電力牽引傳動

1、電力牽引傳動與控制第一章電力牽引傳動與控制系統(tǒng)概述一、系統(tǒng)組成與功用1內(nèi)燃機(jī)車電力傳動與控制系統(tǒng)組成 電力機(jī)車電力傳動與控制系統(tǒng)組成2機(jī)車?yán)硐霠恳匦郧€理想特性要求：機(jī)車在運(yùn)行時能經(jīng)常利用其動力裝置的額定功率即:F V=3.6 n N=const.3電傳動裝置的功用?圖1.3柴油機(jī)功率特性和扭矩特性 充分利用和發(fā)揮機(jī)車動力裝置的功率； 擴(kuò)大機(jī)車牽引力 F與速度V的調(diào)節(jié)范圍； 提高機(jī)車過載能力，解決列車起動問題； 改善機(jī)車牽引控制性能。Why要電傳動：柴油機(jī)通過機(jī)械直接傳動不能適應(yīng)機(jī)車起動、過載、恒功等要求二、系統(tǒng)分類1直-直電力傳動系統(tǒng)囲動您=團(tuán)1-4內(nèi)燃機(jī)車直-直電傳動內(nèi)燃或電力機(jī)車采用直

2、流牽引發(fā)電機(jī)或直流電網(wǎng)直接向數(shù)臺直流牽引電動機(jī)供電的傳動方 式。特點(diǎn)： 調(diào)速性能優(yōu)良，系統(tǒng)簡潔。 直流牽引電機(jī)造價較高，但可靠性、維護(hù)性相對較差。 受直流電機(jī)換向條件和機(jī)車限界、軸重等限制，主發(fā)電機(jī)單機(jī)功率受到限制。一般在 2200KW 以下。 車型：早期 DF,DF2,DF3,ND1,ND2 等2交-直電力傳動系統(tǒng)用計tn.圖仏5內(nèi)燃機(jī)車交直電傳動內(nèi)燃或電力機(jī)車采用交流牽引發(fā)電機(jī)或單相交流網(wǎng)及變壓器，通過整流器向數(shù)臺直流牽引電動機(jī)供電的傳動方式。特點(diǎn)： 采用三相交流同步發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，重量輕，造價較低。 適用于大功率機(jī)車。 車型： DF4， DF5，DF7, DF11，ND4，N

3、D5，SS3-SS9 等。3交-直-交電力傳動系統(tǒng)合內(nèi)燃機(jī)車交直咬電件動內(nèi)燃或電力機(jī)車采用交流牽引發(fā)電機(jī)或單相交流電網(wǎng)及變壓器，經(jīng)整流器將交流電變換成直流，再通過逆變器將直流電變換成頻率和幅值按列車運(yùn)行控制要求變化的交流電，向數(shù)臺交流牽引電動機(jī)供電的傳動方式。特點(diǎn)： 采用交流牽引電機(jī)，徹底克服了直-直系統(tǒng)的不足，重量輕，造價低，可靠性及維修性好 良好的粘著性能 適用于大功率 控制系統(tǒng)復(fù)雜 車型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH 系列等三、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀1大功率（內(nèi)然）機(jī)車電力傳動與液力傳動兩種主要傳動方式的演變與發(fā)展 主要趨勢：電力傳動2電力傳動形式的發(fā)展

4、：直-直t交-直t交-直-交發(fā)展趨勢：大功率、電力牽引、交流傳動第二章、電力牽引交-直傳動與控制、一、直流牽引電動機(jī)1基本方程 感應(yīng)電勢和電磁力矩電樞感應(yīng)電勢：Es=Ce sn (v)(2-1)電樞電磁力矩：M=Cm sis ( N m)(2-2)式中：n電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/m)s每極下磁通量(wb) Is 電機(jī)電樞電流(A )Ce=pN/60a (電機(jī)電勢常數(shù))Cm=pN/2 n a (電機(jī)扭矩常數(shù))p極對數(shù)；a 電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)； N 電樞繞組有效導(dǎo)體總數(shù) 電勢平衡方程以串勵電動機(jī)為例：Us:=Es+ FsRs+Ls 刃 (2-3)rft穩(wěn)態(tài)時有：E! 2 5 直沆電父的電滋農(nóng)蜚Us=Es+

5、IsRs式中：Us電機(jī)端電壓；Rs電樞回路總電阻* Ls電樞冋路總電感.圖2-6串勵電機(jī)尊效電路轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩方程=.M=Mz+Mo+J (2-5)穩(wěn)態(tài)時有：辦M=Mi+Mc(2 曲)式中匕M電磁轉(zhuǎn)矩；Mz負(fù)載阻力矩；M0電機(jī)空載阻力矩匚電機(jī)角速度丫J電機(jī)與負(fù)載等效轉(zhuǎn)動 慣量。2-7良淹電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡(2-7a)s Is 能量（功率）平衡方程由（2-4）式可得:UsIs=EsIs+ Is2 Rs輸入電功牡電磁功率+電機(jī)內(nèi)銅(電阻)損耗Esis= ( C色導(dǎo)n) *is=(pN/60a) * (60 3/2n)=(pn/2 ha) * s Is=(Cm s Is )電磁功率匸機(jī)械功率電機(jī)轉(zhuǎn)矩

