1、电力牵引传动电力牵引传动与控制第一章电力牵引传动与控制系统概述一、系统组成与功用1内燃机车电力传动与控制系统组成2电力机车电力传动与控制系统组成2机车理想牵引特性曲线理想特性要求：机车在运行时能经常利用其动力装置的额定功率 即:F V=3.6 n N=const.3电传动装置的功用?图1.3柴油机功率特性和扭矩特性1充分利用和发挥机车动力装置的功率；2扩大机车牵引力 F与速度V的调节范围；3提高机车过载能力，解决列车起动问题；4改善机车牵引控制性能。Why要电传动：柴油机通过机械直接传动不能适应机车起动、过载、恒功等要求二、系统分类1直-直电力传动系统囲动您=團1-4内燃机车直-直电传动内燃或
2、电力机车采用直流牵引发电机或直流电网直接向数台直流牵引电动机供电的传动方 式。特点：1调速性能优良，系统简洁。2直流牵引电机造价较高，但可靠性、维护性相对较差。3受直流电机换向条件和机车限界、轴重等限制，主发电机单机功率受到限制。一般在 2200KW 以下。4车型：早期 DF,DF2,DF3,ND1,ND2 等2交-直电力传动系统用計tn.图仏5内燃机车交直电传动内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及变压器， 通过整流器向数台直流牵引电动机供电的传动方式。特点：1采用三相交流同步发电机，结构简单，可靠性高，重量轻，造价较低。2适用于大功率机车。3车型： DF4， DF5，DF7, DF
3、11，ND4，ND5，SS3-SS9 等。3交-直-交电力传动系统合内燃机车交直咬电件动内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电网及变压器， 经整流器将交流电变换成直流，再通过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控制要求变化的交流电， 向数台交流牵引电动机供电的传动方式。特点：1采用交流牵引电机，彻底克服了直 -直系统的不足，重量轻，造价低，可靠性及维修性好2良好的粘着性能3适用于大功率4控制系统复杂5车型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH 系列等三、发展历史与现状1大功率（内然）机车电力传动与液力传动两种主要传动方式的演变与发展 主要趋势：电力传
4、动2电力传动形式的发展： 直-直t交-直t交-直-交发展趋势：大功率、电力牵引、交流传动第二章、电力牵引交-直传动与控制、一、直流牵引电动机1基本方程1感应电势和电磁力矩电枢感应电势：Es=Ce sn (v) (2-1)电枢电磁力矩：M=Cm sis ( N m) (2-2)式中：n 电机转速(r/m)s每极下磁通量(wb) Is 电机电枢电流(A )Ce=pN/60a (电机电势常数)Cm=pN/2 n a (电机扭矩常数)p 极对数；a 电枢绕组并联支路对数； N 电枢绕组有效导体总数2电势平衡方程以串励电动机为例：Us:=Es+ FsRs+Ls 刃 (2-3)rft稳态时有：E! 2 5
5、 直沆电父的电滋農蜚Us=Es+IsRs式中：Us电机端电压；Rs电枢回路总电阻* Ls电枢冋路总电感.图2-6串励电机尊效电路转矩平衡方程式转矩方程= .M=Mz+Mo+J (2-5)稳态时有： 办M=Mi+Mc (2 曲)式中匕M电磁转矩；Mz负载阻力矩；M0电机空载阻力矩匚电机角速度丫J电机与负载等效转动 惯量。2-7良淹电动机转矩平衡(2-7a)s Is4能量（功率）平衡方程由（2-4）式可得:UsIs=EsIs+ Is2 Rs输入电功牡电磁功率+电机内铜(电阻)损耗Esis= ( C色导n) *is=(pN/60a) * (60 3/2n)=(pn/2 ha) * s Is=(Cm
6、s Is )电磁功率匸机械功率 电机转矩M 3 =Mz 3 +Mo 3机械功率=负载功率+电机空载损耗电机扭矩 常数Cm 2-7 b)(2-8 )2直流牵引电动机的工作特性 -着重把握比较串励与他励直流牵引电动机转速特性：n =f（ Is）转矩特性：M=f （Is）机械特性：n =f（ M）条件：不对电源电压和励磁电流进行人为调节。1转速特性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)他励电机： s con st.n=no-kls (硬特性)串励电机：sk Is （磁路未饱和时） n=a
7、/ls-b （软特性）其中 no =Us /(Ce s); k, k a, b 为常数。2转矩特性 M=f （Is）他励电机：M=CmI）ss=k Is （2- 10）串励电机（磁路未饱和时 专与H成正比）故有,M=CmO）sIs=k Is2代【2 9a扯励电劝机們J-1 -（2-11）3机械特性n=f(M)n=(Us-IsRs|/(CeOs)=Us /(CeOs)-M Rs/fCeCmO?) (2-12)1 2 - 1 O电动机的机披W图2-lOa直流电动机转矩特性图2血直離电动机机植特性直流电动机的稳态工作点檎态时：M=Mz+MoMz _L % 必劇 M密2 门 牵引屯劝仍找变化吋的迖行决
8、吉 1一卒引业动汎久慎转川時性n = /2窄引电动机的9L他n性Mf (M)牵引性能分析与比较1电气稳定性：一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。 但他励电机稳定余量较小， 对于无补偿绕组的电机， 由于电枢反应的去磁作用， 在大电枢电流时，有可能进入不稳定状 态。2负载分配性：当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机比他励电机负载 分配不均匀程度要小得多。 同一台机车动轮直径有差异时， 采用串励牵引电动机比他励电机负载分配均匀。3输入电压波动对电机电流和牵引力的影响： 当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时增加， 将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，
