模块6 电力机车及EMU交流传动系统分析《列车电力传动与控制》教学课件

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电力机车及EMU交流传动系统分析第6章电力机车及EMU交流传动系统分析

6.1交流传动发展现状6.2“和谐”系列电力机车交流传动系统分析6.3CRH系列EMU交流传动系统分析2024/8/2246.1交流传动发展现状20世纪70年代初，交流传动技术在DE2500型内燃机车上应用获得成功，经过了近十年的发展完善，于20世纪80年代初开始应用于电力机车，并得到了快速发展。随着大功率变流技术的发展、控制理论和微机控制技术的完善以及变频器技术的不断成熟，交流传动技术取得了突破性的进展，轨道列车电力传动系统进入了交流传动时代。目前已有众多型号的交流传动电力机车、高速电动车组和交流传动内燃机车广泛应用于铁路牵引，交-直-交流传动技术已成为轨道列车电力传动系统发展的主体，引领着电力传动列车发展潮流。发达国家在上世纪90年代初就已完成了直流传动向交流传动系统的过渡与跨越，轨道列车牵引全面采用交流传动2024/8/225技术，取得了可喜的业绩。西门子、庞巴迪、阿尔斯通、GE等公司相继开发了大量的干线交流传动机车和电动车组，日本在1990年开始也陆续研制成功了交-直-交电力机车和新干线300、500、700、800系及E1、E2、E3、E4、E5系列的交-直-交高速电动车组。已投入商业运行的交流传动电力机车和电动车组充分展现了交流牵引传动优越的技术经济指标，具有良好的牵引性能，电网功率因数高，功率大、运行可靠，动态性能和粘着利用好。交流传动技术正在轨道列车牵引传动领域发挥着重要作用。6.1.1交流传动电力机车技术的发展早在上个世纪70年代交流传动技术开始应用于交通运输系统以来，传动技术和工艺技术的不断进步，新材料的不断应用，就电力机车而言，当今国际机车制造行业形成了以Siemens、Alstom、Bomdardier

和东芝公司为代表的机车制造巨头，陆续开发出当代最先进的交流传动电力机车。交流传动具有很多直流传动无法比拟优点，决定了交流传动电力机车最终将取代直流传动电力机车，交流传动电力机车已成为现代铁路运输业的主要动力型式。Siemens公司189系列、Alstom公司Prima系列、Bomdardier公司的TRAXX系列电力机车代表了当代交流传动电力机车的最高水平。具有代表性的交流传动电力机车基本性能参数，如表6-1所示。典型交流传动电力机车基本性能参数表6-1制造公司SiemensAlstomBombardier东芝技术平台Eurosprinter36000PrimaTRAXX机车型号1016EG310018943600042700101185EH500用户奥地利丹麦德国法国法国德国德国日本首付日期199919982003198920011997轴列式B0-B0C0-C0B0-B0B0-B0B0-B0B0-B0B0-B02(B0-B0)轴重t21.52221.522.522.5222216.8机车功率64006600640060004200640056004000单轴功率1600110016001500105016001400500最高速度km/h230140140（货）230（客）220140220140110额定牵引力kN250400270（货）250（客）252250变流元件GTOGTOIGBTGTOIGBTGTOGTOIGBT冷却方式水冷水冷水冷水冷水冷水冷树脂油风冷微机系统SIBASSIBASSIBASAGATEAGATEMITRACMITRAC电机悬挂空心轴抱轴式抱轴式(货)空心轴(客)架悬式抱轴式空心轴抱轴式抱轴式2024/8/2281.先进电力机车的技术特征现代电力机车经历了开发期、发展期和成熟期，在研发平台、变流器件、模块化程度、网络控制系统、冷却方式等方面都有了很大进展，已经发展到了第三代，主要体现在：各知名公司很重视开发平台的建设,都已形成了各具特色的技术平台。Siemens有Eurosprinter平台，Alstom有Prima平台，Bombardier有TRAXX平台。各公司已完成第二代交流传动机车(GTO)至第三代交流传动机车(IGBT)的转变。IGBT与GTO相比，具有控制方便，换流损耗小，供货来源广，价格便宜等特点，目前交流传动电力机车将以IGBT变流器为主流。在微机控制与通信系统方面，Siemens有SIBAS系统，Alstom有AGATE系统，Bombardier有MITRAC系统，它们都在自己2024/8/229的平台上进行不断地完善与发展。交流传动电力机车的模块化程度相当高，除变流器和微机控制系统已充分实现了模块化外，其他部件也在尽力实施模块化、通用化和系列化，例如189型电力机车可通过更换转向架实现客货机车的通用。大功率变流机组的冷却方式采用了高效且符合环保的水冷方式。欧洲机车网络通讯控制，均采用了符合IEC61375标准的TCN系统。速度在200km/h以上的高速客运电力机车转向架，充分借鉴了动力集中式高速电动车组转向架的成功经验，如德国ICE(Siemens)，TGV(Alstom)。在机械传动方面，考虑到高速牵2024/8/2210引电动机轴承的寿命，电动机与齿轮箱实现一体化设计，取消电动机传动端的端盖与轴承。

2.“和谐”系列电力机车基本技术特征随着铁路跨越式发展，在“引进、吸收消化、再创新”的技术政策指导下，以市场换技术，株洲、大连和大同机车公司积极与国外电力机车主要制造商合作，引进技术，已签署了多份技术合作引进合同。铁道部经过三轮招标，现与株洲、大连和大同机车公司签订了交流传动干线货运电力机车采购合同，共计2800台(组)，各合同正在进入实施阶段，预计在2011年底全部交付铁道部相关铁路局。通过合作、技术引进，对于铁路牵引动力制造业是一次难得的发展机遇，也是一次变革。这次引进选择国外同期先进成2024/8/2211熟的车型作为原型车，所有引进机车均采用先进的交流传动技术、网络控制技术。这对于提升我国铁路运输装备技术水平具有积极意义，为自主研发提供技术参考，也决定了我国铁路牵引动力必然是要走交流传动之路。

