交直交机车课件(郑全生)

1、第一节概述第一节概述（一）电力牵引的特点 电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面：1、电力机车的功率大 内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。 第一节概述 （一）电力牵引的特点2、电力机车的效率高 由于电力牵引所需的电能是由

2、发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。3、电力机车的过载能力强 机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。 第一节概述 （一）电力牵引的特点4、电力机车的运营费用较低（1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑；（2）整备

3、距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率；（3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。此外，由于电力机车运行过程中不污染环境，对于大型铁路枢纽站及隧道长而多的线路而言，其意义重大。 第一节概述 （一）电力牵引的特点缺点：（1）对通讯方面所带来的谐波干扰问题；（2）相控调压所引起的功率因数较低的问题；（3）离不开牵引变电所和接触网等沿线的供电设备，使其机动性较差，且线路电气化投资较大。一般在客货运输特别繁忙的主要铁干线，线路坡道陡、隧道多又长的山区铁路干线，大运量的集中运煤专线，适宜采用电力牵引。受电弓牵引电机牵引电机牵引传动调速系统接触网I

4、(电流)I（二）电力机车的传动方式 第一节概述 轨道交通车辆电力传动方式按接触网和牵引电动机所采用的电流制进行分类，分为： （1）直-直流传动；（2）交-直流传动；（3）直-交流传动；（4）交-直-交流传动。 第一节概述 （1）直-直流传动 由直流接触网供电，机车采用直流牵引电机。直流电经直流变换器（DC-DC）向直（脉）流牵引电机供电。DC-DC直流接触网受电弓直流牵引电机 第一节概述 （2）交-直流传动 由交流接触网供电，机车采用直流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电，向直（脉）流牵引电机供电。交流接触网整流器直流牵引电机牵引变压器 第一概述 （3）直-交流传动 由直流接触网供电，机车采

5、用交流牵引电机。直流电经晶闸管或其他新型电力电子器件构成的逆变器将直流电转换为可调压、变频的三相交流电，再向交流牵引电机供电。逆变器直流接触网交流牵引电机3 第一节概述 （4）交-直-交流传动 由交流接触网供电，车辆采用交流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电（中间直流环节），再经逆变器将直流电转换为可调压、变频的三相交流电，向交流牵引电机供电。3交流接触网逆变器整流器交流牵引电机牵引变压器第二节 电力牵引供电系统第二节 电力牵引供电系统（一）牵引供电系统的组成 由发电厂发出的电能经过变压器升压后，由输电线L送往区域变电所A，进行电能的再分配。牵引供电系统的电能一般由区域变电所供给或由发电厂直

6、接供给。为了保证供电的可靠性，要求由两个独立电源供电或一个电源两个回路供电。图中B为地方变电所。 牵引供电系统包括牵引变电所C和牵引网两大部分，牵引网又包括馈电线D、接触网E、轨道回路F、回流线G等部份。电力机车或电动车组则是牵引供电系统的负荷。第二节 电力牵引供电系统（一）牵引供电系统的组成第二节 电力牵引供电系统（一）牵引供电系统的组成 当前世界各国电力牵引使用的主要制式有直流制、低频单相交流制和工频单相交流制。 工频单向交流制由于采用了工业频率，无须专用设备，因而系统结构可以大为简化；又由于采用交流电，电压水平可以大幅度提高，从而可以减小导线面积，减少电压损失，使接触网结构简化，供电距离

7、延长，减少变电所的数量，节省投资，因此这种制式具有更大的发展前景。 我国干线电气化区段采用的是工频单相25千伏的制式。第二节 电力牵引供电系统（二）牵引变电所 电力牵引系统（即电气化铁路）是由电力机车和牵引供电装置两大部分组成。牵引变电所将三相高压交流电（一般为110千伏）变换成单相交流电接触网受电弓电力机车中牵引变压器的一次侧线圈钢轨回流线牵引变电所。发电厂高压输电线110kV区域变电所牵引变电所馈电线接触网25kV回流线分相绝缘器接地电力牵引系统组成钢轨电力机车第三节电力牵引交-直流传动第三节电力牵引交-直流传动 电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为主电路、控制电路与辅助电路三大部分。

8、 起动、调速及制动是列车运行的基本规律，它们是通过机车主电路、控制电路和辅助电路共同作用实现的。 为了充分发挥机车的功率，就要求机车不仅能在不同的线路和载荷条件下改变牵引力，而且还要求在相同的牵引力下得到不同的速度。可见，机车主电路必须保证牵引电动机的转矩和转速都可作独立的调节，而且要有宽广的调节范围。第三节电力牵引交-直流传动 一、牵引电动机及励磁方式 交-直电力机车采用脉流牵引电动机，多数采用串励方式。但是串励电机防空转性能较差，因此在有些电力机车上采用他励或复励方式，例如6K机车采用复励方式。 牵引电机励磁方式不同，将会引起主电路的变化。交-直电力机车的牵引电动机多数采用串励方式，牵引电

