《机车新技术（第四版）》 课件 4第九讲 交流传动与牵引控制新技术发展

机车新技术第九讲交流传动与牵引控制新技术发展交流传动的技术优越性及发展概况01变流技术与变流器产品02CONTENTS壹交流传动的技术优越性及发展概况什么是交流传动?通俗地讲,就是把从接触网取来的单相高压交流电变成供牵引电机用的三相交流电的过程。一、交流传动技术原理动车组经受电弓从接触网获得单相工频25千伏交流高压电,输送给车载牵引变压器进行降压,然后通过高频脉冲整流器变换成直流电,再由逆变器将直流电变换成调频调压的三相交流电,这个过程称为交—直—交变换。最后从逆变器输出的三相交流电供给交流牵引电机,牵引电机转动后输出的转矩通过减速齿轮传递给轮对,从而使动车组获得牵引整列高速动车组前进的轮周牵引力。二、交流传动技术优越性1构造简单，转速高，可靠性高，维修简便异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量相应减少简化转向架结构密封性好，防潮、防尘、防雨雪性能好故障率低，可靠性高无触点电子元件完成，不存在触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题完备的计算机监视系统和故障诊断系统交流传动技术是一门综合了高科技含量的技术，其本质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。2功率大，牵引力大，机车可以发挥较高的输出功率电机运行效率高空间利用好，使机车功率得以进一步提高，再生制动时亦能输出较大的电功率转速高异步牵引电动机不存在换向问题，所以高速行车时电机的效率也就较高；同时，牵引电动机因无换向器，空间利用好，使机车功率得以进一步提高，再生制动时亦能输出较大的电功率。而串激直流电动机结构复杂，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，摩擦部分多，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。交流异步电动机转速可达4000/min以上，试验转速甚6000/min,这是直流电机望尘莫及的。3.粘着性能好具有很硬的机械特性，具有很强的恢复粘着的能力异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，粘着利用率高可实现各轴单独控制(1)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，与工作点的转速差一般也不会超出5%。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就变化很大。(2)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，使驱动系统既不会发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。(3)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，这样能充分利机车的粘着性能。在交直传动系统中，当某轴空转时，需要使其他所有轴的电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。由于上述特性和良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。1992年，美国铁路协会(AAR)在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数为45%,全天候牵引粘着系数为32%。如此高的粘着系数，得益于交流机传动机车良好的粘着控制性能，这对于交直流传动系统是不可能达到4.简化了机车主电路异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过机车控制电路就能实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两个位置转换开关可以省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。5.动力性能和制动性能较好异步电动机结构紧凑、重量轻可在广阔的速度范围内实行电制动6.效率高，利用率高，使用灵活性强由于其可靠性、耐久性和易于维修，使交流传动机车的利用率显著提高交流传动机车有强的使用灵活性交流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。