此次合作引进的大功率干线电力机车的轴式为2(B0-B0)和C0-C0，轴功率为1200kW和1600kW两种，机车功率为9600、7200kW，最高运行速度为120km/h，供电制式为单相AC25kV、50Hz。“和谐”系列电力机车基本性能参数如表6-2所示。

2024/8/22122005年，株洲电力机车公司与西门子合作、大同机车公司与阿尔斯通合作，与铁道部各签署了180台8轴机车的订单，现被命名为HXD1/2（曾用名DJ4）；大连机车公司与东芝公司合作，与铁道部各签署了240台6轴机车的订单，被命名为“HXD3”(曾用名DJ3/SL1)。这批电力机车单轴功率1200kW，最高运行速度120km/h，全部采用交流传动、网络控制等先进技术。2007年，大连机车公司与庞巴迪公司合作、大同机车公司与阿尔斯通公司再次联手，从铁道部各拿到了500台6轴大功率干线货运电力机车的订单。铁道部与株洲电力机车公司签署了1200台六轴交流传动电力机车的采购协议，并当场签订了500台电力机车的采购合同。这批机车轴功率均为1600kW，最高运行速度为120km/h，全部采用交流传动、网络控制等先进技术。大同机车公司与阿尔斯通公司合作的这批机车，是在第一轮4轴机车合作基础上的改进型。

型号HXD1HXD1BHXD2HXD2BHXD3HXD3B合作公司西门子-株洲西门子-株洲阿尔斯通-大同阿尔斯通-大同东芝-大连庞巴迪-大连技术平台EurosprinterPrimaPrimaTRAXX机车功率kW9600960010000960072009600轴列式2(B0-B0)C0-C02(B0-B0)C0-C0C0-C0C0-C0轴重t23/252523/252523/2525轴功率kW120016001250160012001600主变压器kVA2×52802×5800900611622控制方式架控轴控轴控轴控轴控最大起动牵引力kN760760520/570570持续牵引力kN494/532514/554370/400506持续速度km/h70/6570/6570/6570/6568.2最高运行速度km/h120120120120120120电气制动方式再生制动再生制动再生制动再生制动再生制动再生制动电制动功率kW960096001000072009600最大电制动力kN461514370/400480最大电制范围km/h5~755~76.6/70.615~65/755~72电制恒功范围km/h75~12076.6/70.6~12070/65~12072~120功率因数≥0.97≥0.97≥0.98≥0.98≥0.98≥0.98“和谐”系列电力机车基本性能参数表6-2型号HXD1HXD1BHXD2HXD2BHXD3HXD3B合作公司西门子-株洲西门子-株洲阿尔斯通-大同阿尔斯通-大同东芝-大连庞巴迪-大连变流器(集成)变流元件IGBT-3300VIGBT-3300VIGBT-3300VIGBT-3300VIGBT-4500VIGBT-4500V输入电压AC970VAC950VAC1450V中间电压DC1800VDC1800VDC1800~2100VDC1800~2100VDC2800VDC2800VL2-C2有有有有无有输出电压0~2027V0~1391V0~2150V输出频率0~116Hz0~220Hz0~120Hz开关频率250Hz800Hz450Hz效率0.980.980.98辅助变流CVCF/VVVFCVCF/VVVFCVCF/VVVFCVCF/VVVFCVCF/VVVFCVCF/VVVF冷却方式水冷水冷水冷水冷水+乙二醇水+乙二醇网络控制系统SIBAS32-TCNSIBAS32-TCNAGATE3WORLDFIPTCMSMITRAC-TCN机车控制恒力恒速定速恒力恒速定速恒力恒速定速恒力恒速定速恒力准恒速恒力准恒速续表6--2

通过对先进的交流传动电力机车与“和谐”系列电力机车总体性能分析，不难发现：采用交流传动控制、微机网络控制和现代转向架技术已成为基本配置，是衡量现代电力机车主要技术标志。交流传动控制系统基本采用四象限变流器与异步牵引电动机的组合，变流器由网侧两电平的脉冲整流器、电压型直流中间环节与负载侧两电平电压型逆变器组成，辅助变流器集2024/8/2215成在主变流器上，冷却方式一般为水冷，变流开关元件采用IGBT，一般选用3300V、1200A或4500V、900A系列。控制系统采用基于TCN网络标准结构形式，通过MVB车辆总线连接车上各相关设备，重联机车之间采用WTB列车总线联结，机车的牵引控制系统采用分布式网络控制，由多微机组成，包括列车控制级、机车控制级和驱动控制级，还包括CCB-Ⅱ制动系统的微机网络控制系统及行车安全装置的微机网络控制系统。牵引电动机轴功率基本为1200～1600kW，一般采用轴控方式，当整台机车各轴的轮径差、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。电气制动采用再生制动，将制动能量通过变流器的变换回送到接触网上去。2024/8/22166.1.2交流传动电动车组技术的发展1964年10月1日，日本东海岸新干线的开通运营，在世界铁路运输史上写下了光辉的一页，开创了高速铁路的新纪元。随着高速列车投入运行，其安全、快捷、舒适、节能、环保等优点等到充分的体现，使曾一度被贬为“夕阳产业”的铁路运输业由此得以重生。经过四十余年的不懈努力，高速铁路在运输领域激烈的竞争中获得了应有的地位。动车组技术随着科学技术的进步，发生了巨大变化，在交流传动、网络控制、诊断技术及动力学等方面有了重大突破，在新工艺、新材料和信息技术的应用方面也已取得了骄人的业绩，相继产生了各种类型的动车组，满足了日益增长的客运需求。动车组是城际、市郊铁路实现小编组、高密度运输的高效2024/8/2217运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全可靠、舒适为特点，备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。目前，各国大城市近郊客运基本上都倾向于采用动车组，向着地面铁路与地下铁道相结合，互相过轨，向统一的高速铁路发展。动车使用比重日本最大，占87%，荷兰、英国次之，分别占83%和61%。法国、德国分别占22%和12%。目前已开行200km/h以上高速列车的国家和地区有日本、法国、德国、英国、意大利、西班牙、芬兰、瑞典、美国、俄罗斯、韩国、中国和台湾地区。积极建设或规划高速铁路的国家有瑞士、奥地利、比利时、荷兰、丹麦、加拿大、澳大利亚、阿根廷、沙特阿拉伯、巴西、印度和越南（越南国会已于2010年6月19日否决了高铁计划，主要是因为成本与收益问题）。截至目前，世界上已2024/8/2218新建高速铁路已经超过7000km，我国正在规划建设的高速铁路约有18000km。2008年初，阿根廷已授权阿尔斯通公司在拉丁美洲铺设第一条新型高速铁路轨道，这一线路建成后，从布宜诺斯艾利斯到科尔多瓦的行程将由现在的14个小时缩短到3个小时。沙特阿拉伯也开始了圣地麦加途经吉达至麦地那的高速铁路招标项目。至今已掌握了300km/h及以上高速动车组制造技术的国家只有日本、法国、德国、韩国、中国等少数几个国家。在高速动车组领域，真正掌握原创技术的国家只有日本、法国和德国，其水平代表着世界高速列车发展的技术水准，已形成了三种不同的技术平台。其他已开行或正在建设即将开通高速列车的国家和地区，其所采用的技术不外乎是这些技术平台的引进2024/8/2219和改良。我国正在引进消化的基础上，吸收先进技术平台之优点，构建自主创新的高速动车组研发平台。动车组传动系统作为列车牵引传动系统的一个重要组成部分，自诞生至今，经历了交-直流传动和交-直-交流传动两个阶段，交-直-交流传动已成为主流传动方式。随着电力电子技术、控制策略及控制手段的不断进步，已发展到了以IGBT元件为基础、以矢量控制或直接转矩控制为代表的新一代传动系统。以IGBT为基础的集成智能化元件正在快速发展中，变流元件的升级换代，直接导致了变流技术的变革，变流器正朝着集成化、紧凑化方向发展。在动力配置方面，一直存在着动力分散、动力集中两种模式。速度200km/h等级的动车组，动力集中模式可以成为主要客运动力模式之一。速度2024/8/2220在250～300km/h之间，两种模式均可应用，在速度300km/h及以上动力分散模式明显优于动力集中模式，有着独特的优越性。

