交流传动与直流传动优劣的比较

1、交流传动与直流传动优劣的比较、交流传动背景介绍1、发展历程电力传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和 日常生活中。执行机构由直流电动机驱动，则称为直流电气传动系统，执行机构由交流电 动机驱动，则称为交流电气传动系统。20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速 方法；60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调 速技术成为电动机调速的发展方向；70年代中期，在世界范围内出现能源危机， 节约能源成为人们关注的问题；许多过去不调速的传动装置，如风机、水泵等， 也都采用了调速传动；90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的

2、 飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破 性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运 行等优良的技术性能。目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统，大举进 入电气传动调速控制的各个领域。2、交流传动电力机车发展综述随着科技的进步，电力机车的发展方向逐渐成为以安全性、实用性、可靠性、 灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好的发展目标。但是，不可避免的，存在 着地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平等限制。随着 电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等的出现与发展，行业从业者们满 足运输的需求，充分利用新技术，利用新材

3、料，采用新工艺从而实现新一代电力 机车的发展。3、交流传动电力机车的组成图1-1机车内部构造4、我国交流传动机车的发展现状我国交流传动技术的研究始于70年代初，可以说起步不晚，但国际上80 年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要跟在别人后面先KK,后GTO,再IGBT 一步一步地走老路 绕弯子，应跨过GTO阶段，直接发展IGBT技术，缩短我国与国际上当今先进技 术的差距。到90年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制的，功 率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功。在此基础上，由株洲电力机车 厂、株洲电力机车研究所于19

4、96年共同研制的4轴4000kW，我国第一台交流传 动电力机车（原形车）诞生。以AC4000命名的交流传动机车的研制，标志着我 国电力机车进入交流传动时代。1999年9月我国首台交流传动内燃机车“捷力型”调车内燃机车研制成功； 2000年6月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的DF4DJ型交流传动 内燃机车落成，该机车为客货运两用，它的研制成功标志着我国大功率内燃机车 跨入了将全面实现交流化的新时代。机车设计轴重为233%，计算整备重量为 1383%t,机车的最大速度为145km/h，持续速度为19.9km/h，持续牵引力为 444kN，轮周功率为2460kW，轮周制动功率为2850kW

5、。二、直流传动介绍1、直流传动概述直流传动系统主要分为两种：直-直传动系统和交-直传动系统。直-直传动系统工作原理：直流斩波实现直流电压调节。该系统主要在地铁 机车、工矿机车等传动系统中采用。交-直传动系统工作原理：整流器实现AC-DC变换并调节电压。该系统主要 在干线电力机车及内燃机车中采用。图2-1直-直传动系统图2-2交-直传动系统直流定压 恒屯速度调节方法：由n = 土竺可得，有三种方法，调节电枢电压，调节电枢 C中电流和调节励磁电流。2、直流调速的理论分析调速系统的调速技术指标主要分为：静态指标和动态指标。2.1静差度S静差度S表示出生产机械运行时转速稳定的程度。根据S =约二=里，

6、当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一 n0n0定范围之内，即要求静差度S小于一定数值图2-3调速曲线电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高；在一个 调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能 满足要求2.2调速范围D在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提 下所能达到的最低转速之比称为调速范围。2.3动态技术指标从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转所经过的一段过渡过程，称为动 态过程。3、负载特性与调速方式(a)恒转矩型(b)恒功率型图2-4负载类型负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电

7、动机 的额定转矩T应等于或略大于负载转矩TL；负载为恒功率型的生产机械应尽可 能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率PN应等于或略大于生产机 械的静负载功率PL。4、直流传动机车控制系统执行对象被调量放大 调节环节给定苏节图2-5闭环控制系统图2-6交直电力机车主电路三、交流传动介绍1、交流传动概述交流传动系统主要分为三种：直-交传动系统、交-交传动系统和交-直-交传 动系统。直-交传动系统工作原理：逆变器实现DC-AC变换并调节电压。该系统主要 在干线电力机车及内燃机车中采用。交-交传动系统工作原理：变流器将频率电压恒定的三相交流电变换成频率 电压可调的三相交流电。该系统主要应用在低