9、机的正反转一般是通过改变牵引电机励磁极性来实现的。 对于采用复励电机（如6K机车），牵引电机的正反转是通过改变牵引电机电枢极性求实现的。第三节电力牵引交-直流传动 二、调速方式 不同的调速方案对机车的性能、功率因数和谐波干扰都有很大的影响。调速方案的基本要求：不中断主电路的供电，并且尽可能地使牵引力变化平滑，冲击力小，要有尽可能多的速度运行级，均匀地分布在机车的工作速度范围内，平滑无级调速是较理想的调速方式。 在电力机车上利用晶闸管进行平滑无级调速，不但可使机车功率平滑地变化，而且晶闸管具有反应速度快的优点。当机车动轴发生空转时，晶闸管调节系统可以迅速作出反应，调节电机负载电流，使牵引电动机空

10、转不至于发展。第三节电力牵引交-直流传动 磁场削弱调速： 通过直流或脉流牵引电动机的磁场削弱可进一步提高机车速度，可以在机车高速时更好地发挥牵引电动机的功率，而并不需要增加牵引电动机的额定容量。增加一些削磁用的控制设备，要比为提高机车速度而增加牵引变压器和牵引电机的容量经济得多。 由于晶闸管的应用，有些机车采用他励或复励牵引电动机，它具有较好的防空转性能，并可实现平滑无级的磁场削弱。第三节电力牵引交-直流传动 三、电气制动方式 电阻制动通常将所有电动机串励绕组串联起来接成他励，由牵引变压器供电。 再生制动将电能反馈给电网，可供运行于同一区段的电力机车使用，经济效益较大，同时可以取消制动电阻及其

11、转换开关，使机车主电路得到简化。 但是采用再生制动的机车必须采用全控整流线路，控制线路较为复杂。此外再生制动时，机车功率因数很低，电网电压和电流波动较大，对通讯和运行于同一区段的其它整流器电力机车工作有较大的干扰作用。第三节电力牵引交-直流传动 四、辅助电路 除机车主电路以外，机车辅助电路是保证机车正常运行不可缺少的部分： 主电路中的各种大功率电器设备的通风冷却和各种气动机械装置的压缩机风源，都要用三相异步电动机来驱动。为了将车上的单相电源转换成三相，在机车辅助电路内设有旋转式的异步劈相机或静止式三相逆变装置。第三节电力牵引交-直流传动 五、相控整流电路 整流电路是一种将交流电压变换成直流电压

12、的电路。整流电路按组成的器件来分有三类：不可控、全控和半控。 不可控整流电路完全由不可控元件二极管组成，其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的； 全控整流电路所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO、IGBT等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况来调节； 半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，其输出直流电压的平均值可以调节，但电压极性不能改变。第三节电力牵引交-直流传动 1、可控整流电路的一般结构 可控整流电路是一种应用广泛的电能变换电路，它主要依据晶闸管等可控器件的两种特性： （1）单相导电性：使电路输出不再具有交变的性质； （2）可控性：使电路的输出

13、功率可依从给定信号变化。交流电源整流主电路滤波器负载控制电路第三节电力牵引交-直流传动 2、单相桥式全控整流电路第三节电力牵引交-直流传动 基本概念 （1）控制角a：从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通的角度。控制角a又称触发延迟角或触发滞后角。 （2）导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。如图（b）中，=a。 （3）移相控制：改变控制角a的大小，即改变触发脉冲出现的相位，称为移相。由于通过移相可以控制输出整流电压的大小，所以把通过改变控制角a调节输出电压的控制方式，称为移相控制。 （4）移相范围：控制角a的允许调节范围。当a从0到最大角度amax变化时，相应地，整流输出电压完成最

14、大到最小的变化。 （5）同步：要使整流输出电压稳定，要求触发脉冲信号和晶闸管阳极电压（即电源电压）在频率和相位上要协调配合，称为同步。第三节电力牵引交-直流传动 （1）工作原理及波形分析 晶闸管T1和T4组成一对桥臂。当变压器副边电压为正半周时，T1和T4串联承受正向电压u2，如在控制角为a的瞬间给T1和T4送出触发脉冲，T1和T4即导通，这时电流从电源a端经T1、R、T4流回电源b端。这期间T2和T3均承受反向电压而截止。当电源电压过零，电流也降到零，T1和T4即关断。 在电源电压的负半周期，仍在控制角为a时触发晶闸管T2和T3，则T2和T3导通。电流从电源b端经T2、R、T3流回电源a端。