1.交流传动在高速动车组中的应用交流传动系统在新干线、TGV、ICE、G7、CRH等列车中得到了广泛应用，创造了许多骄人的业绩。2007年4月3日，法国第二代高速动车组TGV-Est试验列车V150最高运行速度达到了574.8km/h，创造了新的轮轨列车试验时速纪录，该纪录速度相当于短程货运螺旋桨飞机的速度。2009年12月，我国武广客运专线开通，CRH3型动车组最高运行速度达到了394.2km/h，创造了世界上最高运营速度记录。（1）新干线列车交流传动系统发展2024/8/2221新干线动车组从300系开始均采用交流传动，主要有300系、500系、700系、800系以及E1～E5/E6，最高运营速度基本在285km/h左右。其中E5/E6于2009年12月开始试验运行，最高运行速度为320km/h，是不久将来日本新干线运行速度最高的列车，已预订了59列，预计2011年将以疾风号班次行驶于东北新干线的东京至新青森之间。1992年3月，300系动车组开始在日本首次投入营业运行。300系动车组编组10M6T，最高速度达到270km/h。供电电流制式采用AC25kV/60Hz。变流器元件采用GTO器件，逆变器首次采用VVVF模式控制，三相异步电动机功率为300kW，轴重11.3吨，车体采取轻量化结构与降低车外噪音的措施后，该车型成为高性能新干线车辆的基础。2024/8/2222

500系为16辆全动车编组，最高时速300km/h。供电电流制式为AC25kV/60Hz，变流器元件采用GTO器件。1997年3月起，500系投入商业运营，是新干线运行速度最高的列车，运行线路仅100km。为了降低冲入隧道时出现的微气压波，500系采用了长达15m的长车鼻、使用蜂窝板的近圆形车体结构构造、逆T型的低噪音翼型受电弓、半主动式振动控制装置等大量的新技术。700系是JR东海公司作为300系的后继车开发的，编组为12M4T，最高时速285km/h。供电制式为交流25kV/60Hz。变流器元件采用IGBT元器件，取代了以往的GTO元件。总功率13200千瓦的功率。700系列内部宽敞舒适，是一款“豪华”车。700系车体材料采用大型中空铝合金挤压型材，型材中空内部2024/8/2223填充着吸音、防震的复合材料，实现了客舱降噪。700T、N700均为700系的派生车型，700T现在台湾高速铁路系统运营。N700头车更修长，为JR东海道与JR西日本共同开发的第五代的新干线列车。预计运行速度为300km/h，并加入倾斜列车(摆式列车)的设计。800系为6辆全动车编组，由2个对称的动力单元组成。供电方式为AC25kV/60Hz，最高速度为260km/h。牵引电动机功率与700系相同(275kW)。新干线交流传动EMU基本性能如表6-3所示。500系300系700系300系500系700系800系编组形式5(M+Tp+M’)+Tc4(M’+M1+Mp+M2)4(M1+M’+M2+T)2(M+M+M)最高速度km/h270300285260列车功率kW1200018240132006600单轴功率kW300285275275客座数(人)132311241323392主电路形式VVVFGTOVVVFGTOVVVFIGBTVVVFIPM电制动再生+涡流再生再生+涡流再生+涡流主要特征交流传动雏形车最高运营速度新型集成器件2+2座椅投入年代1992199720002004新干线交流传动EMU800系800系800系基本参数编组3M+3M最高速度260km/h列车功率6600kW单轴功率275kW主电路IGBT/VVVF客座392人2024/8/2226E1系动车组是新干线第一款双层列车，使用于上越新干线，供电制式为AC25kV/50Hz。列车为12辆编组，3(2M+2T)，最高运行速度为240km/h。

E2系动车组行驶于东北新干线及长野新干线。E2系1000是东北新干线专用车辆，供电制式为AC25kV/50Hz专用。由于采用了低噪音型受电弓，废除了受电弓罩，还采用了大窗户，在外观上与E2系有较大的变动。E2系1000为10辆编组，8M2T，定员814人。2001年投产，只生产了15列。E2-1000是CRH2的原型车。