8、频交流传动系统中如轧钢等。交-直-交传动系统工作原理：将频率电压恒定的三相交流电变换成直流电， 再将直流电变换成频率电压可调的三相交流电。该系统广泛用于交通、工业、能源等领域。图3-1直-交传动系统图3-2交-交传动系统直频率电压可谓的三相图3-3交-直-交传动系统交流传动系统调速方法主要有三种:变频调速5 = % （1 一变极调速I改变转差率调速变极调速：有级的；变转差调速：不能改变电动机的同步速度，调速范围有限，损耗大，效率低；变频调速：效率高，调速范围广，调节精度高，目前应用最广泛，最有市场 前景。在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁 通量为额定值不变。如果磁

9、通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如 果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组 过热而损坏电机。因此，在调频调速时，需要同时改变加在电机上的电压（VF + VV）。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速 时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高， 在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美，因此现在 应用面很广。2、交流传动的技术特点人们很早地认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其 本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表 现出来的。交流传

10、动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特 点和优点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱 动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺 寸等诸多方面。2.1构造简单异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接 触部分。串激直流电动机则不然，结构复杂。定子、转子都有绝缘要求很高的绕 组，有换向器装置和电刷机构，磨擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和 机械强度的限制，只能达到 2500r/min左右。而交流异步电动机转速可达 4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min，这是直流电机所忘尘莫急的

11、。2.2粘着性能好异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高， 转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即 使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。串激电动机则不然，转 矩变化一点，转速就有很大的变化。异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利 用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变 逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能 充分发挥最大的牵引力。可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充 分利用机车的粘着性能。在交一直传动

12、系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电 机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。2.3功率大，牵引力大这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条 件下，可以装更大功率的异步电动机。如加拿大改造的CP4744号机车，在给定 的设计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制在600700kW/轴。装用BBC6FRA40B异步牵引电动机，其功率可达1492kW/轴以上。正因如此，才可使机 车的牵引功率大大提高。牵引功率大导致牵引力大，而又由于粘着性能好，大的 牵引力能充分发挥其牵引能力。我们可以比较一下 ND5型交直流传动机车和 SD60MAC交流传动机车的牵引力情况：ND5机车的柴

13、油机的标定功率为2940kW， 起动牵引力为533.6kN，持续速度为22.2km/h时的持续牵引力为359.8kN； SD60MAC机车的柴油机的标定功率为2835kW，起动牵引力为781kN，持续速度为 20.5km/h时的持续牵引力为521kN。后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵 引力都高出45%。目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为: 直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。 随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。如日本新干线300 系列原型试验车，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到

14、300kW，而其重量不 足400kg，单位重量功率可达0.75kW/kg。这一经济技术指标，对世界各国正在 大力发展的重载和高速机车尤为有利。2.4可靠性高，维修简便交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好， 防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H 级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。控制装置是模 块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元 件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡 滞等问题。CP4744型机车的运用实践表明：只发生过极少的故障，而这些故障 无一

15、件与逆变器或牵引电动机一类的主要硬件有关。MaK公司制造的交流牵引电 动机连续工作7年没有发生过一件烧损事故。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公 司直流电动机的大修期一般在4万公里至48万公里之间，而交流牵引电动机的 大修期可高达120160万公里。另外交流传动机车有完备的微机监视系统和故障 诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。综上所述，可知交流传 动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。加拿 大CP4744型交流传动机车的应用实践表明：不仅延长了计划修间隔，而且减少 了计划外修理次数，每台机车每年可减少计划外修6次。2.5效率高，利用率高、使用灵活性强交流

16、传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。 E120交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能36%，货运作业 时可节能810%。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用 率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了 10%。对 铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资 有决定性的影响。交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起 动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。2.6动力性能好、制动性能好异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有 较高的曲线通过能力，

17、对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实行电制动， 甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。3、主要应用领域 一般性能的节能调速和按工艺要求调速；高性能的交流调速系统和伺服系统；特大容量、极高转速的交流调速。四、交流传动系统的控制技术交流调速传动系统中的电力变换器，无论是电源侧的变流器还是电机侧的变 流器都是开关电路，电路中开关元件的周期性通断，破坏了交流电压、电流的连 续性和正弦性。从而产生的电压电流中高次谐波会严重危害交流电网和恶化电机 运行性能。目前消除谐波含量的有效方法电力变换器采用脉宽调制(PWM)技术。 该技术可以提高谐波的频率，从而减小滤波的难度，高效