15、至电压过零，电流降至零，T2和T3关断。 在负半周，T1和T4均承受反向电压而截止。以后又是T1和T4导通，如此不断循环工作。第三节电力牵引交-直流传动 3、电感性负载单相桥式半控整流电路图9-2 单相半控桥大电感负载接续流管电压电流波形（a）单相桥式半控电路；（b）电压电流波形。第三节电力牵引交-直流传动 基本概念（1）控制角a：从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通的角度。控制角a又称触发延迟角或触发滞后角。（2）导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。如图（b）中，=a。（3）移相控制：改变控制角a的大小，即改变触发脉冲出现的相位，称为移相。由于通过移相可以控制输出整流电压的大小

16、，所以把通过改变控制角a调节输出电压的控制方式，称为移相控制。（4）移相范围：控制角a的允许调节范围。当a从0到最大角度amax变化时，相应地，整流输出电压完成最大到最小的变化。（5）同步：要使整流输出电压稳定，要求触发脉冲信号和晶闸管阳极电压（即电源电压）在频率和相位上要协调配合，称为同步。第三节电力牵引交-直流传动 （2）基本电量计算（a）整流输出电压的平均值计算当a=0 ，晶闸管全导通，此时输出电压为最大值Ud0为：Ud009U2当a=180时，Ud00，故移相范围为0180。（b）在负载上，输出电流的平均值Id为交直交传动电力机车第四节电力牵引交-直-交传动 u交流传动机车发展综述u交

17、流传动机车主电路的组成u交流传动机车的技术分类u交流传动机车牵引特性u典型交流传动机车主电路工作原理u交流传动机车新技术及其发展方向一、交流传动机车发展综述一、交流传动机车发展综述第四节电力牵引交-直-交传动 运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。第四节电力牵引交-直-交传动 运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。一、交流传动机车发展综述一、交流传动机车发展综述

18、第四节电力牵引交-直-交传动 运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。一、交流传动机车发展综述一、交流传动机车发展综述第四节电力牵引交-直-交传动 运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低

19、越好。一、交流传动机车发展综述一、交流传动机车发展综述第四节电力牵引交-直-交传动 运输的需求各种限制交流传动机车发展交流电机的特点科学技术的发展满足运输的需求充分利用新技术利用新材料采用新工艺单位体积重量的功率大、可靠性好、易维护等地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平的限制等安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好。电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等一、交流传动机车发展综述一、交流传动机车发展综述二、交直与交流传动机车主电路比较二、交直与交流传动机车主电路比较第四节电力牵引交-直-交传动 逆变器变速箱整流器牵引变压器1085kW25000V变速

20、箱直流电机整流器牵引变压器25000V滤波电抗器励磁绕组交直传动机车主电路交直传动机车主电路交流传动机车主电路交流传动机车主电路异步电机第四节电力牵引交-直-交传动 三、交流传动机车的技术分类三、交流传动机车的技术分类核心层技术核心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术第四节电力牵引交-直-交传动 核心层技术核心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术三、交流传动机车的技

21、术分类三、交流传动机车的技术分类第四节电力牵引交-直-交传动 三、交流传动机车的技术分类三、交流传动机车的技术分类核心层技术核心层技术辅助层技术辅助层技术相关层技术相关层技术牵引变频器技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术、变频控制及其网络技术冷却与通风技术、辅助变流器技术控制电源技术、保护技术、电磁兼容与布线技术司机台操纵技术、车体轻量化技术转向架技术、空气制动技术高压测检测技术第四节电力牵引交-直-交传动 四、机车牵引特性四、机车牵引特性机车牵引特性要求：机车牵引特性要求：1、能产生足够大的牵引力2、能方便广泛调节速度3、有较高的过载能力4、充分发挥机车功率5、先进的经济技术指标第四节电力牵引交-直-交传动 交流电机（异步）的矩速特性交流电机（异步）的矩速特性 221cos)1 (60ICMspfnmM第四节电力牵引交-直-交传动 五、 HXD3C 型电力机车uHXD3C 型是在 HXD3 型和 HXD3B 型电力机车基础上研制的交流传动六轴 7200kW 干线货运电力机车，该机车通过更换增加供电绕组的主变压器，增加列车供电柜、供电插座、客货转换开关、双管供风装置等，使机车具有