电气化铁路与电力机车

1、电气化铁路与电力机车中国北车集团电力牵引研发中心 姜悦礼2006年1月电气化铁路概述 在铁路运输中，主要有三种牵引形式：蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引。 电气化铁路，是以电能作为牵引动力的一种现代化交通运输工具。 电气化铁路由电力机车和牵引供电系统组成。 电气化铁路牵引供电系统 牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引接触网两部分。 牵引变电所是电气化铁路供电系统的心脏。主要功能是变压和变相。 牵引接触网的作用是良好地不间断地向电力机车提供电能，由馈电线、接触网、轨道回路和回流线组成。电气化铁路的电流和电压制 直流制：750V、1500V、3000V三种，我国地下铁道采用750V，在工矿运输中采用1

2、500V。 低频单相交流制：15Hz、 162/3Hz、 25Hz。 工频单相交流制，优点是供电系统简单，牵引变电所可以方便地向地区负荷供电，可以大幅度提高接触网电压，增大变电所的距离，降低电气化铁路的投资。缺点是负荷分配不均匀，容易对沿线的弱电产生干扰，功率因数低。电气化铁路牵引接触网 馈电线是牵引变电所与接触网之间的连接线，它的功能是从牵引变电所向接触网供电。它由牵引变电所的母线上引出，在分相装置的两侧连接在接触网上。 利用走行钢轨作为牵引电流的回路。 回流线是钢轨回路与牵引变电所之间的连接线，它的作用是将轨道回路内的牵引电流吸回牵引变电所。回流线由架空线引到铁路线附近，然后改用地下电缆连

3、接到轨道回路。电气化铁路对电力机车的供电电气化铁路牵引供电方式 直接供电方式（TR供电方式） 吸流变压器供电方式（BT供电方式） 带回流线的直接供电方式 自耦变压器供电方式（AT供电方式） 同轴电缆供电方式（CC供电方式）电气化铁路牵引供电方式 直接供电方式（TR供电方式） 是在牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式。电气化铁路最早大都采用这种供电方式，它一根馈线接在接触网（Touch）上，另一根馈线接在钢轨（Rail）上： 电气化铁路牵引供电方式 直接供电方式（TR供电方式） 优点：这种供电方式最简单，投资最省，牵引网阻抗较小，能耗也较低。 缺点：由于电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得电

4、流，经钢轨流回牵引变电所。由于钢轨与大地是不绝缘的，一部分回流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生感应影响。 应用：一般用在铁路沿线无架空通信线路或通信线路已改用地下屏蔽电缆的区段。 电气化铁路牵引供电方式 吸流变压器供电方式（BT供电方式） 是在牵引网中架设有吸流变压器回流线装置的一种供电方式。吸流变压器的变比为1：1，它的一次绕组串接在接触网（T）中，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线（NF）中： 电气化铁路牵引供电方式 吸流变压器供电方式（BT供电方式） 优点：由于接触网与回流线中流过的电流大致相等，方向相反，因而对邻近的通信线路的电磁感应绝大部分被抵消，因此降低了对通

5、信线路的干扰。 缺点：这种供电方式由于在牵引网中串联了吸流变压器，牵引网的阻抗比直接供电方式约大50%，能耗也较大。供电距离较短，投资也比直接供电方式大。 应用：在我国电气化铁路上采用较广。 电气化铁路牵引供电方式 带回流线的直接供电方式 在接触网支柱上仅架有一条与钢轨并联的回流线，这种供电方式取消了吸流变压器，保留了回流线。利用接触网与回流线间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由回流线流回牵引变电所。 电气化铁路牵引供电方式 自耦变压器供电方式（AT供电方式） 每隔10公里左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相接。自耦变压器将接触网的供电电压提高一倍，而供给电力机车

6、的电压仍为25千伏。 电气化铁路牵引供电方式 自耦变压器供电方式（AT供电方式） 优点：因此电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长。对邻近的通信线路干扰很小，其防干扰效果与BT供电方式相当。 缺点：牵引变电所和牵引网比较复杂。 应用：一般用在重载、高速等负荷大的电气化铁路上。 电气化铁路牵引供电方式 同轴电缆供电方式（CC供电方式） 它的同轴电缆沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接。每隔510公里作一个分段。 电气化铁路牵引接触网的供电 单边供电 上下行并联供电 双边供电 电气化铁路牵引接触网的供电 单边供电电气化铁路牵引接触网的供电 上下行并联

7、供电电气化铁路牵引接触网的供电 双边供电电气化铁路牵引接触网的分段 根据工作需要，要求接触网停电进行作业的分段 货物装卸线 机车检查坑上方 某些专用线 牵引变电所、开闭所、分区所以及供电臂的末端 根据检修需要的分段电气化铁路牵引接触网的分段原则 电分段，当分段处两侧由同一电源供电时，电压为同相，且电压差不大时，采用电分段。当机车通过电分段时，可以带电通过。 电分相，当分段处两侧由不同的电源供电时，电压不同相，或电压尽管同相但电压差较大，采用电分相。当机车通过电分相段时，机车必须断电通过。电力机车的发展史 中国电力机车的研制开始于1958年。当时的铁道部田心机车车辆工厂，也就是现在的株洲电力机车