18、滤波，减小滤波装置的 体积和重量。1、调速系统的分类1.1转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，在三类异步电动 机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转 差功率的消耗来换取转速降低的(恒转矩负载时)。可是，相对来说这类系统的结 构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。1.2转差功率馈送型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出 或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除 变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高， 但要增加一些设备。1

19、.3转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本 不变，因此效率更高。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变 频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，但在定 子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。2、控制系统电路图4-1交流控制系统电路图4-2交流传动机车主电路五、两种传动系统的优劣比较1、概述从电机结构上比较：直流电机结构复杂，故障率和维修成本高；交流电机结 构简单、牢固，故障率低。直流电机所固有的换向器使直流电机不能承受很 高的旋转速度，使直流电机不能做到小型化、轻量化。另外，交流

20、电机同功 率下有较小的体积和重量。直流电机容量有限，不能满足大功率场合的功率要求。而交流电机的功率可 以做的很大。交流电机陡峭的机械特性，使列车具有黏着自恢复特性；而直流电机的机械 特性较平缓。交-直传动系统的功率因数只有0.70.8,做再生电制动时功率因数更低。而 交流传动系统因为采用四象限脉冲整流器，功率因数接近1。交-直传动系统的恒功系数只能达到1.6,而交流传动系统的恒功系数能达到 2.5。直流传动容易控制转速，可实现无级调速，可用于精细的控制；但是功率不 宜过大，且使用直流电源，获取不方便。交流传动使用交流电源，很方便获取，但是要控制转速，控制系统较复杂， 需要比较先进的电力电子技术

21、和较好的控制方式，控制成本较高。在没有出 现电力电子技术之前，只能实现有级调速，应用不广泛。交-直流传动系统采用的相控整流功率因数低，产生的电压电流中高次谐波 会严重危害交流电网和恶化电机运行性能。而交流传动系统目前广泛采用脉 宽调制（PWM）技术，使得功率因数接近1，不会对电网造成谐波污染，优化了 电机运行性能。2、交流传动与直流传动的比较2.1机车工作原理的比较直流传动电力机车包括直直型电力机车和交直型整流器电力机车。直直型电力机车是由直流电源供电，直流串励牵引电机驱动，通过串并联切 换加凸轮变阻或晶闸管斩波器调阻（调压）方式进行调速和控制的机车。一般工矿用4轴电力机车串并联切换加凸轮变阻

22、的电传动装置的工作过程 为:机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QF，启动电阻R，向4台直流 牵引电动机M1-M4供电，牵引电流经钢轨流回变电所。随着4台牵引电动机接通 电源即行旋转，电能转变为机械能，分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动 轮实现牵引运行。交直型整流器电力机车的能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机 车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流（脉流） 牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。交（直）交型电力机车是指由各种变流器供电的交流异步或同步电动机作为 传动电机的电力机车或电动车组。根据变流器是否带中间回路，分为交直交变流器和交交变流器

23、两类。根据中 间回路选择元件的不同，又分为电压型系统、电流型系统两种基本结构。因此电 力牵引领域的交流传动机车基本上有两类：电流型变流器供电的同步或笼型异步 电动机机车和电压型变流器供电的笼型异步电动机机车。电压型变流器供电的笼型异步电动机系统原理。来自接触网的单相交流电经 受电弓引入机车变压器，在牵引变压器中变换成所需的合适电压后送人电源侧变 流器，将单相交流电转换为直流电，提供给中间回路经平滑功率脉动，送入电动 机侧的变流器，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给三相异步牵引 电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能 量，然后进一步转换成电压和频率可调的

24、交流能量。由于电压型变流器供电的笼型异步电动机机车的转矩脉动以及对电网的反 作用小，适合于较大功率的机车，因此干线交流传动电力机车绝大部分都采用这 种系统。直流传动机车，无论是直直型还是交直型，共同点是采用直（脉）流牵引电 动机，都可通过控制励磁电流使牵引电机具有所要求的软特性和良好的防空转性 能，脉流牵引电动机虽然在结构上与直流电机有所不同，但其工作原理基本上与 直流电机相同，直流电动机结构上的缺点是存在电刷和换向器，无法改变电机存 在的火花和环火的致命缺陷，从而限制了直流电动机的功率和容量，不能很好地 满足铁路高速重载的发展要求，继而限制了直流传动机车的发展，因此在机车上 采用无整流子的交