6、M 3 =Mz 3 +Mo 3機(jī)械功率=負(fù)載功率+電機(jī)空載損耗電機(jī)扭矩 常數(shù)Cm 2-7 b)(2-8 )2直流牽引電動機(jī)的工作特性-著重把握比較串勵與他勵直流牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)速特性：n =f（ Is）轉(zhuǎn)矩特性：M=f （Is）機(jī)械特性：n =f（ M）條件：不對電源電壓和勵磁電流進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。 轉(zhuǎn)速特性n =f （Is） 由（2-1）和（2-4 ）式可得:n=(Us-lsRs)/(Ce s)=Us /(Ce s)- IsRs /(Ce s) (2-9)他勵電機(jī)： s con st.n=no-kls(硬特性)串勵電機(jī)：sk Is （磁路未飽和時） n=a/ls-b（軟特性）其中 no =Us /(

7、Ce s); k, k a, b 為常數(shù)。 轉(zhuǎn)矩特性 M=f （Is）他勵電機(jī)：M=CmI）ss=k Is （2- 10）串勵電機(jī)（磁路未飽和時 專與H成正比）故有,M=CmO）sIs=k Is2代【2 9a扯勵電勸機(jī)們J-1 -（2-11） 機(jī)械特性n=f(M)n=(Us-IsRs|/(CeOs)=Us /(CeOs)-M Rs/fCeCmO?) (2-12)1 2 - 1 O電動機(jī)的機(jī)披W圖2-lOa直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖2血直離電動機(jī)機(jī)植特性直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)檎態(tài)時：M=Mz+MoMz _L% 必劇M密2 門 牽引屯勸仍找變化吋的迖行決吉 1一卒引業(yè)動汎久慎轉(zhuǎn)川時性n = /2窄引電動

8、機(jī)的9L他n性Mf (M)牽引性能分析與比較1電氣穩(wěn)定性：一般情況下，串勵和他勵電動機(jī)具有電氣穩(wěn)定性。 但他勵電機(jī)穩(wěn)定余量較小， 對于無補(bǔ)償繞組的電機(jī)， 由于電樞反應(yīng)的去磁作用， 在大電樞電流時，有可能進(jìn)入不穩(wěn)定狀 態(tài)。2負(fù)載分配性：當(dāng)多臺牽引電動機(jī)并聯(lián)工作、電機(jī)特性有差異時，串勵電機(jī)比他勵電機(jī)負(fù)載 分配不均勻程度要小得多。同一臺機(jī)車動輪直徑有差異時，采用串勵牽引電動機(jī)比他勵電機(jī)負(fù)載分配均勻。3輸入電壓波動對電機(jī)電流和牽引力的影響：當(dāng)外加電壓突變時，由于他勵電動機(jī)勵磁不變，電樞反電勢不能及時增加， 將使過渡過程開始階段電樞電流沖擊過大，串勵電機(jī)電流沖擊要小得多。4牽引電動機(jī)功率利用：串勵牽引電

9、動機(jī)具有軟特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而自動降低，故串 勵電動機(jī)的功率變化比他勵牽引電動機(jī)要小，接近恒功率曲線，可以更合理地利用與牽引功率有關(guān)的電器設(shè)備容量。5粘著性能分析比較：串勵電動機(jī)由于特性較軟，空轉(zhuǎn)發(fā)生后的穩(wěn)定滑動速度V4高于他勵電動機(jī)的穩(wěn)定滑動速度 V3。從粘著重量的利用觀點(diǎn)出發(fā)，他勵牽引電動機(jī)優(yōu)于串勵牽引電 動機(jī)。3速度調(diào)節(jié) 調(diào)壓調(diào)速：改變 Us調(diào)速n2/n1 Us2/Us1（2-13）（假定lsRs 0時） 磁場削弱調(diào)速：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，近似有：n2/n1Q si/s2（2-15）思考題：1恒功率控制條件下，牽引電動機(jī)磁場削弱前后的工作狀態(tài)如何變化？a. 磁場削弱后瞬間電機(jī)電樞電流增

10、大，電壓減?。ê愎刂葡到y(tǒng)作用）；b. 根據(jù)扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不變且電磁力矩 M與Mz已處于平衡狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將保持不變。但若在Mz12km/h下進(jìn)行）4）空轉(zhuǎn)檢測分析與空轉(zhuǎn)信號的分級輸出（四級空轉(zhuǎn)信號）8K電力機(jī)車空轉(zhuǎn)檢測保護(hù)電路特點(diǎn)？1）輪徑修正2）檢測輪對速度差、加速度及加速度變化率3）牽引電動機(jī)電流給定修正算法4）自動尋找并記憶最大粘著系數(shù)時的電流值第三章、電力牽引交流傳動與控制一、電力牽引交流傳動技術(shù)概述1.機(jī)車交流傳動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流傳動機(jī)車（電動車組）：+交流異步牽引電機(jī)系統(tǒng)（普遍應(yīng)用）+交流同步牽引電機(jī)系統(tǒng)+交流異步牽引電機(jī)系統(tǒng)變流器變流器變流器指采用靜止式變