8、工厂在协助湘潭电机厂制造工矿电力机车的同时，设计并试制铁路干线电力机车。1958年12月28日，中国第一台干线铁路电力机车试制成功，命名为6Y1型。 1968年，经过对6Y1型10年的研究改进，在中国半导体工业发展的条件下，将引燃管整流改为大功率半导体整流，试制出韶山1型电力机车，代号SS1。1969年开始批量生产，到1988年止，共生产826台。机车持续功率3780kW，最大速度90km/h，车长19400mm。韶山1型电力机车获全国科学大会奖 。 电力机车的发展史 1969年，株洲电力机车研究所和株洲电力机车工厂联合研制了韶山2型电力机车，代号SS2。 株洲电力机车工厂1978年设计试制的

9、大功率电力机车韶山3型客货两用干线电力机车，代号SS3。1989年开始批量生产。 韶山3B型重载货运电力机车，代号SS3B。株洲电力机车厂2002年在SS系列机车的设计平台上开发的一种12轴重载货运电力机车。 韶山4型干线货运电力机车，代号SS4。株洲电力机车工厂1985年设计试制的8轴货运电力机车。 韶山4改进型电力机车，代号SS4G。是在SS4、SS5和SS6型电力机车的基础上，吸收了8K机车一些先进技术设计的。电力机车的发展史 韶山5型准高速电力机车，代号SS5。为准高速铁路试制的样车。 韶山8型快速客运机车，代号SS8。株洲电力机车厂在SS5电力机车的基础上开发的，于1994年研制成功

10、，填补了我国快速客运电力机车的空白，当时成为我国快速客运的主型机车。 韶山6型干线客货运电力机车，代号SS6。株洲电力机车工厂制造的国际招标中标机车。 韶山7型干线客货两用电力机车，代号SS7。是大同机车工厂自行研制开发的新型电力机车，该机车填补了我国山区小曲线区段线路客、货运电力机车的空白。 韶山7B型重载货运电力机车，代号SS7B。大同机车厂1996年设计完成，1997年试制成功的一种新型的重载货运电力机车。 电力机车的发展史 韶山7D型客运电力机车，代号SS7D。由大同机车厂、株洲电力机车研究所、成都机车车辆厂联合研制的适应我国铁路提速需要的新产品。 韶山7E型客运电力机车，代号SS7E

11、。是由电力牵引研发中心牵头，大同机车厂、大连机车车辆厂联合开发的准高速客运机车。该机车目前已经成为我国铁路干线的主型客运电力机车之一。 韶山9型干线客运电力机车，代号SS9。以成熟的韶山型系列电力机车技术为基础，采用了许多国际客运机车先进技术，是由株洲电力机车厂研制开发的。电力机车的发展史 1、60年代初，为满足我国第一条电气化铁路的运营需要，从法国进口6Y型6轴电力机车，25台。 2、1972年，我国又从法国购买了6GF型6轴电力机车，40台。 3、1971年，我国又从罗马尼亚购买了6GL型6轴电力机车，2台。 4、1987、88年，我国又从日本购买了6K型6轴电力机车，85台。 5、198

12、6年，我国又从法国购买了8K型8轴电力机车，150台。 6、1988年，从苏联进口的8G型8轴电力机车，100台。电力机车的分类 1、直流供电：采用直流牵引电动机的直直型电力机车 2、交流供电：采用脉流牵引电动机的交直型电力机车 3、交流供电：采用变流器-三相交流异步牵引电动机的交直交型电力机车 4、交流供电：采用变流器-三相交流同步牵引电动机的交交型电力机车电力机车的特点和优越性特点1、功率大2、速度高3、效率高4、过载能力强 优越性1、运输能力强2、经济效果显著3、能源利用合理4、劳动条件好5、行车安全6、有利于城乡电气化交直交传动电力机车的发展 交直交流电力机车采用交流无整流子牵引电动机

13、（即三相异步电动机），这种电动机在制造、性能、功能，体积、重量、成本、维护及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途。德国制造的E120型电力机车就是这种机车。交直交型电力机车的工作特点 1、机车的功率大。牵引电动机重量轻，可以减少机车的簧下重量。 2、交流牵引电动机的维修量少。 3、机车具有优异的牵引和制动运行特性，机车的粘着利用和防空转性能好。 4、机车的功率因数高，谐波干扰小。 5、简化了主电路，各设备易于实现标准化。 6、操作简单，检查方便。交直交型电力机车的优点 1、机车的启动牵引力大 2、

14、机车的恒功范围宽 3、机车的粘着系数高 4、牵引电动机的维护量少 5、功率因数高 6、等效干扰电流小我国交直交型电力机车的现状 1、DJ1型机车是中国机械进出口公司和铁道部于1997年三月底委托奥地利西门子公司开发，制造和供应20台双机重联机车，头三台车有奥地利的西门子格拉兹工厂制造，其余17台由西门子与株洲电力机车厂，株洲电力机车研究所的合资公司株洲西门子牵引设备公司制造。20台车都将交付郑州铁路局宝鸡机务段，在宝成线北段运用。目前调至湖东电力机务段担当大秦铁路的生产运输任务。 这种机车是第二代EuroSprinter（为德国铁路公司开发的152型货运机车派生产品）系列机车的代表产品。 我国

15、交直交型电力机车的现状 2、 DJ2型交流传动电力机车是我国第一台具有自主知识产权的商用型交流传动电力机车。机车主要特点：1采用交流传动技术。电传动系统采用国产化的GTO水冷变流机组，1225kW大功率异步牵引电动机，调速恒功范围宽、轴功率大、粘着特性好、效率和功率因数高。2以转向架为单元的静止辅助变流器装置能提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类分级供电，系统冗余性强、节能降噪效果好。3控制系统采用国产化分散式微机网络控制系统，并采用冗余设计（主机热备及冗余输入输出）来提高整个列车组运用的可靠性。分散式微机控制系统和车辆级MVB总线，列车级WTB双绞总线实现了全列车的网络控制