对E120型流传动机车的长期应用对比中发现，客运作业时可节能3%~6%,货运作业时可节能8%10%。由于其可靠性、耐久性和易于维修，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10%。对铁路运营管理部门来说，在计算机车数量时，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三、交流传动技术的发展德国1971年，德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型交流传动内燃机车，功率为1840kW,从此开始了现代交流机车的时代。1987年，世界上出现了第一台应用GTO元件的交流机车—3200kW的Re4/4型机车，应用GTO元件的交流机车称为第二代交流传动机车。DE2500型Re4/4型（瑞士）内燃机车试验1971年，西德亨舍尔公司和瑞士BBC公司成功研制了世界上第一台交流传动机车，采用了三相异步交流牵引电动机和晶闸管电压型逆变器，机车轴式Co-Co。在试验中交流传动机车显示出起动牵引能力大、粘着利用好、维护方便等特点，其优越的牵引性能很快获得了铁路运输部门认可。1974年9月底，DE2500型机车在杜伊斯堡—汉堡铁路进行了重载牵引和起动试验，为了增加列车起动时的困难，试验人员预先在机车前面约三米长的钢轨上涂油；DE2500型机车在不借助于撒砂的情况下成功起动3500吨重载货车，并在0～25公里/小时的速度范围内运行，在粘着极限上运行时列车平衡速度达到10公里/小时。1973年，亨舍尔公司又生产了两台DE2500型机车。三台机车均在1970年代交付德国联邦铁路，配属机务段投入运用；三台机车在德国联邦铁路机务系统内被定型为202型，车号分别为202002-2（白色涂装）、202003-0（橙色涂装）、202004-8（蓝色涂装）。电力机车试验1976年，由一台DE2500型机车（202002）加挂一节装有主变压器、受电弓、四象限脉冲变流器等设备的控制车（SteuerwagenBDnrf），组成电力机车试验车组，对采用四象限变流器供电的电力机车的电气性能加以研究，试验结果证明交流传动系统在15千伏16⅔赫兹的低频单相交流电气化铁路上运作良好，并没有对电网产生不良反应。

此后，这台机车又被改造为适用于供电制式为1500伏直流电气化铁路的电力机车，并交付荷兰铁路（NS）试验运用，这台机车在荷兰铁路系统内被定型为1600P型电力机车，并改成荷兰铁路统一的黄色涂装。机车经过大范围改造，将柴油发电机组拆除并代之以主变压器、四象限脉冲变流器和压载配重，并加装了受电弓。荷兰铁路对这种电力机车的表现十分满意，但出于生产价格和交货时间的考虑，荷兰最终并没有采购DE2500型机车，反而选择引进法国阿尔斯通公司的BB7200型电力机车。高速试验机车为了发展高速客运，德国联邦技术部于1979年8月批准研制驱动质量可控转换的“UmAn”（UmkoppelbarerAntriebsmasse）高速转向架，并装用于一台DE2500型机车（202003）进行高速试验，构造速度达到250公里/小时，机车其中一端车头并被改造为流线型头型，以减少机车高速试验时的运行阻力。“UmAn”转向架继承了德国铁路120型电力机车转向架的BBC轮对空心轴驱动、一体化驱动制动单元、半体悬式全悬挂、磨耗形踏面、高挠圆簧加抗蛇行减振器二系悬挂等技术。德国通过在DE2500型机车上进行的大量研究试验，获得了高速转向架的大量经验和数据，并为以后的“城际特快列车”（ICE）奠定了基础，于1985年研制成功的“试验型城际特快列车”（ICE-V），其动力车即基本沿用了DE2500高速试验机车的“UmAn”转向架结构。美国从20世纪80年代中期开始，美国GM公司便与德国西门子公司合作，共同开发新交流传动大功率内燃机车。目前，GM公司和GE公司的大功率交流传动内燃机车的订货总数估计已超过3000台。GM公司和西门子公司合作，1998年开始向印度提供30台4000马力(英制)的GT46MAC型交流传动内燃机车，同时对印度作技术转让，使印度DLW工厂也能生产这种机车。GT46MAC型1993年，美国柏灵顿北方圣菲铁路(BNSF)一次就向GM公司订购350台4000马力(英制)的SD7OMAC型交流传动内燃机车，随后该公司的订货量加到55台。中国我国交流传动技术的研究始于20世纪70年代初，我国发展交流传动，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。