E3系为6辆编组，4M2T，车体采用轻量化铝合金构造。E4系采用8辆编组，变流器元件采用IGBT器件，每一台转向架都是独立的系统。E5系动车组是一款10辆编组的新干线列车，由JR东日本使用。设计最高速度为360km/h，最高运行速度320km/h。预计2010年将会有三列车投入至东北新干线试运营，大宫-宇都宫区间营运时速275km/h,宇都宫-盛冈区间营运时速300km/h，每天以疾风号班次行驶往返2~3次。预计2012年末，宇都宫-盛冈区间营运速度可达320km/h。E5系列车全长250m，头车长27000mm，普通级列车座位距离由980mm加宽至1040mm，总载客人数731名。所有座席均设有阅读灯，列车设有空气净化机，LED显示器，一等车所有座席及普通等级列车的车窗位置均设有电源插座。每个车厢均装设闭路电视，加强安保。

由此可见，新干线列车供电制式主要采用AC25kV/60Hz，只在少数地区采用AC25kV/50Hz供电，变流器主要采用VVVF控制，变流元件主要采用GTO或IGBT元件。

附件2E5系动车组JR东日本在2000年制定了发展战略“ニューフロンティア21”，希望成为世界第一铁路系统为基础，以最高营运速度360km/h为目标。2002年公布“新干线高速化推进项目”。随即开发“Fastech360”新干线试验车辆，在2005年开始实地试验。考虑成本、环境影响因素，确定E5系新型列车运营速度为320km/h。E5系已预定59列。第一列车为S11编成，在兵库县制造，2009年5月24日运抵仙台港，于2009年6月15日开始在东北新干线上做更广泛的测试，同年底开始试验运行，最高运行速度为320km/h。

E5系车辆的外观设计主要来源于试验车辆Fastech360S,总体色调为上半绿，下半白，中间以“疾风”粉色线条分割。10号车厢将被命名为“SuperGreenCar”（临时），设有18个以2＋1方式布局的可电力调整的座椅，座椅间距比绿色车厢（一等车厢）1160mm更宽，达到1300mm。而列车仍有一个绿色车厢，设于9号车厢。

主要技术参数已预定10列590辆编组方式10辆编组（8M2T）营运最高速度320km/h设计最高速度360km/h

载客量共731人、GreenCar55人、SuperGreenCar18人

全长250m头车27000mm轨距1435mm

供电方式单相25kV50Hz保安装置S-ATC

制造年份2009年编组3(T+M+M’+T）最高速度240km/h列车功率

9840kW单轴功率

410kW客座1133（人）主电路VVVFGTO电制动再生特征全双层投入年代1994年E1系编组Tc+3(M+M’）+Tc最高速度275km/h列车功率

7200kW单轴功率

300kW客座579（人）主电路VVVFGTO电制动再生特征双流制大坡道投入年代1998年E2系编组2(T+M+M’+T）最高速度240km/h列车功率

6720kW单轴功率

420kW客座817(重联1634)主电路VVVFIGBT电制动再生特征全双层大载客投入年代1998年E4系编组4M+T/4M+2T最高速度275km/h列车功率

4800kW单轴功率

300kW客座（人）主电路VVVFIGBT电制动再生特征全双层投入年代1995年E3系编组8M2T最高速度320km/h列车功率

kW单轴功率kW客座731主电路VVVFIGBT电制动再生特征绿色环保投入年代2011年E5系2024/8/2230

（2）法国TGV列车交流传动系统发展法国高速铁路网供电制式采用DC1500V、AC25kV/50Hz。300km/h的新建高速铁路总长1540公里，法国境内的加来至马赛区段是世界上超过1000公里的高速铁路运营线路之一。法国TGV列车经历了交-直流传动、交-直-交流传动阶段。从第二代TGV开始采用交-直-交流传动，牵引电动机采用了交流同步牵引电动机和异步牵引电动机。TGV技术具有连续性，铰接式车体连接是最明显的技术特征。TGV一直坚持动力集中配置模式，但从第三代开始采用动力分散模式，最高运行速度为360km/h，命名为AGV（AutomotriceGrandeVitesse）。1990年北大西洋线(280km)开通，TGV第二代高速列车TGV-A以最高速度300km/h运营，并于1990年5月创造了轮轨2024/8/2231交通世界最高试验速度纪录515.3km/h，这一纪录一直保持到2007年4月3日。2007年4月3日13点(法国时间)，北京时间晚上7点，TGVEst高速列车在巴黎东南部的一段经过特别加固的线路上，进行了一次测试运行。试验列车V150超高速列车由阿尔斯通公司制造。V150之意为该试验列车最低目标速度达到150m/s，即540km/h，对最高速度没有设置上限。试验列车从刚竣工的东线铁路(巴黎--斯特拉斯堡)264公里处起动，运行10分钟后，列车速度达到515.4km/h。行驶了73公里后，速度达到了574.8km/h，超过目标时速34.8km，创造了新的轮轨列车试验速度记录。该纪录速度相当于短程货运螺旋桨飞机的速度。

V150V150技术参数总功率25000HP(18400kW)试验网压31kV试验轮径1092(正常920)