16、、逻辑控制和自诊断功能。我国交直交型电力机车的现状机车主要特点：4总体设计采用了高集成化、模块化的设计技术。5车体采用轻量化的整体承载结构和流线型的外形。6转向架为两轴转向架，采用空心轴双侧六连杆传动方式。牵引电机、传动齿轮箱、空心轴驱动装置、托架及制动横梁合为一整体，构成驱动制动单元，一端悬挂在构架中间横梁上，另一端刚性固定在转向架端梁上，为架悬式结构。牵引装置为中间推挽低斜拉牵引杆。基础制动采用轮装式盘形制动装置。7变压器为卧式结构，车体吊挂式安装，一体化的多绕组全分裂变压器。二次吸收电抗器、辅助变流电抗器、列车供电电抗器共油箱，共用一套冷却装置。8采用车顶夹层通风方式。9采用再生制动加空

17、气制动的联合制动方式。 我国交直交型电力机车的现状 3、 SSJ3型交流传动电力机车是大连机车车辆厂研制开发的交流传动电力机车。从2001年开始，大连厂便着眼于交流传动货运电力机车。在进行了大量的论证、研究后，大连厂最终与日本东芝公司进行技术合作，建立了合资公司，共同生产目前国内比较空白的交流传动系统，为SSJ3型诞生奠定了坚实的技术基础。2001年6月大连厂正式提出开发项目的申报，经过业内专家的充分论证后，得到铁道部科技司获准立项。我国交直交型电力机车的现状 该机车的设计思想 （1） 采用6轴轴控技术，尽最大可能提高机车起动牵引力和持续牵引力，以适用我国各条线路货运运输要求。 （2） 电传动

18、系统采用合作开发模式；机车的关键部件国际采购，把可靠性放在首位。 （3） 结合我国货运电力机车开发的成熟经验，并利用TOSHIBA技术上的优势，完善机车的控制和保护系统。 （4） 全部采用PRO/E三维设计，提高机车的设计水平，促进工厂提升工艺和基本制造质量。 （5）主辅变流器与机车控制、显示系统采用网络控制技术，机车间具有网络重联功能。 我国交直交型电力机车的现状 该机车的技术特点 （1）电传动系统采用IGBT水冷变流机组，1250kW大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。 （2）辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VVVF和C

19、VCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。该系统冗余性强，一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。 （3）采用微机网络控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能，而且实现了机车的网络重联功能。 （4）总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气屏柜和各种辅助机组斜对称布置在中间走廊的两侧；采用了规范化司机室，有利于机车的安全运行。我国交直交型电力机车的现状 该机车的技术特点 （5）采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。 （6）转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构，二系支承采用高圆螺旋弹簧；采用轮盘制动、整体轴箱、低位牵引等技术。 （7）采用下悬式安

20、装方式的一体化多绕组（全去耦）变压器，具有高阻抗、重量轻等特点，并采用强迫导向油循环风冷技术。 （8）采用独立通风冷却技术。 （9）采用了集成化的空气制动系统，具有空电联合制动功能。采用了新型的膜式空气干燥器，与螺杆式空气压缩机做成一体式结构。 电力机车的基本工作原理 机车在工作时，通过受电弓将接触网的25kV电压引入车内，经过牵引变压器降压后，将交流电送入牵引变流器，由牵引变流器的整流环节变成一个稳定的直流电压，再经过牵引变流器的逆变环节输出一个电压、频率都可以变化的三相交流电压，送到牵引电动机，实现牵引运行和速度调节。现代电力机车的主要技术指标 额定工作电压：工频25kV 电压工作范围：

21、1929kV 轴式：B0-B0 、 C0-C0或2（B0-B0） 整备重量（轴重）：客运20t，货运23t或25t 机车功率：单轴1200 1600kW 机车启动牵引力：单轴90kN 机车最高速度：客运200km/h，货运120km/h 机车持续速度：客运90km/h，货运50km/h 机车电制动方式：再生制动电力机车的牵引特性交流传动货运电力机车牵引性能曲线0501001502002503003504004505005506000102030405060708090100110120130速度(km/h)牵引力(kN) 阻力特性： 牵引吨位 坡度 R1 5000t 平直道 R2 6000t

22、平直道 R3 5000t 6R3R1R217135623412345678910111213电力机车的电制动特性交流传动货运电力机车再生制动性能曲线0501001502002503003504004500102030405060708090100110120速度(km/h)制动力(kN) 额定网压：25kV 轴式：C0-C0 电制动方式：再生制动 电制动功率：5600kW 123456789101112电力机车的基本结构 电力机车由机械部分、电气部分和空气管路部分三部分组成。 它的机械部分和空气管路部分基本上与内燃机车相同，而电气部分主要包括受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机

23、和制动电阻柜等。 为了保证电力机车的正常运行，机车上装有许多辅助电气设备，如电动压缩机组、电动通风机组、电动油泵机组等。 机车上还装有许多控制电器，如司机控制器、按钮开关、接触器等。通过它们来控制机车上的各种电气设备，实现机车的起动、调速、反向运行和电阻制动。电力机车的电气系统 电力机车的电气系统一般由主电路、辅助电路和控制电路三部分组成。 主电路是指将牵引电动机及其相关的电气设备连接而成的线路，该线路具有电压高、电流大的特点，又称高压电路或牵引动力电路 辅助电路主要指机车主电路提供冷却，为空气制动系统提供风源，调节司乘人员环境以及给客车提供合适的电源。 控制电路是由司机控制器、各种操纵开关、

