1、交流傳動與直流傳動優劣的比較、交流傳動背景介紹1、發展歷程電力傳動誕生于19世紀，20世紀初被廣泛應用于工業、農業、交通運輸和 日常生活中。執行機構由直流電動機驅動，則稱為直流電氣傳動系統，執行機構由交流電 動機驅動，則稱為交流電氣傳動系統。20世紀30年代，人們已經認識到變頻調速是交流電動機一種最理想的調速 方法；60年代，隨著電力電子技術的發展和變頻調速裝置的研制成功，交流調 速技術成為電動機調速的發展方向；70年代中期，在世界范圍內出現能源危機， 節約能源成為人們關注的問題；許多過去不調速的傳動裝置，如風機、水泵等， 也都采用了調速傳動；90年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術的

2、 飛速發展，以及現代控制理論和控制技術的應用，交流傳動調速技術取得了突破 性的進展，逐步具備了調速范圍寬、穩速精度高、動態響應快以及可作四象限運 行等優良的技術性能。目前，交流傳動已經作為一種完全被肯定的系統，大舉進 入電氣傳動調速控制的各個領域。2、交流傳動電力機車發展綜述隨著科技的進步，電力機車的發展方向逐漸成為以安全性、實用性、可靠性、 靈活性、舒適性越高越好；費用越低越好的發展目標。但是，不可避免的，存在 著地域規范、供電制式、空間、體積、重量、技術水平、工藝水平等限制。隨著 電力電子技術、微電子技術、新材料、新工藝等的出現與發展，行業從業者們滿 足運輸的需求，充分利用新技術，利用新材

3、料，采用新工藝從而實現新一代電力 機車的發展。3、交流傳動電力機車的組成圖1-1機車內部構造4、我國交流傳動機車的發展現狀我國交流傳動技術的研究始于70年代初，可以說起步不晚，但國際上80 年代初交流傳動機車就已經進入商用化，技術日趨成熟。鐵道部主管領導曾指出，我國發展交流傳動不要跟在別人后面先KK,后GTO,再IGBT 一步一步地走老路 繞彎子，應跨過GTO階段，直接發展IGBT技術，縮短我國與國際上當今先進技 術的差距。到90年代我國由株洲電力機車研究所和鐵道部科學研究院共同研制的，功 率達1000kW的電力牽引交流傳動系統獲得成功。在此基礎上，由株洲電力機車 廠、株洲電力機車研究所于19

4、96年共同研制的4軸4000kW，我國第一臺交流傳 動電力機車（原形車）誕生。以AC4000命名的交流傳動機車的研制，標志著我 國電力機車進入交流傳動時代。1999年9月我國首臺交流傳動內燃機車“捷力型”調車內燃機車研制成功； 2000年6月由大連機車車輛廠和西門子公司合作研制生產的DF4DJ型交流傳動 內燃機車落成，該機車為客貨運兩用，它的研制成功標志著我國大功率內燃機車 跨入了將全面實現交流化的新時代。機車設計軸重為233%，計算整備重量為 1383%t,機車的最大速度為145km/h，持續速度為19.9km/h，持續牽引力為 444kN，輪周功率為2460kW，輪周制動功率為2850kW

5、。二、直流傳動介紹1、直流傳動概述直流傳動系統主要分為兩種：直-直傳動系統和交-直傳動系統。直-直傳動系統工作原理：直流斬波實現直流電壓調節。該系統主要在地鐵 機車、工礦機車等傳動系統中采用。交-直傳動系統工作原理：整流器實現AC-DC變換并調節電壓。該系統主要 在干線電力機車及內燃機車中采用。圖2-1直-直傳動系統圖2-2交-直傳動系統直流定壓 恒屯速度調節方法：由n = 土竺可得，有三種方法，調節電樞電壓，調節電樞 C中電流和調節勵磁電流。2、直流調速的理論分析調速系統的調速技術指標主要分為：靜態指標和動態指標。2.1靜差度S靜差度S表示出生產機械運行時轉速穩定的程度。根據S =約二=里，