2024/8/2233法国新一代320km/h的双层列车已经投入运营，将逐步在法国路网上普及。正在研制的下一代高速列车的时速为330~350km/h。列车防护设备有了新的改进，安装在新一代列车头车上的防护设备，可以吸收6MJ以上的能量。AGV列车在继承TGV传统技术的基础上，采用了动力分散模式，商业运行时速可达360km/h。车厢内创新的多单元设计让乘客有更多的空间。更加注重节能环保，采用许多新技术减少噪音污染，使用可重复利用的高级材料，采用再生制动将制动能量回馈到电网并循环利用，配备能够了减少列车能耗的永磁体同步牵引电动机（比目前列车耗能低15%）。假如换算成石油消耗量，AGV乘客的人均能源消耗仅相当于公共汽车的三分之一，小客车的八分之一，飞机的十五分之2024/8/2234一。AGV（自动高速列车）的设计灵感源于战斗机，在重要性和创新方面可以跟空中客车A380相比，是目前世界上速度最快、空间最宽敞、最环保的列车。2024/8/2235附件1：1000公里以上高速列车持续运行体验2001年5月26日，受法国国家铁路的邀请，上百名法国和外国记者登上法国TGV531高速列车，下午16：30准时从法国北部城市加来出发，服务员发给每人一个秒表和一份表格，让记者记下运行时间和速度。列车行驶7分钟后，已提速至330km/h，此后一直保持在300km/h左右。约过了1小时30分钟，列车已运行了533km,过了里昂，很快进入瓦朗司—马赛250km的新建线路，即地中海线后，时速一直保持在350km/h，最高时速达到366.6km/h。于当日20点以前安全驶进法国南部城市马赛的圣-夏尔车站，全程用时3小时29分47秒，完成了从北到南纵贯法国本土1067.2km的行程。平均旅行速度达到306.36km/h,从而创造了世界轨道列车1000km以上连续行驶和1000km行驶速度最快的两项纪录。此次创纪录运行的目的是试验持续高速运行。(记录在0912被CRH3在武广线打破）

该列车在技术上完美无缺，未出现变压器、牵引电动机、甚至减速齿轮过热现象，受电弓及转向架也未出现任何问题。阿尔斯通运输公司总裁MichelMoreau总结说：“这些列车可能已经运行了20年，此次纪录表明，TGV列车代表的不是过去，而是将来”。这两项新纪录的诞生又一次表明：法国高速铁路的技术正在日臻完善和成熟。TGV-PSETGV-ATGV-RTGV—PSETGV—A/TGV--R编组M+Tm+6T+Tm+MM+10/8T+M最高速度km/h270300列车功率kW68008800电动机功率kW1100客座（人）368485/377动车转向架64拖车转向架711/9主电路相控调压交流同步驱动(GTO)电制动电阻制动电阻制动特征雏形车高速、延伸机型投入年代19811988/1993TGV-EURO型号TGV—EUROTGV—PBKATGV—2NAGV编组M+Tm+16T+Tm+MM+8T+MM+8T+M6M+3T最高速度km/h300300360列车功率kW13200880088007920客座(人)794377545359动车转向架64412拖车转向架1899主电路交流异步驱动(GTO)交流同步驱动交流同步电制动再生制动电阻制动特征大编组、三流制小编组、国际联运双层、双流制、噪音小投入年代19931996.122006TGV-TMSTAGV法国AGVTGV-2N法国TGV的技术特征2024/8/2240

（3）德国ICE交流传动列车发展德国现代高速铁路于1982年7月开始动工兴建。德国现代高速列车一开始就采用交流异步电动机驱动，一直坚持动力集中配置模式，变流器元件经历了快速晶闸管、GTO和IGBT三个阶段，相应的动车组也相继发展到了三代。从ICE3开始，放弃了动力集中模式，采用动力分散模式。ICE1、ICE2采用15kV/16(2/3)Hz供电制式。ICE3供电制式分单流制和多流制，单流制主要在国内运营，最高速度达300km/h。多流制供电车型主要参与国际运输，在交流供电下最高运营速度为300km/h，直流供电下最高速度达220km/h。ICE3变流器元件采用了GTO和IGBT两种，早期车型采用GTO元件，改进、派生车型主要以IGBT元件为主。为西班牙生产的Velaro-E为8辆编组,4动4拖。设计时速350公里，运营时速350公里,代表了西门子最先进的动车组技术，也是国际上运营速度最高的动车组之一。CRH3型动车组就是以此车为原型车。ICE3ICE2ICE1型号ICE1ICE2ICE3编组M+12T+MM+6T+Tc2(Mc+Tp+M+T)最高速度km/h280280330列车功率kW960050008000单轴功率kW12001250500客座（人）669393404最大轴重t/编组长度m19.5/35819.5/205.417/200动力转向架428主电路交流异步电动机驱动电制动再生制动投入年代1991199620002024/8/2243（4）CRH系列动车组2004年以来，铁道部先后分别与BSP公司、四方客车、唐山客车、长春客车公司签订了动车组采购合同。这次中标方除BSP公司外，均由我国公司与外方公司联合，采取合作引进的方式，共同合作生产动车组，逐步提高国产化率。四方客车公司与川崎重工、唐山客车公司与西门子、长春客车公司与阿尔斯通公司合作。本次共引进了四种不同技术平台的动车组,均采用交流传动，变流器为四象限变流器，变流元件均采用IGBT元件，牵引电动机均为异步牵引电动机，控制采用WTB、MVB两级网络控制。由于各原型车技术平台不同,在技术特征上存在着一定的差异，这四种动组车在国内被分别命名为CRH1、CRH2、CRH3、2024/8/2244CRH5。CRH1、CRH2、CRH5最高运行速度均为200km/h，CRH3最高运行速度为350km/h。CRH1、CRH2、CRH5型动车组自2007年4月18日第六次大提速投入运营，已在一些繁忙干线及客运专线上开行了200km/h的动车组，缓解了客运压力。CRH3型动车组已于2008年8月1日在京津城际铁路投入运行，方便了京津两地的人员往来，2009年12月26日在武广客运专线上投入运营，将武汉-广州间旅行时间缩短到3小时左右，2010年7月1日在沪宁高铁再创“奇迹”。CRH系列动车组基本性能如表6-6所示。车型CRH1CRH2CRH3CRH5原型车ReginaE2-1000Velaro-ESM3编组型式8辆编组，可两编组连挂运行动力配置2×(2M+1T)+(1M+1T)4M+4T4M+4T(3M+1T)+(2M+2T)车种一等车、二等车、酒吧座车合造车定员(人)670610556622运营速度(km/h)200200300200试验速度(km/h)250250330250牵引功率(kW)5300480088005500车体型式不锈钢车体大型中空型材铝合金车体转向架H型无摇枕、转臂式定位、空气弹簧轴重(t)≤16≤14≤17≤17(动)/16(拖)受流电压制式AC25kV-50Hz牵引电机功率kW265300562550制动方式直通式电空制动+再生制动辅助供电制式3AC380V50HzDC110VDC100V、3AC400V单相AC100V/220V3AC440VDC110V3AC380V50HzDC24V列车网络控制车载分布式计算机网络系统CRH系列动车组基本性能表6-62024/8/22476.2“和谐”系列电力机车交流传动系统分析“和谐”系列电力机车已有六种车型，来自于四个不同技术平台，按照轴功率分为1200kW和1600kW两个类别，按照轴列式分为2（B0-B0）和C0-C0两种，机车功率为7200、9600kW。采用交流传动牵引系统、分布网络式控制，主变流器采用集成水冷IGBT机组。6.2.1HXD1、HXD2型电力机车交流传动系统HXD1型电力机车技术来自于西门子的Eurosprinter技术平台，HXD2型电力机车技术源自于阿尔斯通的Prima平台。HXD1、HXD2型为8轴双节机车，代表世界重载快速货运领域的先进水平。HXD1、HXD2型大功率电力机车采用交流传动牵引系统，主变流器采用水冷IGBT机组。HXD1、HXD2型2024/8/2248大功率电力机车是由两节完全相同的四轴电力机车通过内重联环节连接组成的八轴重载货运电力机车，采用分布网络式控制，总功率为9600kW，单节轴式为B0-B0，轴重为23t/25t（可调），可满足2万吨重载列车的牵引。每节车设有一个司机室，为一完整系统。1.HXD1、HXD2型电力机车变流器HXD1、HXD2型电力机车变流器采用集成结构，将主变流器和辅助变流器集成在一起。主变流器采用两电平变流器，变流元件采用额定电压为3300V的IGBT变流模块，中间直流电压为1800V，采用LC谐振电路消除2倍频谐波电流。（1）HXD1型电力机车变流器HXD1采用架控方式，每节机车有一套完整的电力传动系2024/8/2249统，该系统由一台主变压器、二套脉冲变流器组成。主变压器拥有一个原边绕组、四个副边牵引绕组和两个二次谐振电抗器。脉冲变流器由四象限斩波器(4QC)、独立的中间电压直流环节和脉宽调制逆变器组成。每台转向架上的二台三相感应电动机作为一组负载，由一个脉宽调制逆变器供电。两路中间直流环节相互独立，整车牵引力有75%的冗余，从而提高机车的可利用率。中间直流电路环节还连接有2倍频谐波吸收电路，过压保护电路、接地检测电路。采用再生制动时能量反馈回电网，达到节能的效果。四象限斩波器和脉宽调制逆变器采用SiemensAG、A&D生产的水冷IGBT模块，模块型号为SIBACBBSP1500WL，模块电压等级为3.3kV。四象限变流器与逆变器的IGBT模块允许互换。每节机车有1个变流HXD1机车主传动系统主要部件受电弓真空主断路器接地开关高压隔离开关避雷器高压连接器主变压器原边电压互感器原边电流互感器车顶穿墙套管主变流器牵引电动机2024/8/2252器柜，每柜含2个主变流单元（2组四象限整流器+1组主逆变器）和1个辅助逆变单元。HXD1型电力机车主变流器技术参数： 额定输入电压Ratedinputvoltage： 970V/50Hz额定输入电流Ratedinputcurrent： 1510A额定输入频率ratedinputfrequency：