24、主电路和辅助电路的各个控制电器和单元、司机显示屏等组成的有接点控制电路和电子电路。控制电路是保证将司机的各种运行意图全面反映到机车运行的桥梁，同时也是司机监视机车各电路和部件是否正常工作的窗口。电力机车主电路的结构特点 第一代机车：以SS1型为主型产品，采用带调压开关的33级有级调压，存在电流冲击。采用一级电阻制动，集中供电方式，三级磁场消弱，4极无补偿绕组高压串励牵引电机。电力机车主电路的结构特点 第二代机车：SS3型电力机车，采用带调压开关的8级调压，级间为相控平滑调压，实现了无级调速。采用二级电阻制动，集中供电方式，三级磁场消弱，串励高压（1550V）牵引电机。 电力机车主电路的结构特点

25、 第三代机车：包括SS4SS7E等各型电力机车，其电路结构基本相同，调压方式都是相控无级调压，采用中压（1000V）牵引电机。三段半控桥顺序控制。电力机车主电路的结构特点 第四代电力机车为交直交传动变频变压调速方式，采用四象限变流器+直流中间环节+PWM逆变器构成交直交传动电路，1000kW1600kW三相异步电动机拖动。 交流传动电力机车主电路交直交传动电力机车的调速原理 直流传动电力机车调速是主要通过调节牵引电动机的端电压来实现的。另外，通过减少励磁绕组的磁场实现恒功区的加宽，实现更进一步的调速。调速方法简单。 交流传动电力机车调速的关键是三相异步电机的调速。 异步电机转速公式为：n=60

26、f1(1-s)/p，采用改变三相异步电机的电源频率f1，可以适应机车调速范围广的要求。交直交传动电力机车的调速原理 从基频向下变频调速时，三相异步电机每相电压U1E=4.44f1W1kW1m交直交传动电力机车的调速原理 从基频向上变频调速时，升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为UN不变，频率越高，磁通m越低，降低磁通升速。 交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器采用的元件经历了晶闸管、GTO（可关断晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、IPM（集IGBT、驱动电路、自保护功能为一体的智能功率模块）、IGCT（集成门极换相晶闸管）。 早期的电力机车采用的是GTO牵

27、引变流器，其特点是：GTO元件具有自关断能力，且元件功率大、装置体积小、重量轻，可靠性高；但由于GTO元件是电流型控制器件，应用技术较复杂。 目前开发电力机车的牵引变流器大都采用IGBT或集IGBT、驱动电路、自保护功能为一体的IPM智能功率模块。其特点为：IGBT（IPM）元件不但具有自关断能力，而且是电压型控制器件，开关频率高。 交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分 脉冲整流器、中间电路和两点式PWM逆变器交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：脉冲整流器的基本原理 在传统的相控整流技术中，几乎全部采用平波电抗器来达到直流量平直的目的的，这时，电网侧中出现了严

28、重的波形畸变，从而导致给电网送入大量的无功功率。 理想的整流器应该是直流侧提供平直的直流电压和直流电流，从电网侧仅仅吸收有功功率。从原理上讲，这种装置可以由一个无储能部分的变流装置和一个分离的储能器组成。 为了在交流电网侧保持好的功率因数的同时获得平整的直流量，变流器的变比必须能够通过调制技术随时发生改变，而必要的储能器作为简单的串联或并联谐振电路，与直流侧负载并联或串联。交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：脉冲整流器的基本原理交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：脉冲整流器的基本结构交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：中间电路的作用 在脉冲

29、整流器中，储能器是脉冲整流器的基本组成部分。在交直交变流器中，储能器是入端变流器的脉冲整流器和作为负载端变流器的逆变器之间的连接纽带，一般称为中间电路。 在电压型脉冲整流器中，由两部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路LC （也可以取消）；另一个是支撑电容器。 对于串联谐振电路LC的电感和电容的选择，除了考虑很大的谐振电流可能在电容上产生过电压外，还必须考虑电抗器的结构尺寸和电感值、持续电流有关，而电容器的结构尺寸和电容值、最大电压有关。 对于支撑电容，主要目的是保持中间电压的稳定，同时也可以同异步牵引电动机交换无功功率。交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：逆变器基

30、本结构交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：逆变器基本原理交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：两点式PWM逆变器 逆变器又称电机侧变流器，由23成对桥臂组成。成对桥臂在直流侧并联连接到中间电路上；在单相交流侧与异步牵引电动机星形接线的3个定子相绕组相连接。 电机侧变流器每三个成对桥臂构成一个三相桥式电路，由此得到牵引电动机所需三相交流电压。 中间电路的电压值视轴功率的大小和可选择的半导体器件决定，目前，在大多数轴功率达1200kW以上的电力机车上，其最大取值达到2800V。在启动范围内，逆变器按脉宽调制模式进行控制，当逆变器输出达到规定值时，转入方波控制模式。

31、有时，在逆变器和异步牵引电动机之间串接三相平波电抗器，用以抑制启动过程电动机电流中的谐波分量，改善转矩脉动状况，并减少损耗。启动完成后，通过接触器把它短接。交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的组成部分：两点式PWM逆变器 通过控制逆变器的输出，达到连续调节电动机脉冲式的相电压的基波的频率和幅值，来控制电动机转矩和转速。 在牵引运行时三相交流系统的基波频率比相应电动机转速的频率要高（正滑差），这样就给出正的电动机转矩。 制动时要降低电动机电压的频率，使之低于相应电动机转速的频率，这样形成负滑差和制动转矩。牵引电动机作为三相异步发电机工作，输出幅值和频率变化的三相交流电压。电动机侧变流器作