20世纪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1000W的电力牵引交流传动系统获得成功。2004年以来，我们与日本、德国、法国等合作，引进了世界一流大功率交流传动数和动车组技术AC4000HXD3CRH2中国1999年9月8日，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DF4DAC型交流传动内燃机车落成。2002年，我国又推出了DF8CJ型机车，它是交流传动重载货运内燃机车2008年，和谐内3，和谐内5型大功率内燃机车正式下线捷力DF8CJ型和谐内5型四、车载交流传动系统的应用特点车载交流传动系统牵引/制动特性轮轨关系弓网关系功率流密度电磁兼容性要求高环境条件采用先进电机控制策略，在实现对电机的牵引制动特性准确控制的同时，可以得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能采用自适应粘着控制策略，采用线丝理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现了最佳粘着利用通过高速硬件平台快速采集网侧电量信号快速地对控制参数进行及时调整，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用由IGBT器件组成的单模块容量1600kV·A在7200kW交流传动电力机车上大批量应用接地抗干扰技术、屏蔽抗干扰技术、磁场屏蔽技术等来改善牵引系统本身的电磁兼容性，以提高抗外部干扰的能力振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨轨道牵引传动设备的现场应用环境条件非常恶劣：振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以机车为例，变流控制装置通常在夏天要承受60C左右的环境温度，冬天要承受-40C的低温，这对电子产品的耐受性、可靠性提出了更高要求，同时，还要考虑盐雾、湿热、振动、沙尘等工作环境，从而提高了对控制系统的设计要求贰变流技术与变流器产品一、电传动系统的性能最佳匹配技术性能最佳匹配技术系统方面器件方面电传动系统的性能最佳匹配技术功率器件性能最优利用技术系统仿真平台技术器件开发及其应用技术冷却技术低感母排技术a.电传动系统的性能最佳匹配技术受轨道牵引车辆轴重的限制，在满足车辆动力性能的前提下，要求牵引变流器与异步引电动机的最佳匹配和适度的主电路网侧电参数，以实现系统的性能最佳、重量最轻和经济性。我国在实际工程应用中，采取配合牵引电制动特性选择适当的齿轮传动比，使电机既能在牵引的最高转速处具有一定的转矩过载倍数，又能发挥高速的峰值功率，同时使起动电流和峰值电流在变流器的允许值范围之内；根据所要求的旅行速度，由典型区段计算出的等效电流及电动机的发热温升来确定电机的额定功率等；高压电器的选型和主要参数则要考虑高压电气性能、可靠性、所承受的供电网的过电压并根据主电路典型电流曲线等选取，同时利用系统仿真手段，进行电传动系统的最优匹配设计。b.功率器件性能最优利用技术在高压大功率牵引传动系统中，器件本身非常昂贵，同时受器件本身的性能参数、安装空间和体积重量的限制，设计余量选择往往会决定最终性价比。通常设计余量都尽可能取得较低，这必须不断追求功率器件性能的最优利用以保持产品的持续竞争力。与此同时，高压大功率变流器开关频率低，变流器承受的尖峰电流和过电压都很高，功率器件的性能最优利用技术门槛非常高经过长期的技术经验积累，我国已掌握了高性能的异步电机直接转矩控制策略，可以充分利用开关频率，获得更低的尖峰电流及过电压指标；采取功率因数闭环控制和瞬态电流控制的四象限控制策略，可以在各种不同负载下获得接近1的高功率因数指标。这两种技术均可以使功率器件在同样的峰值电流下输出更大的基波电流，从而在同样的保护参数下的性能可以得到更充分的利用；同时，成熟的器件分级保护系统，特别是纳秒级检测、微秒级响应动作的硬件保护电路，可以确保功率器件在最优利用时的安全性和可靠性c.系统仿真平台技术仿真技术可以保证系统性能，降低设计风险，提升设计能力，推进创新，缩短系统及部件开发周期，快速响应市场需求，提升关键部件开发和系统研究与集成能力。经过近十年的努力，我国先后建立了多个仿真平台：①牵引计算仿真平台，可以验证列车整个牵引电气系统的性能；②系统主电路仿真计算平台，可以验证主电路原理并确定部件的电气参数；③半实物实时仿真平台，包括硬件在环回路(HIL)和快速控制原型(RCP)半实物实时仿真平台，可验证各种控制策略和控制算法；④热仿真和结构仿真平台，可辅助热设计及机械结构设计。