50Hz中间电压Intermediatevoltage： DC1800V额定输出电压Ratedoutputvoltage： 3AC1285V额定输出电流Ratedoutputcurrent： 1260A最大输出电流Max.outputcurrent： 1628A效率efficiency： 98%控制电压controlvoltage： DC110V外形尺寸dimension：

3750mmx1060mmx2000mm(LxWxH)质量weight： 约approx3400kg每台机车使用数量quantityusedforeachlocomotive：

2主变流器元件模块技术参数：型号SIBACBBSP1500WL额定电压Ratedvoltage： 1800V额定电流Ratedcurrent： 2000A最大电流Max.current： 3800A使用温度operatingtemperature： -40°C

+50°C每台机车使用数量quantityusedforeachlocomotive:28制造厂商Manufacturer：

SiemensAG,A&D

HXD1采用中间直流环节供电，经辅助逆变器和辅助变压器变为3AC440V、60Hz，供给辅机使用。主变压器无单独的辅助绕组，辅助系统的PWM逆变电源集成在牵引逆变器中。辅助系统提供CVCF、VVVF两种三相交流电源，供给不同的负载。牵引电动机、牵引变流器、主变压器通风量根据实际需要自动调节，达到节能之目的。辅助电源输出电压等级为2024/8/2254三相交流 3AC440V60Hz三相交流 3AC80V～440V10～60Hz三相交流 3AC230V60Hz

单相交流

1AC230V60Hz为改善辅助电源品质，增加了辅助变压器及滤波环节。三相交流辅助供电采用冗余设计，两个辅助逆变器输出可进行转换。当一个辅助逆变器模块出现故障，另一个将承担所有负载。此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作。负载的重新配置重组将自动进行，并通过显示器通知司机。过分相区时辅助电源无间断，改善辅助电机工作条件、改善司乘环境。控制电源采用多模块组合电源，具有高冗余度。2024/8/2255（2）HXD2型电力机车变流器HXD2采用轴控方式，每节机车有四套相互独立的牵引变流器，每套电路驱动一根传动轴，实现机车的轴控方式。每套牵引变流电路由四象限整流器、中间直流电路、三相逆变电路组成。功率元件采用IGBT，水冷方式，通过FIP网络与控制电路交换信息。每节机车有2个变流器柜，每柜含2个主变流单元，辅助变流器含在主变流柜内。

HXD2型电力机车牵引变流器主要技术参数：功率元件IGBT(3300V/1200A)冷却方式水冷效率98％脉冲整流器技术参数额定输入电压AC900V额定输入电流1660A2024/8/2256额定输出电压DC1800V最大输出电压DC2100V中间直流电压DC1800V中间支撑电容3×3mF/2400V/480A二次滤波电容2×2.5mF/2700V/365A二次滤波电抗器0.507mh谐振电流680A(峰值电流962A)谐振频率100Hz逆变器技术参数输入电压DC1800V输出电压3相0～1390V(AC)

