转矩公式M=CmΦI2cosφ2=CmΦE2(r2/(X2s²+r2²))=CmΦE20(sr2/((sX2s0)²+r2²))(3-2-1)式中：Cm电机结构常数Φ电机内旋转磁场每极磁通(Wb)E2=4.44f2k2w2Φ转子感应电势(v)f2转子感应电势频率(Hz)r2转子电路中等效电阻(Ω)X2s=2πf2L2s=sX2s0=2πsf1L2s转子等效漏抗(Ω)L2s转子等效漏感(H)cosφ2=r2/√(X2s²+r2²)转子电路功率因数I2=E2/√(X2s²+r2²)转子电流(A)E20=E2/s当电机f2=f1时的转子感应电势(v)X2s0=X2s/s当电机f2=f1时的转子漏抗(Ω)20电磁转矩特性曲线Mmax临界(最大)转矩Sk临界转差率Me额定转矩Se额定转差率MQ启动转矩（对应s=1)由异步电机扭矩公式，可得电磁转矩特性曲线。21b)临界转矩、转差率与电机其它参数的关系由(3-2-1)式，令dM/ds=0得：sk=r2/X2s0=r2/(2πf1L2s)(3-2-6)代入(3-2-1)式得：Mmax=CmΦE20/X2s0=CmΦ(4.44f1k2w2Φ)/(2πf1L2s)=Cm’Φ²(3-2-7)因此：Mmax与r2无关；sk与f1成反比,与r2成正比若忽略定子漏抗时，定子输入电压近似等于定子感应电势：U1≈E1=4.44f1k1w1Φ(3-2-8)当f1不变，则Φ与U1正比，此时有：Mmax=Cm’Φ²=Cm’’U1²(3-2-9)当U1不变，则Φ与1/f1正比，此时有：Mmax=Cm’Φ²=Cm’’(1/f1)²(3-2-10)22sk与f1成反比,与r2成正比23当f1不变时，Φ与U1正比Mmax=Cm’Φ²=Cm’’U1²24当U1不变时，Φ与1/f1成正比Mmax=Cm’Φ²=Cm’’(1/f1)²25c)机械特性M=f(n)可由M=f(s)求得：n=(1-s)n1=60f1(1-s)/pS=1n=0S=0n=n1稳定运行区nknn1非稳定运行区0nnk过载系数kMkM=Mmax/Me=1.8~2.5以确保电机稳定运行2627d)谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附加转矩）对机械特性的影响•高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。28②异步牵引电动机调速a)调速方法由式n=60f1(1-s)/p可知调速三种途径：改变定子绕组磁极对数p绕组换接，有级调速改变转差率ss=f(u1,r1,x1s,x2s,r2)改变电机输入频率f1需要变频电源，可经济地获得宽广平滑的调速性能29b)变频调速对机械特性的影响当取U1≈E1=4.44f1k1w1Φ时有：Φ=E1/(4.44f1k1w1)=U1/f1(4.44k1w1)代入式(3-2-7)：Mmax=CmΦE20/X2s0=Cm’Φ²=Cm″U1²/f1²(3-2-11)可见：保持u1=c调速，Mmax正比于1/f1²；f1，u1/f1，Φ，电机工作在磁场削弱状态。------适合软负荷特性。3031改变f1调速，且保持U1/f1不变，Φ=const.，电机工作在额定磁通，则Mmax