a.器件开发及其应用技术新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。随着每一代新型电力电子器件的诞生，变流技术往往都会掀起一场革命浪潮，从晶闸管到GTO,再到如今的IGBT、IGCT,都是一代器件决定一代装置。电力电子器件已经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。经过四十多年的努力，我国已攻克了金刚石台面工艺、离子注入工艺、全压接工艺等关键技术，成为国际上为数不多的具备普通器件、IGCT、IGBT完整产品链的大功率半导体器件供应商，产品最大规格达到6英寸(6×254mm),最高电压达到8500V。成功开发出4500V/4000AIGCT器件，成为全球第二个掌握该器件技术的国家(1)电力电子器件的串并联技术。随着现代电力电子变流技术的飞速发展，实际工程应用中对变流装置高压、大功率的需求越来越迫切，而电力电子器件的串并联技术是当前变流装置实现高压、大功率的最关键技术。但是，串并联将导致元件间电压、电流的静态与动态均匀分布问题。以高压直流输电变流器为例，上百个的开关器件串联后并入高压电网，必须保证器件触发的高度同步，否则微秒级的差异就会带来灾难性的后果。可靠的同步触发技术优良的吸收回路是解决该问题的关键。通过长期对高压大功率变流装置的研发，我国采用独特的吸收回路设计，高同步脉冲触发技术，攻克了器件串并联应用中的均压、均流技术。在晶闸管串并联应用技术方面，研制成功135MW晶闸管整流大功率电源，最大空载输出电压达到44000V,稳定功率为135MW。(2)电力电子器件驱动技术。电力电子器件应用中的驱动和保护是一项关键技术。先进的驱动控制技术可以有效减小电力电子器件的导通压降、开关损耗以及提高短路电流所带来的应力，更重要的是降低电力电子器件开关时的过电压，防止潜在振荡，减小噪声干扰，保护器件正常工作。经过长期的研究，我国掌握了各种电压等级的晶闸管、IGBT、IGCT驱动技术。前期掌握的电信号通过隔离变压器驱动技术，随着电压等级的提高，常出现在变压器隔离后导致脉冲陡度不够，不能可靠触发驱动器件动作，同时也暴露出电信号通过隔离变压器方式的抗扰能力差等问题，通过技术攻关，我国成熟掌握了光触发技术，解决了高压大功率可靠驱动的难题。b.冷却技术随着变流技术的不断发展，变流装置的体积趋于紧凑化，但系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。变流装置的紧凑化和集成化要求冷却装置具有紧凑性、可靠性、高散热效率、维护简便等特点。在小功率变流应用场合，如电动汽车、辅助变流器等，可采用风冷技术；在中功率变流应用场合，如城市地铁轨道车辆等，采用热管散热冷却技术；在大功率变流应用场合，如干线电力机车等，采用水冷却方式。通过长期的技术研究，我国已掌握了冷却技术的仿真计算技术散热器热阻、流阻设计及试验技术，自主研制的热管散热器已批量应用于地铁项目，水冷散热器和嵌片散热器已批量应用于7200kW电力机车。c.低感母排技术低感母排是一种多层复合结构连接排。与传统导线连接方法相比，低感母排可以大大降低线路的杂散电感，降低开关器件的过电压，使器件工作于更加安全的区域，并提供现代的、易于二次设计、安装快速和结构清晰的配电系统。通过长期的技术研究，我国已掌握低感母排的高低温极限条件材料技术、高性能绝缘薄膜介电技术、柔性连接技术、压合技术及灌封技术。二、控制技术关键技术传动控制技术绿色节能减排控制技术转差电流控制技术矢量控制技术直接转矩控制技术四象限脉冲整流技术软开关技术PWM控制技术变流控制产品DCU三、信息技术与列车通信网络控制关键技术列车网络控制技术列车运行控制技术四、新一代传动控制技术功率器件采用碳化硅列车无线传输永磁驱动及控制无速度传感器控制基于自适应控制的电机参数自辨识技术功率模块的集成化碳化硅(SiC)是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性，可极大地提高电力电子变换器的效率。可以使原件体积减少到原来的5%-20具有耐高压(达数万伏)、耐高温(大于500°C)的特性，被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一现代高速列车通过车地信息网络来达到安全运行的要求。随着无线技术的日益发展，无线技术的应用越来越被各行各业所接受。通过采用先进的无线局域网(L