32、为自换相整流器工作，将制动能反馈给中间电路。 交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的核心元件：IGBT（绝缘栅双极晶体管）IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。自二十世纪八十年代初期研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT已由第三代、第四代发展到了第五代，由穿通型（PT型）发展到非穿通型（NPT型）。它的输入特性相当于一种自锁型场效应管，是一种简单、高效，几乎无功控制的新型元器件；而它的输出特性又相当于一个二极管，尤其空穴导电的特性，使它达到相当大的载流容量因而不易过电压击穿；更由于现代精细加工

33、技术及半导体掺杂技术向更高层次的发展，使它的开关频率可达几十到几百千赫兹。这样高的操作频率促使它向模块化方向发展，以抑制可能在高速转换过程中产生的有害的寄生电容和电感。IGBT模块有单管模块、半桥模块等。交直交传动电力机车的牵引变流器 牵引变流器的冷却方式 适合于作为牵引变流器的冷却媒质有空气、油、氟里昂和水。所构成的冷却方式分别为直接风冷、油冷、沸腾冷却和水冷。 直接空气冷却只用于中小功率变流器，从冷却能力和减少环境污染等到方面来看， 水冷是较为理想的方法，水冷又有两种：去离子水冷却和自来水冷却。 油（浸）冷已用在多种机车，效果良好，但其缺点是不可避免的漏油造成的污染，以及可能发生火灾。 沸

34、腾冷却是利用冷却媒质在液相和气相之间的状态转变把热量散发出去。它不需要泵和外部循环系统。但如果采用含氟冷却媒质，如“R113”，不利环境保护。交直交传动电力机车的牵引变压器 现代交流传动电力机车牵引变压器的特点： 一般都部分或全部安装于机车车底下，牵引变压器高度受到严格限制。 散热条件相当恶劣，除了要承受风雨尘埃的侵袭外，还要直接承受来自走行部三个方向的较大冲击，振动加速度最大可达纵向5g，横向3g。 电气环境条件苛刻，牵引变压器具有储能作用，通过频繁开关，因此，在绕组中将产生高次谐波，直接危及绕组的绝缘；在电力机车实施再生制动时，将牵引电动机的电能返回给电网，必然导致电网电压上升。 为确保牵

35、引变流器控制的准确性，要求绕组之间相互独立，牵引绕组采用全分裂结构，其他绕组与牵引绕组间应采用疏耦合。交直交传动电力机车的牵引变压器 现代交流传动电力机车牵引变压器的结构：一般采用心式结构，原边高压牵引绕组、副边牵引绕组和辅助绕组采用交错式或同心式，采用油循环导向冷却，设两台油泵和油散热器。a6a3a4x4x5a5x2a2x1a1x8x6a8a10 x10Xx7a7x3a9x9A交直交传动电力机车的牵引电动机 现代交流传动电力机车牵引变压器的设计特点：异步牵引电动机的工作条件与工业用的一般异步电动机不同，一般异步电动机是在一定频率、电压和磁通下工作的。而异步牵引电动机却经常工作在变化的频率、电

36、压和磁通下，同时机车牵引的性质要求它在宽广的调速范围内恒功率运行并具有较高的过载能力。（1）普通异步电动机，仅对其额定工作状态进行计算即可。在设计异步牵引电动机时，仅限于计算某一个工作状态是不够的。因为当变频调节时，电机的机械特性、功率因数及过载能力都会发生变化。另外，当恒功调节时，其恒功特性的获得与调节方式有关。所以电动机的设计不能脱离对整个传动系统的技术经济指标来考虑。（2）因为异步牵引电动机是由逆变器供电的，为了使电机参数和逆变器换流性能相配合，不同类型逆变器要求电机有不同的设计方案。对于电压型逆变器，为了抑制谐波电流的影响，希望电动机设计具有较大的漏抗。可以通过调整电磁参数和槽形结构形

37、式的方法来实现。交直交传动电力机车的牵引电动机 现代交流传动电力机车牵引变压器的设计特点：（3）一般说来，带换向器的牵引电动机的最大传动比受换向器允许的圆周线速度及抗电势限制，而异步牵引电动机不受上述因素限制，且通常只取决于小齿轮所允许的最小齿数，所以有可能选用较高的传动比（大于4）。（4）当一台逆变器供电给几台电动机运行时，如果电机转矩特性不相同，就会使各电机承受转矩不一致。为避免转矩不平衡，其额定转差率通常设计得比普通电机为大。（5）当几台电机并联运行时，要求各电机的转矩特性尽量接近，而影响异步电动机特性的主要因素是转子电阻。因此，必须选取电阻率分散性小、温度变化率小、截面尺寸均匀的导条材

38、料。（6）异步牵引电动机的最大频率fmax是和机车最高运行速度以及电动机的极对数P一起考虑的。（7）牵引电动机的功率较高，这就迫使异步牵引电动机取用较高的电磁负荷和机械负荷。因此，要求设计电机时使用高质量的磁性材料和高性能的绝缘材料，并具良好的强力通风装置。交直交传动电力机车的牵引电动机 现代交流传动电力机车牵引变压器的结构特点：（1）由于异步牵引电动机运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步电动机较大的气隙（通常为1.5mm2.5mm)。（2）定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行的可靠性。 （3）定、转子铁芯冲片选用0.5mm厚的高导磁、低损