6、當負載變化時，生產機械轉速的變化要能維持在一 n0n0定范圍之內，即要求靜差度S小于一定數值圖2-3調速曲線電動機的機械特性愈硬，則靜差度愈小，轉速的相對穩定性就愈高；在一個 調速系統中，如果在最低轉速運行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉速時必能 滿足要求2.2調速范圍D在額定負載下，允許的最高轉速和在保證生產機械對轉速變化率要求的前提 下所能達到的最低轉速之比稱為調速范圍。2.3動態技術指標從一種穩定速度變化到另一種穩定速度運轉所經過的一段過渡過程，稱為動 態過程。3、負載特性與調速方式(a)恒轉矩型(b)恒功率型圖2-4負載類型負載為恒轉矩型的生產機械應盡可能選用恒轉矩性質的調速方式，且電

7、動機 的額定轉矩T應等于或略大于負載轉矩TL；負載為恒功率型的生產機械應盡可 能選用恒功率性質的調速方式，且電動機的額定功率PN應等于或略大于生產機 械的靜負載功率PL。4、直流傳動機車控制系統執行對象被調量放大 調節環節給定蘇節圖2-5閉環控制系統圖2-6交直電力機車主電路三、交流傳動介紹1、交流傳動概述交流傳動系統主要分為三種：直-交傳動系統、交-交傳動系統和交-直-交傳 動系統。直-交傳動系統工作原理：逆變器實現DC-AC變換并調節電壓。該系統主要 在干線電力機車及內燃機車中采用。交-交傳動系統工作原理：變流器將頻率電壓恒定的三相交流電變換成頻率 電壓可調的三相交流電。該系統主要應用在低

8、頻交流傳動系統中如軋鋼等。交-直-交傳動系統工作原理：將頻率電壓恒定的三相交流電變換成直流電， 再將直流電變換成頻率電壓可調的三相交流電。該系統廣泛用于交通、工業、能源等領域。圖3-1直-交傳動系統圖3-2交-交傳動系統直頻率電壓可謂的三相圖3-3交-直-交傳動系統交流傳動系統調速方法主要有三種:變頻調速5 = % （1 一變極調速I改變轉差率調速變極調速：有級的；變轉差調速：不能改變電動機的同步速度，調速范圍有限，損耗大，效率低；變頻調速：效率高，調速范圍廣，調節精度高，目前應用最廣泛，最有市場 前景。在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁 通量為額定值不變。如果磁

9、通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如 果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組 過熱而損壞電機。因此，在調頻調速時，需要同時改變加在電機上的電壓（VF + VV）。異步電機的變壓變頻調速系統一般簡稱為變頻調速系統。由于在調速 時轉差功率不隨轉速而變化，調速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高， 在采取一定的技術措施后能實現高動態性能，可與直流調速系統媲美，因此現在 應用面很廣。2、交流傳動的技術特點人們很早地認識到交流傳動的優越性。交流傳動技術是一門綜合技術，但其 本質的特點是牽引電動機采用了交流異步電動機，其一系列的優點都是由此而表 現出來的。交流傳

10、動機車所以成為現代機車發展的方向，正是由異步電動機的特 點和優點所決定的。和傳統的串激直流電動機驅動系統相比，交流異步電動機驅 動系統的優越之處表現在機械、絕緣、耐熱、耐潮、粘著、維修、效率、重量尺 寸等諸多方面。2.1構造簡單異步電動機是所有電機中結構最簡單的電動機，除軸承外，沒有其他機械接 觸部分。串激直流電動機則不然，結構復雜。定子、轉子都有絕緣要求很高的繞 組，有換向器裝置和電刷機構，磨擦部分多，接線復雜，機械轉速受換向條件和 機械強度的限制，只能達到 2500r/min左右。而交流異步電動機轉速可達 4000r/min以上，試驗轉速甚至可達6000r/min，這是直流電機所忘塵莫急的