输出电流620A(基波)最大输出电流1900A

输出频率0～141Hz2024/8/2257HXD2辅助变流器采用2、3轴主变流器中间直流环节供电，提供DC1800V电源，通过降压斩波器将其变换为DC504V，经过滤波环节，由辅助逆变器变换为3AC380V，通过辅助变流电抗器滤波后供给辅机使用。每节机车具有两套辅助变流装置，其中一套为CVCF，主要为泵类负载供电；一套为VVVF，主要为风机类负载供电。每套辅助变流器包括降压斩波器、电压型逆变器、中间直流电路。两套辅助变流器具有冗余功能，当其中一套辅助变流器发生故障时，其负载可自动转至另一套辅助变流器上，机车仍能保持满功率正常运行。机车辅助电源为三相交流380V/50Hz，额定功率150kW，采用由IGBT元件组成的辅助逆变机组，机车控制电源为直流110V。辅助变流器技术参数：降压斩波器额定输入电压DC1800±5%额定输出电压DC540V功率元件IGBT1200A/3300V额定功率150kW三相交流(固定频率)输出AC380V±5％频率50Hz±2%额定容量135kVA峰值容量230kVA三相交流(可变频率)输出

AC190V±5％/25HzAC304V±5％/40HzAC380V±5％/50Hz额定容量135kVA充电机输出直流输出DC112.5V±1％(在25℃时)

逆变频率10kHz

额定功率14kW

效率90%(在额定条件下)

冷却方式带有空气滤清器的强迫风冷2024/8/22592.网络控制系统HXD1采用SIBAS微机网络控制系统，网络系统采用TCN列车总线结构，每节车内部采用MVB车辆总线，两节机车间采用WTB列车总线。HXD2采用PRIMAFIP微机网络控制系统。（1）HXD1型电力机车控制系统HXD1型电力机车控制系统是基于西门子铁路自动化系统SIBAS32和TCN列车通讯网络技术的成熟产品，每节车内由MVB总线把所有的SIBAS系统、分散动力设备(Locotrol)和制动控制单元(CCBII)连接在一起。制动系统的显示屏和制动控制单元由其内部的总线系统连接。整个系统集成了机车重要的开环/闭环控制及故障诊断功能，结构清晰，部件可靠耐用。2024/8/2260HXD1型电力机车控制系统由CCU、TCU、I/O、和MMI等几部分组成。CCU中央控制单元就是管理机车控制系统，车辆控制系统中更高级的控制与监控功能由CCU直接执行;TCU牵引控制单元负责电力牵引设备的开环－闭环控制，同时集成了对PWM辅助逆变器的控制。I/O离散式输入输出系统减少了车辆配线的数量，从而提高了机车控制与诊断系统的性能。对于不直接与MVB连接的设备和部件,它们发出的信号可以被离散地检测和控制；MMI列车司机的人机界面由一个显示器组成，该显示器是SIBAS控制与铁道车辆诊断设备的人机界面，为司机提供功能检测信息或机车故障信息，并提供可能的解决措施。HXD1型电力机车控制系统拓扑结构如图6-2所示。

CCUTCU2024/8/2263HXD1型电力机车控制系统能够对机车各部分进行控制，可完成如下控制功能：具有恒力矩、恒速和定速控制功能；机车重联控制；主断路器自动闭合功能，实现两节机车控制系统互相转换功能；空转、滑行保护,粘着利用控制；轴重转移补偿控制；牵引电机在牵引和制动条件下的最大电流限制控制；机车运行参数显示和记忆功能；机车故障检测、故障诊断、故障处理提示的显示和记忆功能，微机转储功能；自动过电分相控制。2024/8/2264（2）HXD2型电力机车控制系统HXD2型电力机车采用PRIMAFIP微机网络控制系统，网络控制结构如图6-3所示。控制系统由主处理单元MPU、远程输入/输出单元RIOM、显示单元DDU、牵引控制单元TCU、制动控制单元BCU、LOCOTROL系统等组成，FIP车辆网具有如下功能为RIOM、DDU、BCU、ACU、TCU装置设定参数；MPU和其它装置之间的周期性数据交换；出于维护目的，MPU和其它装置之间的非周期性数据交换；日期和时间的局域网分发；管理连接在网络上的单元初始化；监控列车网络结构；向所有预定用户传送时间和日期；各节车之间的周期性数据交换。2024/8/2266主处理单元MPU与远程输入/输出单元RIOM、显示单元DDU结合，共同对机车辅助装置及辅助系统进行管理与监控，主要完成以下功能：进入运营及运营维持的操作主压缩机和辅助压缩机管理撒沙和轮缘润滑管理机械间通风、空调接口火警检测管理制动系统与BCU接口重联单元操作日期时间和各种运行计数器的管理维护及试验模式管理机车子系统的监控人机接口帮助故障排查MPULDMRDTEOCU主处理单元MPU和牵引控制单元TCU一起主要完成牵引控制功能，对动力主回路中各部件实施管理与控制，主要功能为