39、耗的冷轧硅钢片，要求内、外圆同时落料，以保证气隙的均匀度。转子铁芯内孔与轴用热套固定，以满足牵引电机频繁正反起动的要求。（4）鼠笼转子的导条与端环间的联接用感应加热银铜钎焊。（5）采用耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作主绝缘。并通常选用C级绝缘材料作H级温升使用，以提高电机热可靠性。（6）开始使用绝缘轴承，阻止由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴承受到电腐蚀，保证轴承寿命。（7）为配合变频调速系统进行转速（差）闭环控制和提高控制精度，在电机内部装设非接触式转速检测器。交直交电力机车的辅助电路交直交电力机车的辅助电路 辅助电路的主要结构 由于电力机车辅助电路中的辅助电动机大部

40、分功率在10kW左右，采用三相异步电动机。因此，单相电变三相电成为机车辅助电路中的核心 传统方式是通过劈相机把电网供来的单相电变为三相电，劈相机可以近似为电动发电机。 现代交流传动电力机车采用了辅助变流器代替传统的劈相机，使辅助电路的三相电源质量有了质的提高。交直交电力机车的辅助电路 用辅助变流器代替劈相机有明显的技术经济优势。 a供电的品质提高，工作的可靠性加强。 辅助变流器供电系统输出的三相电压对称性、稳定性好，不受电网波动影响，输出基波电压有效值为3805%；以辅助变流器供电的辅机系统由逆变器控制变频变压软起动，起动电流小，为其额定电流的23倍，三相电流对称性好。 采用多组整流器和逆变器

41、的组合结构，又使系统对负载控制的灵活性及系统的冗余性显著增强，其工作更加可靠。交直交电力机车的辅助电路 b节能降噪效果明显 辅助变流器供电系统可根据主回路中牵引电机及主变流器的工作状态来确定辅机的工作情况。 控制系统通过检测主回路的热状态，调节辅助变流器中逆变器输出电压和频率特性，进而控制辅机工作在其所需要的状态。 同时，风机引起的噪声也大大降低。交直交电力机车的辅助电路 c简化了系统控制。 辅助变流器供电的系统减去了劈相机系统所必须的起动装置，同时可省去其它辅机须用接触器控制进行单独起动等繁琐的控制装置。d辅助系统重量减轻，功率因数提高。 辅助变流器供电的系统由于三相电压、电流稳定，辅机的额

42、定功率利用好，辅助系统重量减轻，同时辅助变流器供电系统的功率因数也比劈相机供电的系统提高了10%左右。 交直交电力机车的辅助变流器 现代电力机车的辅助变流器的基本要求： 1、在接触网电压工作范围内，辅助变流器均应该正常工作，输出的电压和频率均能满足空气压缩机、油泵、水泵等各负载的正常工作。 2、除具备变压变频工作能力外，还应具备允许空气压缩机等负载在变流器工作时直接启动以及切除的能力，以满足频繁起停的需要。 3、辅助变流器采用双倍冗余方案，一旦发生故障，可以自动转换，确保机车的可靠运用。 4、辅助变流器按照负载的不同，控制策略不同，一般分为VVVF控制和CVCF控制。对于通风机等设备采用VVV

43、F控制，有利于节能；对于压缩机、水泵等设备采用CVCF控制。交直交电力机车的辅助变流器 现代电力机车的辅助变流器的特点： 1、现代电力机车的辅助单相整流成直流电路采用脉冲整流器，可以作到“升压整流”，有利于降低输入电压（380V），有利于提高辅助系统功率因数。 2、输出逆变器采用高频率调制逆变器，有利于降低输出电压谐波含量，同时采用无感复合母排技术、低感电容技术，简化了电路结构，提高了效率，减少了发热量。 3、控制系统单独构成控制箱，除完成整流器、逆变器的控制外，还设有外围接口和管理环节，该环节可以将有关控制信息通过网络传递到司机室，有利于司机监控。 4、辅助变流器和牵引变流器安装成一体。有利

44、于散热、试验和检修。 5、有些机车的辅助变流器省去脉冲整流器，直流电由牵引变流器的直流环节降压得到。电力机车的控制电路 电力机车控制电路基本要求 电力机车控制电路是三大电路中最复杂的电路，它由司机控制器、低压电器、主电路与辅助电路中的各种电器线圈以及各电器的触头联锁等组成。可以控制机车主电路和辅助电路中的电器动作，并通过司机控制台上各按钮开关和司机控制器手柄位置操纵，使机车按照司机的意图运行。电力机车的控制电路 电力机车控制电路的主要功能 改变机车的运行状态，如运行方向的改变、牵引制动的转换 对机车牵引力、制动力、速度进行调节 控制各种辅助机组的启动、运行 控制各电器按照一定的次序工作 防止故

45、障扩大的联锁、确保安全的必要的联锁、发生故障后的联锁、电气与机械的联锁、电气制动与空气制动的联锁 各种照明、信号的控制 当机车某部分发生故障时，提出警示，当故障不能及时处理时，将故障电路切除，维持机车的运行。电力机车的控制电路 电力机车的控制电源在电力机车上，控制电源是机车控制电路的电源，它采用控制电源和蓄电池并联的工作方式。蓄电池是在机车升受电弓前和控制电源发生故障时向控制电路供电的。由于机车在正常运行中控制线路负载较大，时间较长，因此不能单靠蓄电池供电，而必须有另外的控制电源给控制电路供电，同时给蓄电池充电。当控制电源发生故障时，依靠蓄电池供电维持运行。 控制电源的结构形式由牵引变压器的一