9、串励电机电流冲击要小得多。4牵引电动机功率利用：串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，故串 励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小， 接近恒功率曲线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。5粘着性能分析比较：串励电动机由于特性较软，空转发生后的稳定滑动速度 V4高于他励电动机的稳定滑动速度 V3。从粘着重量的利用观点出发，他励牵引电动机优于串励牵引电 动机。3速度调节1调压调速：改变 Us调速n2/n1 Us2/Us1 （2-13）（假定lsRs 0时）2磁场削弱调速：根据电机转速公式，近似有： n2/n1Q si/s2 （2-15）思考题：1恒功率控制条件下，牵引电动
10、机磁场削弱前后的工作状态如何变化？a.磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大 ，电压减小（恒功控制系统作用）；b.根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力 Mz不变且电磁力矩 M与Mz已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。但若在 Mz12km/h下进行）4） 空转检测分析与空转信号的分级输出（四级空转信号）8K电力机车空转检测保护电路特点？1） 轮径修正2） 检测轮对速度差、加速度及加速度变化率3） 牵引电动机电流给定修正算法4） 自动寻找并记忆最大粘着系数时的电流值第三章、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（电动车组）：指采用静止式变流器供电和交流异
11、步或同步牵引电动机驱动的机车（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） 系统基本结构型式： 交-直-交（电压型） 交-直-交（电压型） 交-直-交（电流型） 交-交变流器+交流同步牵引电机系统2大功率电力电子器件晶闸管（Thyristor）70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频GTO （ Gate turn-off thyristor ）80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器GTR （ Gai nt Transistor）大功率晶体管电流控制双极型自关断元件， 通态压降低功率场效应管（Power MOSFET ）（Metal Oxide S
12、emic on ductor Field Effect Tran sistor）IGBT（Insulated Gate Biplar Trasistor）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PM （ Intelligent Power Module）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3交流传动的优点1） 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2） 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3） 单机容量大（
13、不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小4） 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保5） 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低二、电力牵引交流传动基础1异步牵引电动机的基本特性1）电磁转矩特性电磁转矩特性曲线由异步电机扭矩公式（3-2-5）,可得电磁转矩特性曲线口Mmax临界（最人） 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5=1）图3-2-1 电碰转炬特性2） 临界转矩、转差率与电机其它参数的关系Mmax只与电机每极磁通有关，正比于乂SI（与fl成反比，与2成正比3） 机械特性M=f（ n）3-2-5异步电动机机锻符性4）谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附加转矩）
14、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。2.异步牵引电动机调速方法? 改变定子绕组磁极对数 p 改变转差率s改变电机输入频率fl3.异步牵引电动机控制规律的选择A.异步牵引电动机牵引控制规律的选择? 启动加速阶段-近似恒牵引力 正常牵引工况-恒功率限速阶段 -恒速运行B.牵引控制规律的选择？最小电动机匹配控制规律、最小逆变器匹配控制规律三、交-直-交牵引逆变器原理1.交-直-交系统牵引变流器组成结构整流器+逆变器2.控制基本原理？a.矩形波法控制逆变器组成与逆变原理逆变器正负主开关状态在逆变输出频率的每一个周期内转
15、换一次，使负载电位按正负两个 180（或120）宽的矩形波变化。B.分谐波法（脉宽调制 PWM ）控制-SPWM控制1基本思路：克服矩形波控制法在低频输出时谐波电流成分大的缺点；使各相正负主开关状态在逆变器输出频率的每一个周期内进行多次转换， 从而将“大矩形波”分割成多个等效“小矩形波”，在要求输出正弦电压时， 上述矩形波的宽度按如下要求进行控制： 使输出电压的平均值随时间按正弦规律变化。2调制比mm的选择m应为整数-消除差拍调制；m应为3的整数倍-使三相电压对称;m在高频时应取小些-开关速度限制;m在低频时应取大些-减小谐波。3SPWM控制逆变器特点使输出电压波形基波分量增大，谐波减少；特别是当输出低频时，可减小谐波电流分量， 使牵引电动机低速运行时具有良好的调速性能；可以实现输出频率 fl与输出电压U1的连续调节和协调控制，从而使逆变器可以满足机车 不同运行工况的控制特性要求。四、电力牵引交流传动的控制技术转差频率控制矢量变换控制直接转矩控制