25、流电动机成为趋势。3型机车和SS4改机车主电路特点比较（1）主传动形式SS4改机车采用传统的交-直传动形式和串励式脉流牵引电动机，具有较成 熟的经验，控制系统较简单。HXD3型机车采用交-直-交传动形式和三相交流异步牵引电机，交流牵引电 机没有直流电机的换向器，避免了环火问题，维修工作量小，使用寿命长。同样 的体积下，交流牵引电机的重量轻，功率更大。牵引电动机供电方式SS4改机车采用转向架独立供电方式，每台转向架负载两台并联牵引电动 机，由一组整流器供电。当一组整流器损坏时，能保留3/4牵引力。HXD3型机车电源侧采用四象限整流器，电机侧采用变压变频式逆变器向三 相交流异步牵引电机供电。每台牵

26、引电机由各自的逆变器供电，即轴控方式。由 于整车采用轴控方式，当整台机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引 起的负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现 最大限度地发挥机车牵引力。整流调压电路SS4改机车采用三段不等分顺控桥控制，平滑调节整流电压，这样可以使机 车功率平滑变化，机车功率因数较高，谐波电流降低。其采用单相半控桥式全波 整流电路。为改善牵引电机换向性能，在机车主电路中设有平波电抗器，在牵引 电动机励磁绕组两端并联了固定分路电阻。为提高机车功率因数和改善通讯干 扰，机车增设了 PFC装置。HXD3型机车采用四象限脉冲整流电路，将单相交流电压转换成稳定的

27、750 V 直流电压。四象限脉冲整流电路是将升压斩波与整流电路结合起来，使输人电流 近似正弦波并与网压同相。其特点是属于升压整流方式，要求输入电压低于输出 电压，其输入侧功率因数较高，接近于1。采用IGBT作为其功率器件后，调制 频率提高，因而控制响应速度加快，当其输入端或输出端发生变化时，控制系统 能很快作出响应，快速调节使输出保持稳定。四象限整流器是一个脉宽调制变流器，它将电源的交流电压，通过脉冲宽 度和相位控制，控制中间直流电压的幅值和流入牵引整流器的交流电流波形和相 位，使交流电流的波形尽量接近正弦外，同时使得交流侧的基波电流的相位差接 近于0，这样既限制了谐波电流分量，又提高了机车功

28、率因数。与相控整流器比 较，四象限整流器有很高的功率因数，谐波电流含量也小得多。电制动方式SS4改机车采用加馈电阻制动，电制动功率为5300kW。每节车四台牵引电 机主极绕组串联，由一台励磁半控桥式整流器供电。每台转向架上的两台牵引电 机电枢与各自的制动电阻串联后，并联在一起，并与主整流器串联。HXD3型机车采用再生制动，可将动能部分转换成电能并回送到接触网上， 节能环保，其电制动功率为7200kW（65km/h或70km/h120km/h）（25t/23t轴重）。（5）调速方式SS4改机车采用削弱励磁电流的电阻分路法，三级磁场削弱。HXD3型机车采用改变异步电动机供电电源的频率即所谓的变频调

29、速，节能 运行。随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件的开发应用，近代交直交型 电力机车已很好地解决了变频的问题，使得交流传动机车的调速具有平滑无级的 特性。HXD3型机车采用由电压型四象限脉冲变流器和三相逆变器组成的牵引变 流器进行调速，使得功率因数接近于1。3型机车和SS4改机车变流装置比较变流装置用于直流和交流之间电能的转换，并对各种牵引电机起控制和调节 作用，从而控制机车的运行。SS4改型机车，靠变流器把来自接触网的电能变换为适合于牵引电动机运行 的形式，其任务是整流，将已经降低幅值的交流电压变换为直流电压。所以此处 的变流器实质上是整流器，而且主要用自然换相的可控整流器。该机车采用单相 半控桥式全波整流电路。HXD3型机车，每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含有三组牵引 变流器和一组辅助变流器，使其结构紧凑，便于设备安装。为了提高装置的小型化及冷却性能，牵引变流器采用强制循环水冷方式。这 种方式具有冷却效果好、无污染、重量轻、结构上维修方便等特点，是国际上流 行的冷却方式。冷却液采用亚乙基二醇纯水溶液，确保在一40C时不冻结。另外，牵引变流器的冷却液和主变压器（Mtr ）的冷却油经过复合冷却器循 环，依