46、个辅助绕组220V或380V提供一个交流电，再通过相控调压整流稳压产生110V；另一种是在辅助逆变器中间电源处引出一个直流电600V或750V，再经过斩波降压、稳压产生110V。 控制电源的特点：正常情况下，110V电源输出稳定，波动范围小；故障情况下，电源范围宽：77V137.5V。电力机车的控制电路 电力机车控制电路的发展 交直电力机车的控制经历了有接点控制、模拟控制和微机控制和网络控制4个发展阶段。 交直传动电力机车以前全部采用有接点控制和模拟控制。微机控制从1987年开始研究，1997年开始批量生产，并推广到各型新研制的交直传动电力机车上。微机控制的交直传动电力机车车型有：SS8、SS

47、4B、SS9、D和SS7E，其中除SS4B型机车用于货运外，其余都为客运电力机车。 为适应重载货运的需要铁道部决定生产12轴货运机车，它采用SS3B两节固定重联，改用微机网络控制，该机车是微机控制和网络控制在交直传动电力机车上最成功的应用车型。电力机车的控制电路 电力机车控制电路微机控制的优势 微机控制具有通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性等特点，对各种不同型号的机车硬件基本上是通用的，依靠软件的灵活性来满足不同车型不同的控制要求。 随着微机控制的推广使用，微机控制技术也有了很大的发展，特别是在冗余设计技术、自动过分相技术、RS485通信技术、网络通信及重联控制技术、故障预防、诊断和显示技

48、术、PLC逻辑控制技术、自动监测和故障恢复等7个方面。 电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：冗余设计技术 根据牵引电动机与牵引变流器的连接方式，牵引电动机的控制可以分为转向架控制方式和单轴控制方式。 现代交流传动电力机车的发展方向是采用先进的轴控技术，而非以往的架控技术。以往的架控方式，当转向架中有一台牵引电机出现故障时，机车就不得不关闭整个转向架上的所有牵引电机。这样机车的牵引力将损失一半，牵引效率大大降低。但采用了轴控技术的电力机车，当其某个转向架上的某台牵引电机故障时，就可以轻松地关闭这一台电机，而保留与其同在一台转向架上的其它两台电机继续工作。这样，机车损失的牵引力才只有1/6

49、，牵引效率也只损失了很少的一些。 电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：自动过分相技术 其工作原理是：当机车得到过分相预告信号后，首先进行确认，然后机车主电路的控制环节使主电路停止工作，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区；在通过无电区后，由机车自动检测网压从无到有的确认，再自动合上主断路器，顺序起动各辅助电动机，然后限制速度的上升率，恢复到司机手柄给定的速度值。 在该方案中，除分相预告信号与地面设施有关外，其余一切操作都可由机车自动完成，无需人工干预。电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：RS485通信技术 在微机控制的电力机车中，RS485通信主要用于两个方面： 一是用在机车

50、控制级与晶闸管触发级间的通信，这种通信发生在同一插件箱的两种插件之间，由于受外部干扰较小，通信失误的机率也较小。 二是用于人机对话级与机车控制级之间，亦即显示屏与各个转向架控制单元通信。这种通信线较长，受干扰的可能性大，而这两种通信设备不在一起，机壳的电位也有差异。因此，采用RS485加光电隔离的措施，可以有效地防止干扰。通信线采用三绞屏蔽线，其中一对为通信线，另一根作为第三导体，用于连接两个设备光电隔离以后的通信地。 电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：网络通信和重联控制技术 在动力集中式电动车组中，动车组前部的动力车与后部的非动力控制车之间距离较长，为实现首尾机车重联控制，必须采用

51、网络通信控制的方式。司机可在非动力控制车中驾驶，控制另一端部的动力车。 12轴SS3B机车是将微机控制技术和网络技术集中使用的范例，它在原SS3机车的基础上改造而成。主要是将控制方法由原来的模拟控制改为微机控制，各部件间通信采用符合IEC61375-1标准的列车通信网络（TCN），两节车之间采用列车总线，单节机车内部各设备之间采用车辆总线MVB。 电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：PLC逻辑控制技术 随着电子技术的迅猛发展，在SS7D、SS7E、SS9等机车上广泛采用PLC可编程逻辑控制单元取代传统的中间继电器，这是电力机车控制技术的一大进步，实现了由有接点控制到无接点控制的跨越，不

52、但可以节省很多维修工作量，而且更加提高了控制系统的可靠性。 PLC控制箱中主要由3种插件组成：输入插件、CPU插件和输出插件。CPU对各输入插件采样，然后按预定的逻辑去控制相应的输出，此外，CPU还可以与显示屏通信，将有关控制信息送至司机室。 为了保证机车的正常运行，PLC控制箱在机车上通常采用两套设备，即正常时用第1套，若第1套工作不正常，由司机手动切换至第2套。电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：故障预防、诊断和显示技术根据运行中可能出现的问题，在微机控制软件中制订了许多预防事故扩大的措施和故障对策，目的是使故障导向安全。对运行中可能出现的问题采取相应对策，本着故障导向安全的原则，

53、防止事故扩大。微机控制的另一特点就是故障诊断和记录。除了出库前的检查诊断外，在运行中还对各种传感器作随机诊断。每次故障发生时能保存故障发生前1秒和故障后0.5秒内所有模拟量和数字量的数据回库后，可将这些故障数据调出来画成相应的曲线，进行故障原因分析。记录数据中也包括当时的运行速度和司机手柄级位，对判断是否误操作提供了确凿的依据。显示屏采用液晶彩色显示屏同一画面上不同的数据可以不同颜色加以区分，而且鲜艳醒目。 电力机车的控制电路 电力机车控制电路的技术：自动监测和故障恢复 由于目前电力机车上大量电子技术和数字化的使用，机车上的各控制单元均设有自动监测功能。当机车出车前或故障处理完成后，司机只要按