11、。2.2粘著性能好異步電動機有很硬的機械特性，所以當某電機發生空轉時，隨著轉速的升高， 轉矩很快降低，具有很強的恢復粘著的能力。空轉發生時，轉速上升值不大，即 使是同步轉速，與原工作點的轉速差不會超出5%以上。串激電動機則不然，轉 矩變化一點，轉速就有很大的變化。異步電動機的工作點可以很方便地進行平滑調節，以實現最大可能的粘著利 用，不會出現粘著中斷情況。根據檢測有關粘著控制的信號，準確、迅速地改變 逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點，使驅動系統既不能發生空轉，又能 充分發揮最大的牽引力。可實現各軸單獨控制。當某臺電機發生空轉時，可調節該臺電機，這樣能充 分利用機車的粘著性能。在交一直傳動

12、系統中，某軸空轉時，需要使所有各軸電 機卸載，這樣就大大降低了機車的牽引能力。2.3功率大，牽引力大這個概念是指在其它條件大致相同的前提下，在機車結構所提供的空間條 件下，可以裝更大功率的異步電動機。如加拿大改造的CP4744號機車，在給定 的設計空間條件下，直流電動機的功率大約被限制在600700kW/軸。裝用BBC6FRA40B異步牽引電動機，其功率可達1492kW/軸以上。正因如此，才可使機 車的牽引功率大大提高。牽引功率大導致牽引力大，而又由于粘著性能好，大的 牽引力能充分發揮其牽引能力。我們可以比較一下 ND5型交直流傳動機車和 SD60MAC交流傳動機車的牽引力情況：ND5機車的柴

13、油機的標定功率為2940kW， 起動牽引力為533.6kN，持續速度為22.2km/h時的持續牽引力為359.8kN； SD60MAC機車的柴油機的標定功率為2835kW，起動牽引力為781kN，持續速度為 20.5km/h時的持續牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動牽引力和持續牽 引力都高出45%。目前，從國外統計資料來看，不同類型電機其單位重量功率可達到的比值為: 直流電動機為0.33kW/kg，同步電動機為0.5kW/kg，異步電動機為0.68kW/kg。 隨著科技的發展，異步電動機的單位重量功率將越來越高。如日本新干線300 系列原型試驗車，所采用的交流異步牽引電動機其功率達到

14、300kW，而其重量不 足400kg，單位重量功率可達0.75kW/kg。這一經濟技術指標，對世界各國正在 大力發展的重載和高速機車尤為有利。2.4可靠性高，維修簡便交流異步電動機無換向器、無電刷裝置；除軸承外無磨擦部件，密封性好， 防潮、防塵、防雪性能好；全部電氣部件均是絕緣的，且所用絕緣材料均為H 級或F級，絕緣性能好，耐熱性能好。因此故障率低，可靠性高。控制裝置是模 塊結構，故障率也很低，驅動系統的全部運行過程和控制過程均由無觸點電子元 件完成，所以不存在傳統系統中經常發生的觸點磨損、粘連、接觸不良、機械卡 滯等問題。CP4744型機車的運用實踐表明：只發生過極少的故障，而這些故障 無一

15、件與逆變器或牽引電動機一類的主要硬件有關。MaK公司制造的交流牽引電 動機連續工作7年沒有發生過一件燒損事故。據美國伯靈頓北方鐵路介紹，該公 司直流電動機的大修期一般在4萬公里至48萬公里之間，而交流牽引電動機的 大修期可高達120160萬公里。另外交流傳動機車有完備的微機監視系統和故障 診斷系統，可隨時監視系統的技術狀態，進行故障診斷。綜上所述，可知交流傳 動系統的可靠性是很高的，維修量很小，且檢修簡便，維修費用大大降低。加拿 大CP4744型交流傳動機車的應用實踐表明：不僅延長了計劃修間隔，而且減少 了計劃外修理次數，每臺機車每年可減少計劃外修6次。2.5效率高，利用率高、使用靈活性強交流