受电弓和断路器的控制高压电路结构、主变压器管理驱动指令管理、速度控制要求操作牵机入库操作、牵引连接器管理车轴命令管理整流器控制与监督管理逆变器控制与监督管理异步牵引电动机的控制防空转/防滑行管理再生制动与空气制动的接口主变流器冷却与通风管理功率测试管理TUC单元为轴控方式，每轴有一TUC控制单元。2024/8/2269主处理单元MPU和辅助控制单元ACU共同作用，完成辅助斩波器控制、辅助逆变器控制（分配AC380V）、蓄电池充电机控制和辅助电流接触器控制。每个ACU单元管理一个独立的辅助电路输出，分为定频和变频。当一路辅助单元出现故障时，另一路可为降级状态工作，可同时带两组负载工作。LOCOTROL系统是分布在多台机车组中的动力分布式控制系统，通过电台的无线传输达到多台机车同步操控的功能。采用LOCOTROL分布式机车控制技术，延伸列车长度来实现重载运输，满足不断增长的年运输量。LOCOTROL系统集成了电气控制系统、机车空气制动系统、车辆空气制动系统的控制功能。LOCOTROL系统可以对分布在一列组合列车中的多台机车组通过无线电台进行同步联控。具体配置为一个主控机2024/8/2270车组和多个从控机车组，主控机车即司机执行并发送指令的机车，从控机车通过无线电台传输接收主控机车发送来的指令，并跟随主控机车执行相应的指令，完成相应的控制功能，同时反馈信息给主控机车。位于列车最前端的机车为主控机车，其他机车为从控机车。压力表模块通讯模块速度监控模块照明单元气候控制单元制动控制单元2024/8/22736.2.2HXD3系列电力机车交流传动系统HXD3系列电力机车由HXD3和HXD3B组成，分别来自于东芝公司和庞巴迪公司两个不同的技术平台，轴功率采用1200、1600kW，轴列式均为C0-C0，采用轴控方式。HXD3型电力机车是大连机车公司与东芝公司合作引进的交流传动六轴大功率干线货运机车，轴功率为1200kW，最高运行速度为120km/h，能够满足牵引5000吨以上列车的需要，是第六次大提速中货运主型机车，已在郑州局、成都局、兰州局等投入运营。HXD3型电力机车采用了当今世界最先进的交流传动技术，变流器采用IGBT和轴控技术，机车功率因数达到0.98以上。动力制动采用再生制动，节能效果显著。起动粘着系数可达到0.45。2024/8/2274HXD3B型电力机车是大连机车公司与庞巴迪公司合作引进的交流传动六轴干线货运电力机车，C0-C0轴式，轴功率为1600kW，采用大功率水冷IGBT变流器，最高运行速度为120km/h。牵引变流器由三组IGBT水冷变流器组成，每组变流器内集成一台由中间直流回路供电的辅助变流器，分别提供2组VVVF和1组CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电，该系统冗余性强，在机车通过分相区时辅助系统可以维持供电。采用单轴控制技术，实现对1632kW大转矩异步牵引电动机的控制，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。机车控制系统采用分布式微机网络控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能。采用基于TCN网络标准的结构形式，通过TCN车辆总线连接2024/8/2275各相关设备，重联机车之间采用WTB列车总线联接，实现了机车的网络重联功能。HXD3B型电力机车是目前世界上单机功率最大、技术水平高、性能指标先进的交流传动电力机车。HXD3系列电力机车交流传动系统除轴功率不同外基本相同，变流器都采用IGBT元件构成的两电平电路，采用矢量控制模式对牵引电动机转矩进行控制，使异步牵引电动机具有快速反应的动态性能，实现了对机车每台牵引电动机的独立控制。但也存在一些差异，主要体现在中间直流环节中对2倍频谐波的处理方式不同，HXD3B型电力机车沿用欧美技术风格，采用LC谐振电路，而HXD3型电力机车传承日本技术传统，取消LC谐振电路，改用软件控制逆变器的方式进行2倍频谐波消除，具有一定的特色。2024/8/2276下面将以HXD3型电力机车为样本，围绕主电路、辅助电路和控制电路对其交流传动系统进行详细分析。6.2.3HXD3型电力机车主电路分析主电路由原边网侧电路、主变压器、牵引变流器、牵引电动机、主电路保护电路及库内动车电路等组成。HXD3型电力机车主电路原理如图6-4所示。1.原边网侧电路网侧电路由二台受电弓AP1、AP2、二台高压隔离开关QS1、QS2、一台高压电流互感器TA1、一台高压电压互感器TV1、一台主断路器QF1、一台高压接地开关QS10、一台避雷器F1、主变压器原边绕组1U-1V、一个低压电流互感器TA2和接地回流装置EB1～6等组成。接触网电流通过受电弓AP1或AP2引入机车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1,通过大A端子进入车内，经25kV高压电缆由车内至车下,穿过TA1与主变压器原边1U端子相连，经过主变压器原边，从1V端子流出,穿过TA2与车体“地”相连，通过6个并联的接地装置EB1～EB6从轮对流向钢轨，最后沿着钢轨及回流线流入牵引变电所变压器中性点，形成网侧高压电路的闭合回路。真空断路器VCB型号BVACN99.21500额定电压30kV额定电流750A最大工作电压31kV额定分断容量440MVA最大分断电流16kA辅助触点数5固有分闸时间25～60ms工作压力450～1000kPa高压电流互感器高压电亚互感器高压隔离开关避雷器高压电亚互感器型号GSEFB25FGR025kV/100V输入电压25kV/50Hz输出电压 100V额定容量 30VA

二次最大电流4A精度 1.0级耐压170kV(冲击)

70kV(工频)重量 约58kg型号BB-S400A/5A电流变换比 400A/5A额定频率 50Hz额定容量 25VA

精度 3.0级一次过电流倍数 40倍重量 约35Kg避雷器型号RVLQB-38.5LY形无间隙氧化锌避雷器额定电压 38.5kV标称放电电流下残余电压（在10kA时）110kV放电电流 10kA外套材料陶瓷（1）电能计量电路通过采集原边低压电流互感器TA2和高压电压互感器TV1提供的电流和电压信号来实现电能的计量。电能计量选用了爱尔斯特(ELSTER)公司生产的智能型电度表，可用于机车牵引、再生电能的计量,电度表设有屏显窗口和切换按钮，通过按钮切换，可以进入不同的状态模式(滚动模式、标准模式、ABL模式)，进行信息量的查询，电度表既可查询近期每天的电能消耗及能量的反馈，还可查询当时的原边电压、电流及功率因数等。2024/8/2281（2）高压电气连锁保护电路司乘人员上、下顶盖时要打开或关闭机械室天窗，或者对高压电器进行检查时需要打开柜门，为了确保安全，设置了高压互锁功能。高压接地开关QS10上配有一把蓝色钥匙和两把黄色钥匙，其中蓝色钥匙可以控制受电弓的升弓气路，黄色钥匙可以打开机械室天窗或高压电器柜门，通过它们与接地开关的连锁控制，实现机车的高压电气安全互锁功能。