鐵道機車專業教學資源庫——2-2交流傳動電力機車（交-直-交）的工作原理學校名稱：武漢鐵路職業技術學院主講：張哲交流傳動電力機車（交-直-交）的工作原理人所共知，機車發展按其動力來分，最早出現的是蒸汽機車，以后由蒸汽機車發展到內燃機車和電力機車。在電傳動內燃機車和電力機車中，開始是直-直傳動，而后是交-直傳動，20世紀70年代以后又出現了交-直-交傳動，即所謂的交流傳動。這種傳動型式被認為是現代機車的標志，日益風靡世界。這樣的發展道路是由客觀規律所決定的，是歷史發展的必然，是機車由低級向高級逐漸演變的必然結果。每種機車的出現和存在都是與當時的技術發展相適應的。比如隨著大功率硅整流技術的出現，直-直傳動很必然地被更優越的交-直傳動所取代。同樣，隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關斷晶閘管（GTO）以及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等的出現和微機控制技術等的發展，交-直傳動很自然地被交-直-交傳動所取代。01/

任務一

交流傳動技術的特點和優點02/

任務二

HXD3型電力機車工作原理目錄content交流傳動技術的特點和優點任務一交流傳動技術的特點和優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。交流傳動機車之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、黏著、維修、效率、重量尺寸等諸多方面。交流傳動技術的特點和優點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，摩擦部分多，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6OOOr/min，這是直流電機所望塵莫及的。1.構造簡單交流傳動技術的特點和優點①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，具有很強的恢復黏著的能力。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。②異步電動機的工作點可以很方便地進行平滑調節，以實現最大可能的黏著利用，不會出現黏著中斷情況。根據檢測有關黏著控制的信號，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。③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黏著性能。在交-直傳動系統中，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。由于上述特性和良好的控制功能，交-直流傳動系統的黏著系數可以利用得很高。1992年美國鐵路協會（AAR）在向四家機車制造廠提出的26臺交流傳動機車投標建議書中提出的黏著指標是：起動黏著系數0.45,全天候牽引黏著系數0.32（GE公司在交-直傳動機車上，采用“SENTRY”黏著控制裝置后，全天候黏著系數是0.25?0.30）。如此之高的黏著利用，正是針對交流傳動機車所具有的良好的黏著控制而提出的，這對于交-直傳動系統是不可想象的。德國四軸120型機車，可滿足以往六軸機車的全部要求。2.黏著性能好交流傳動技術的特點和優點這個概念是指在其他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600?700kW/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，而又由于黏著性能好，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，其所采用的交流異步牽引電動機的功率達到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。3.功率大，牽引力大交流傳動技術的特點和優點交流異步電動機無換向器、無電刷裝置；除軸承外無摩擦部件，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：交流傳動系統只發生過極少的故障，而這些故障無一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120?160萬公里。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，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：不僅延長了計劃內修理間隔，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理6次。4.可靠性高，維修簡便交流傳動技術的特點和優點交流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3%?6%，貨運作業時可節能8%?10%。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，它既可滿足貨運大起動牽引力的要求，又可滿足客運高速度的要求。5.效率高，利用率高、使用靈活性強交流傳動技術的特點和優點和諧型機車逐步成為中國鐵路運輸的主力軍和技術引進的成果。和諧型系列機車從2007年1月開始，陸續配屬中國鐵路各運用機務段。2007年平均每月投用28臺；2008年平均每月投用32臺；2009年平均每月投用92臺；2010年上半年平均每月投用104臺。目前，全路已有2642臺和諧機車上線運用，分布在14個鐵路局、29個機務段，其中，和諧型電力機車2223臺，內燃機車419臺，成為擔當主要干線貨運牽引的主力機型。在型譜化方面，HXD1型、HXD2型機車為八軸貨運交流傳動電力機車，軸式2(Bo-Bo),單軸功率1200kW,總功率為9600kW,最高速度120km/h,可單機牽引萬噸、雙機牽引2萬噸。HXD1B型、HXD2B型、HXD3B型機車為六軸貨運交流傳動電力機車，軸式Co-Co,單軸功率1600kW，總功率為9600kW，最高速度120km/h，可牽引5千到6千噸。HXD1C型、HXD3型機車為六軸貨運交流傳動電力機車，軸式Co-Co,單軸功率1200kW，總功率為7200kW，最高速度120km/h，可牽引4千到5千噸。7.中國電力機車跨越發展交流傳動技術的特點和優點HXD3型電力機車工作原理任務二HXD3型電力機車工作原理交直交型電力機車屬于交流傳動機車。由逆變器供電，機車和動車組采用交流異步電動機做牽引動力。根據變流器結構的不同，目前交（直）交型機車和動車組有電壓型、電流型兩種基本結構交流傳動電力機車工作原理如圖1所示。圖一HXD3型電力機車工作原理電壓型異步電動機電力機車工作原理如圖2所示，我們定義了4個環節，各環節的作用如下。①環節——整流電路基本作用是將交流電轉換為直流電。具體電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。②環節——直流環節濾波器基本作用是平滑A處的紋波（脈動），消除或減少諧波含量，改善機車的功率因數。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。③環節一逆變器用于將直流電轉換為三相交流電，同時為了機車調速的需要，它具有較寬的調頻范圍和調壓范圍，一般采用正弦波脈寬調制（PWM）技術。或采用電壓相量（VVCPWM）控制技術，降低電機損耗，減少網壓波動的影響。圖二工作原理HXD3型電力機車工作原理④環節——電抗器，有三大作用。降低電機、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機啟動過程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機電路時不損壞變頻器；通過三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護措施。機車在工作時，受電弓將網壓引入機車變壓器一次側繞組，經變壓器二次側繞組降壓后送人①環節，將交流電轉換為直流電，經②環節平滑A處脈動，送入③環節，將直流電逆變為電壓和頻率可調的三相交流電，經④環節平波電抗器，供給⑤環節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交流能量。圖二工作原理HXD3型電力機車工作原理①軸式為Co-Co,電傳動系統為交直交傳動，采用IGBT水冷變流機組，1250kW大轉矩異步牽引電動機，具有起動（持續）牽引力大、恒功率速度范圍寬、黏著性能好、功率因數高等特點。②輔助電氣系統采用2組輔助變流器.能分別提供VVVF和CVCF三相輔助電源，對輔助機組進行分類供電。③采用微機網絡控制系統，實現了邏輯控制、自診斷功能，而且實現了機車的網絡重聯功能。④總體設計采用高度集成化、模塊化的設計思路，電氣屏柜和各種輔助機組斜對稱布置在中間走廊的兩側。⑤轉向