16、傳動系統的總效率約為0.90，而交直流傳動系統的總效率約為0.86。 E120交流傳動機車在長期應用對比中發現，客運作業時可節能36%，貨運作業 時可節能810%。由可靠性、耐久性和易于維修的結合，使交流傳動機車的利用 率顯著提高。與直流傳動機車相比，BBC交流傳動機車的利用率提高了 10%。對 鐵路運營管理來說，在計算所需數量時，機車利用率起著重要作用，對所需投資 有決定性的影響。交流傳動機車有很強的使用靈活性，它既可滿足貨運的大的起 動牽引力的要求，又可滿足客運高速度的要求。2.6動力性能好、制動性能好異步電動機結構緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，有 較高的曲線通過能力，

17、對軌面的沖擊力小。可在廣闊的速度范圍內實行電制動， 甚至可以制動到零，制動功率大。一部分電制動的能量可用于其它輔助設備。3、主要應用領域 一般性能的節能調速和按工藝要求調速；高性能的交流調速系統和伺服系統；特大容量、極高轉速的交流調速。四、交流傳動系統的控制技術交流調速傳動系統中的電力變換器，無論是電源側的變流器還是電機側的變 流器都是開關電路，電路中開關元件的周期性通斷，破壞了交流電壓、電流的連 續性和正弦性。從而產生的電壓電流中高次諧波會嚴重危害交流電網和惡化電機 運行性能。目前消除諧波含量的有效方法電力變換器采用脈寬調制(PWM)技術。 該技術可以提高諧波的頻率，從而減小濾波的難度，高效

18、濾波，減小濾波裝置的 體積和重量。1、調速系統的分類1.1轉差功率消耗型調速系統這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中，在三類異步電動 機調速系統中，這類系統的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉 差功率的消耗來換取轉速降低的(恒轉矩負載時)。可是，相對來說這類系統的結 構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。1.2轉差功率饋送型調速系統在這類系統中，除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置饋出 或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多。無論是饋出還是饋入的轉差功率，扣除 變流裝置本身的損耗后，最終都轉化成有用的功率，因此這類系統的效率較高， 但要增加一些設備。1

19、.3轉差功率不變型調速系統在這類系統中，轉差功率只有轉子銅損，而且無論轉速高低，轉差功率基本 不變，因此效率更高。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變 頻調速應用最廣，可以構成高動態性能的交流調速系統，取代直流調速，但在定 子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。2、控制系統電路圖4-1交流控制系統電路圖4-2交流傳動機車主電路五、兩種傳動系統的優劣比較1、概述從電機結構上比較：直流電機結構復雜，故障率和維修成本高；交流電機結 構簡單、牢固，故障率低。直流電機所固有的換向器使直流電機不能承受很 高的旋轉速度，使直流電機不能做到小型化、輕量化。另外，交流

20、電機同功 率下有較小的體積和重量。直流電機容量有限，不能滿足大功率場合的功率要求。而交流電機的功率可 以做的很大。交流電機陡峭的機械特性，使列車具有黏著自恢復特性；而直流電機的機械 特性較平緩。交-直傳動系統的功率因數只有0.70.8,做再生電制動時功率因數更低。而 交流傳動系統因為采用四象限脈沖整流器，功率因數接近1。交-直傳動系統的恒功系數只能達到1.6,而交流傳動系統的恒功系數能達到 2.5。直流傳動容易控制轉速，可實現無級調速，可用于精細的控制；但是功率不 宜過大，且使用直流電源，獲取不方便。交流傳動使用交流電源，很方便獲取，但是要控制轉速，控制系統較復雜， 需要比較先進的電力電子技術