54、下监测按钮，各控制环节将自动寻检一遍，及时发现问题，防止事故扩大。 微机控制的另一特点就是故障自动恢复，在机车运行过程中，可能发生各种各样，有些故障是偶发的，可以适当尝试恢复。有些故障经恢复，不能处理的，除了报告给司机外，可以按照预先设定的方案进行故障隔离或自动转换到备用工况。电力机车的控制电路 电力机车故障显示屏交流传动电力机车的电子控制系统 现代交流传动电力机车的电子控制系统，一般可以分为列车级控制、机车级控制和传动级控制。 列车级控制主要包括机车特性控制、速度控制、目标制动、机车运行状态选择与显示、列车安全防护诊断。 机车级控制主要包括机车牵引力控制、机车粘着控制、辅助系统控制、诊断与保

55、护 传动级控制主要包括牵引电动机的闭环控制、四象限整流器的控制、牵引逆变器的控制以及他们的故障诊断与监视 对于在多级重联控制时，还具有重联控制，主要包括本务机车对重联机车各指令的传输和重联机车各状态的反馈。交流传动电力机车的信息系统 现代电力机车的信息系统： 控制信息：对于列车级控制信息主要包括来自司机台的各控制信息，同时实现对总线的控制；对于机车级控制信息主要是根据列车控制级信息实现对本机车的控制；传动级控制信息是指对牵引变流器和牵引电动机实现控制。 诊断信息：包括车载诊断和地面诊断，车载诊断分三级，各自提供相应的诊断信息。部件诊断：由微机控制的各部件的自诊断，以及对被控制对象的检测诊断。车

56、辆诊断：机车中的中心微机通过总线对本机车的各部件的诊断数据整理储存，归类编码。列车诊断：列车上的诊断中心将各车辆信息分类评估，在机车上显示，也可以通过无线通讯传递到地面控制中心。交流传动电力机车的信息系统 现代电力机车的信息系统主要包括以下信息 诊断信息：包括车载诊断和地面诊断，车载诊断分三级，各自提供相应的诊断信息。部件诊断：由微机控制的各部件的自诊断，以及对被控制对象的检测诊断。车辆诊断：机车中的中心微机通过总线对本机车的各部件的诊断数据整理储存，归类编码。列车诊断：列车上的诊断中心将各车辆信息分类评估，在机车上显示，也可以通过无线通讯传递到地面控制中心。交流传动电力机车的通信网络 现代电

57、力机车的列车通信网络（TCN）一般分为列车总线和车辆总线 列车级总线采用WTB，它具有可动态编组的列车总线特点，传输速率达1Mb/s，总线跨距达860m，可以连接32个车辆节点。 车辆总线采用MVB，传输速率达1.5Mb/s。在MVB上能寻址4096个设备，其中256个是能参与消息数据通信的设备。 TCN标准在应用上提供2种通信数据服务，即过程数据（它为广播发送，周期性刷新）和消息数据（使用于点对点的方式，常使用于偶发性事件中，如故障数据的传输）。TCN网络具有传输速度快、时限确定、差错恢复能力强、能方便有效地进行冗余设计、可控性好、网络层次清晰等特点。交直交电力机车的设备布置 现代交流传动电

58、力机车的典型设备布置方式： 高压电气设备，除受电弓、高压隔离开关等设备布置在车顶外，主断路器、避雷器等尽量布置在车内； 车体上部为主要设备室，在机车的两端分别设有标准化司机室，两个司机室的中间为设备室； 设备室内设有620mm宽的中间走廊；车内设备布置以平面斜对称布置为主，牵引变流器、辅助变流器尽量安装在机车中部，对于两套相同的设备，尽量对称布置，这特别有利于机车的重量分配和机车的制造。 车体下部布置有两台3轴（或2轴）低位牵引动力转向架，主变压器布置在两台转向架的中间。交直交电力机车的主要电器件 受电弓：电力机车上将接触网上的电引入电力机车。 常用的受电弓一般是单臂受电弓，由滑板机构、框架、

59、传动气缸等组成。 动作特点：升弓时，为了减少对接触网的冲击，要求接触导线时要动作缓慢；降弓时，为了避免出现拉弧现象，离开导线时要快；为了减少对机车车顶的冲击，降落到最低位置时，动作缓慢。 受电弓的静特性：在整个工作高度范围内，受电弓对接触网的压力基本不变，在上升、下降过程中压力基本不变。 主要技术参数：工作高度范围、接触压力。交直交电力机车的主要电器件 主断路器：在电力机车上，主断路器是机车电源的总开关，在正常情况下将接触网上的电引入电力机车，在电力机车内部发生重大故障时，由控制环节自动将其断开，防止故障的进一步扩大。 常用的主断路器有两种：空气断路器和真空断路器，目前普遍采用真空断路器。 动作特点：采用压缩空气作为动力，控制电源控制电磁阀的开与合完成压缩空气的通道切换，最终实现主断路器的分闸与合闸。 主要技术参数：分断电流能力、分闸动作时间、控制电压和气压范围。交直交电力机车的转向架 在转向架技术上，从C0发展到B0转向架，从C0-C0轴列组成发展到B0