11、流器供電和交流異步或同步牽引電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)車（電動車組） 變流器類型：交-交變流器（直接式）、交-直-交變流器（間接式） 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)型式： 交-直-交（電壓型） 交-直-交（電壓型） 交-直-交（電流型） 交-交變流器+交流同步牽引電機(jī)系統(tǒng) 2大功率電力電子器件晶閘管（Thyristor）70年代及以前使用的主要開關(guān)元件：半控，低頻GTO （ Gate turn-off thyristor ）80年代，電流控制可關(guān)斷元件，已廣泛用以大功率變流器GTR （ Gai nt Transistor）大功率晶體管電流控制雙極型自關(guān)斷元件，通態(tài)壓降低功率場效應(yīng)管（Power MOSFET ）（Metal

12、 Oxide Semic on ductor Field Effect Tran sistor）IGBT（Insulated Gate Biplar Trasistor）絕緣柵雙極晶體管兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)：高速（20-50kHz）、高阻抗，低壓降等混合器件，電壓 控制元件PM （ Intelligent Power Module）智能功率模塊集功率開關(guān)、驅(qū)動隔離電路以及過流、過壓、過熱保護(hù)等于一體的智能型模3交流傳動的優(yōu)點(diǎn)1）異步電動機(jī)陡峭的自然外特性利于抑制機(jī)車空轉(zhuǎn)和打滑，可大幅度提高機(jī)車的粘著性能2）牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)熱利用率高，維護(hù)、維修方便，運(yùn)用維護(hù)費(fèi)用低3） 單

13、機(jī)容量大（不受換向限制），轉(zhuǎn)速范圍寬，重量輕體積小4）交流傳動機(jī)車功率因數(shù)高，等效干擾電流小，節(jié)能，環(huán)保5）三相鼠籠式異步牽引電動機(jī)造價低二、電力牽引交流傳動基礎(chǔ)1異步牽引電動機(jī)的基本特性1）電磁轉(zhuǎn)矩特性電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線由異步電機(jī)扭矩公式（3-2-5）,可得電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線口Mmax臨界（最人） 轉(zhuǎn)矩Sk臨界轉(zhuǎn)差率Me額定轉(zhuǎn)矩Se額定轉(zhuǎn)差率Mq啟動轉(zhuǎn)矩（對應(yīng)5=1）圖3-2-1電碰轉(zhuǎn)炬特性2）臨界轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差率與電機(jī)其它參數(shù)的關(guān)系Mmax只與電機(jī)每極磁通有關(guān)，正比于乂SI（與fl成反比，與2成正比3）機(jī)械特性M=f（ n）3-2-5異步電動機(jī)機(jī)鍛符性4）諧波電流（磁場）引起的諧波轉(zhuǎn)矩（附加轉(zhuǎn)矩）

14、對機(jī)械特性的影響高次諧波電流（磁場）使電機(jī)啟動階段轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大幅波動，惡化了起動性能，并可使電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或大幅波動。2. 異步牽引電動機(jī)調(diào)速方法? 改變定子繞組磁極對數(shù) p 改變轉(zhuǎn)差率s改變電機(jī)輸入頻率fl3. 異步牽引電動機(jī)控制規(guī)律的選擇A.異步牽引電動機(jī)牽引控制規(guī)律的選擇? 啟動加速階段-近似恒牽引力 正常牽引工況-恒功率限速階段-恒速運(yùn)行B.牽引控制規(guī)律的選擇？最小電動機(jī)匹配控制規(guī)律、最小逆變器匹配控制規(guī)律三、交-直-交牽引逆變器原理1. 交-直-交系統(tǒng)牽引變流器組成結(jié)構(gòu)整流器+逆變器2. 控制基本原理？a.矩形波法控制逆變器組成與逆變原理逆變器正負(fù)主開關(guān)狀態(tài)在逆變輸出頻率的每一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)換一次，使負(fù)載電位按正負(fù)兩個 180（或120）寬的矩形波變化。B.分諧波法（脈寬調(diào)制 PWM ）控制-SPWM控制 基本思路：克服矩形波控制法在低頻輸出時諧波電流成分大的缺點(diǎn)；使各相正負(fù)主開關(guān)狀態(tài)在逆變器輸出頻率的每一個周期內(nèi)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，從而將“大矩形波”分割成多個等效“小矩形波”，在要求輸出正弦電壓時， 上述矩形波的寬度按如下要求進(jìn)行控制：使輸出電壓的平均值隨時間按正弦規(guī)律變化。 調(diào)