21、和較好的控制方式，控制成本較高。在沒有出 現電力電子技術之前，只能實現有級調速，應用不廣泛。交-直流傳動系統采用的相控整流功率因數低，產生的電壓電流中高次諧波 會嚴重危害交流電網和惡化電機運行性能。而交流傳動系統目前廣泛采用脈 寬調制（PWM）技術，使得功率因數接近1，不會對電網造成諧波污染，優化了 電機運行性能。2、交流傳動與直流傳動的比較2.1機車工作原理的比較直流傳動電力機車包括直直型電力機車和交直型整流器電力機車。直直型電力機車是由直流電源供電，直流串勵牽引電機驅動，通過串并聯切 換加凸輪變阻或晶閘管斬波器調阻（調壓）方式進行調速和控制的機車。一般工礦用4軸電力機車串并聯切換加凸輪變阻

22、的電傳動裝置的工作過程 為:機車由受電弓從接觸網取得直流電，經斷路器QF，啟動電阻R，向4臺直流 牽引電動機M1-M4供電，牽引電流經鋼軌流回變電所。隨著4臺牽引電動機接通 電源即行旋轉，電能轉變為機械能，分別通過各自的齒輪傳動裝置，驅動機車動 輪實現牽引運行。交直型整流器電力機車的能量傳遞是將接觸網供給的單相工頻交流電，經機 車內部的牽引變壓器降壓，再經整流裝置將交流轉換為直流，然后向直流（脈流） 牽引電動機供電，從而產生牽引力牽引列車運行。交（直）交型電力機車是指由各種變流器供電的交流異步或同步電動機作為 傳動電機的電力機車或電動車組。根據變流器是否帶中間回路，分為交直交變流器和交交變流器

23、兩類。根據中 間回路選擇元件的不同，又分為電壓型系統、電流型系統兩種基本結構。因此電 力牽引領域的交流傳動機車基本上有兩類：電流型變流器供電的同步或籠型異步 電動機機車和電壓型變流器供電的籠型異步電動機機車。電壓型變流器供電的籠型異步電動機系統原理。來自接觸網的單相交流電經 受電弓引入機車變壓器，在牽引變壓器中變換成所需的合適電壓后送人電源側變 流器，將單相交流電轉換為直流電，提供給中間回路經平滑功率脈動，送入電動 機側的變流器，將直流電逆變為電壓和頻率可調的三相交流電供給三相異步牽引 電動機，實現牽引運行。在這個系統中，機車先將電網的交流能量轉換為直流能 量，然后進一步轉換成電壓和頻率可調的

24、交流能量。由于電壓型變流器供電的籠型異步電動機機車的轉矩脈動以及對電網的反 作用小，適合于較大功率的機車，因此干線交流傳動電力機車絕大部分都采用這 種系統。直流傳動機車，無論是直直型還是交直型，共同點是采用直（脈）流牽引電 動機，都可通過控制勵磁電流使牽引電機具有所要求的軟特性和良好的防空轉性 能，脈流牽引電動機雖然在結構上與直流電機有所不同，但其工作原理基本上與 直流電機相同，直流電動機結構上的缺點是存在電刷和換向器，無法改變電機存 在的火花和環火的致命缺陷，從而限制了直流電動機的功率和容量，不能很好地 滿足鐵路高速重載的發展要求，繼而限制了直流傳動機車的發展，因此在機車上 采用無整流子的交

25、流電動機成為趨勢。3型機車和SS4改機車主電路特點比較（1）主傳動形式SS4改機車采用傳統的交-直傳動形式和串勵式脈流牽引電動機，具有較成 熟的經驗，控制系統較簡單。HXD3型機車采用交-直-交傳動形式和三相交流異步牽引電機，交流牽引電 機沒有直流電機的換向器，避免了環火問題，維修工作量小，使用壽命長。同樣 的體積下，交流牽引電機的重量輕，功率更大。牽引電動機供電方式SS4改機車采用轉向架獨立供電方式，每臺轉向架負載兩臺并聯牽引電動 機，由一組整流器供電。當一組整流器損壞時，能保留3/4牽引力。HXD3型機車電源側采用四象限整流器，電機側采用變壓變頻式逆變器向三 相交流異步牽引電機供電。每臺牽

26、引電機由各自的逆變器供電，即軸控方式。由 于整車采用軸控方式，當整臺機車的6個軸的輪徑差、軸重轉移及空轉等可能引 起的負載分配不均勻時，均可以通過牽引變流器的控制進行適當的補償，以實現 最大限度地發揮機車牽引力。整流調壓電路SS4改機車采用三段不等分順控橋控制，平滑調節整流電壓，這樣可以使機 車功率平滑變化，機車功率因數較高，諧波電流降低。其采用單相半控橋式全波 整流電路。為改善牽引電機換向性能，在機車主電路中設有平波電抗器，在牽引 電動機勵磁繞組兩端并聯了固定分路電阻。為提高機車功率因數和改善通訊干 擾，機車增設了 PFC裝置。HXD3型機車采用四象限脈沖整流電路，將單相交流電壓轉換成穩定的

27、750 V 直流電壓。四象限脈沖整流電路是將升壓斬波與整流電路結合起來，使輸人電流 近似正弦波并與網壓同相。其特點是屬于升壓整流方式，要求輸入電壓低于輸出 電壓，其輸入側功率因數較高，接近于1。采用IGBT作為其功率器件后，調制 頻率提高，因而控制響應速度加快，當其輸入端或輸出端發生變化時，控制系統 能很快作出響應，快速調節使輸出保持穩定。四象限整流器是一個脈寬調制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬 度和相位控制，控制中間直流電壓的幅值和流入牽引整流器的交流電流波形和相 位，使交流電流的波形盡量接近正弦外，同時使得交流側的基波電流的相位差接 近于0，這樣既限制了諧波電流分量，又提高了機車功

28、率因數。與相控整流器比 較，四象限整流器有很高的功率因數，諧波電流含量也小得多。電制動方式SS4改機車采用加饋電阻制動，電制動功率為5300kW。每節車四臺牽引電 機主極繞組串聯，由一臺勵磁半控橋式整流器供電。每臺轉向架上的兩臺牽引電 機電樞與各自的制動電阻串聯后，并聯在一起，并與主整流器串聯。HXD3型機車采用再生制動，可將動能部分轉換成電能并回送到接觸網上， 節能環保，其電制動功率為7200kW（65km/h或70km/h120km/h）（25t/23t軸重）。（5）調速方式SS4改機車采用削弱勵磁電流的電阻分路法，三級磁場削弱。HXD3型機車采用改變異步電動機供電電源的頻率即所謂的變頻調

29、速，節能 運行。隨著電力電子技術的發展，大功率半導體器件的開發應用，近代交直交型 電力機車已很好地解決了變頻的問題，使得交流傳動機車的調速具有平滑無級的 特性。HXD3型機車采用由電壓型四象限脈沖變流器和三相逆變器組成的牽引變 流器進行調速，使得功率因數接近于1。3型機車和SS4改機車變流裝置比較變流裝置用于直流和交流之間電能的轉換，并對各種牽引電機起控制和調節 作用，從而控制機車的運行。SS4改型機車，靠變流器把來自接觸網的電能變換為適合于牽引電動機運行 的形式，其任務是整流，將已經降低幅值的交流電壓變換為直流電壓。所以此處 的變流器實質上是整流器，而且主要用自然換相的可控整流器。該機車采用單相 半控橋式全波整流電路。HXD3型機車，每臺機車裝有兩臺變流裝置，每臺變流裝置內含有三組牽引 變流器和一組輔助變流器，使其結構緊湊，便于設備安裝。為了提高裝置的小型化及冷卻性能，牽引變流器采用強制循環水冷方式。這 種方式具有冷卻效果好、無污染、重量輕、結構上維修方便等特點，是國際上流 行的冷卻方式。冷卻液采用亞乙基二醇純水溶液，確保在一40C時不凍結。另外，牽引變流器的冷卻液和主變壓器（Mtr ）的冷卻油經過復合冷卻器循 環，依