大功率交流传动机车的关键技术

39
HXD3型电力机车技术特征

（1）电传动系统采用下悬安装方式的多绕组变压器， IGBT水冷变流机组，1250kW异步牵引电动机。机车具有
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，分别提供VVVF和


CVCF三相辅助电源。对辅助机组进行分类供电，系统冗余 性强，一组辅助变流器发生故障后可以由另一组辅助变流器 采用CVCF方式对一台压缩机及其它辅助机组供电； （3）采用微机网络控制系统，实现了机车特性控制、逻辑 控制、自诊断功能和机车的网络重联功能，并具有信息储存 和转储功能；
6

比较：

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%。 7
13


1989年ABB公司开发出采用GTO晶闸管逆变器的 第二代交流传动的DE1024型内燃机车（1987年世 界上出现第一台应用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）； 1996年11月，德国Adtranz公司和美国GE公司合 作开发出第一台“蓝虎”系列交流传动内燃机车， 功率范围从1640kW到3280kW，货运机车最高速 度为120km/h，客运机车最高速度为200km/h和 240km/h。
21
HXD1型交流传动电力机车
22
HXD1型电力机车概述





概述 HXD1型交流传动电力机车是由株洲电力机车有 限公司与德国西门子公司在EuroSprinter（欧洲 短跑者）机车技术平台上联合研发的新型大功率 交流传动8轴货运机车，主要用于铁路专线（大 秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有 功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率 高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦线铁路 煤炭运输的需要。
12

二、国内外交流传动的发展概况

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。 自1970年起，交流传动机车的产量逐年增加。 以DE2500型机车为先驱的交流传动机车可 视为第一代交流传动机车。受当时技术发展 的限制，主电路开关元件采用的是关断速度 较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采 用微机。
23
HXD1型电力机车技术参数
24
HXD1型电力机车技术参数
25
HXD1型机车主电路
26
HXD1型机车牵引变流器技术参数
27
HXD1型机车牵引电机技术参数
28
车载TCN网络
29
HXD2型交流传动电力机车
30
HXD2电力机车概述

HXD2型交流传动电力机车是由大同电力机车 有限公司与法国阿尔斯通公司在PRIMA机车 技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8 轴货运机车，主要用于铁路专线（大秦线） 牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有功 率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效 率高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦 线铁路煤炭运输的需要。
17
பைடு நூலகம்


世纪之交的2000年是我国交流传动电力机车 取得卓越成果的一年。 这一年可供商用的大功率交流传动电力机车 研制成功，标志着我国交流传动电力机车的 工程化进入新的阶段。 2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功 率最大、技术最先进、达到国际先进水平的 交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高 速动车组动力车“蓝箭号”的诞生，标志着 我国铁路机车进入现代高科技领域。
3

（1）粘着性能好

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。 串激电动机则不然，转矩变化一点，转速 就有很大的变化。 2）异步电动机的工作点可以很方便地进 行平滑调节。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 不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。
4
例如：

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45%， 全天候牵引粘着系数是32%（GE公司在交— 直传动机车上，采用粘着控制装置后，全天 候粘着系数是0.25~0.30）。 如此之高的粘着利用，正是针对交流机传动 机车所具有的良好的粘着控制而提出的，这 对于交—直传动系统是不可想象的。 德国四轴120型机车，可满足以往六轴机车的 全部要求。

18

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DF4DAC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23±3%，计算整备重量为 138±3%t，机车的最大速度为14.5km/h， 持续速度为19.9km/h，起动牵引力为444N， 轮周功率为2460kW，轮周制动功率为 2850kW。
40

HXD3型电力机车技术特征

（4）总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气 系统与空气系统分布布局。采用了规范化司机室的设计理 念； （5）采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利 于提高机车车体的强度和刚度； （6）转向架二系支承采用高圆螺旋弹簧，牵引电机采用滚 动抱轴承半悬挂结构，采用轮盘制动、整体轴箱及低位牵 等技术； （7）采用独立通风冷却技术； （8）采用了克诺尔集成化的空气制动系统，在司机室具有 制动系统显示、故障查询和故障存储功能
5
（2）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600~700kW/轴。装用 BBC6FRA40B异步牵引电动机，其功率可 达1500kW/轴以上。
（4）效率高，利用率高、使用 灵活性强

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。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 3~6%，货运作业时可节能8~10%。 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%。 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。 10
8

（3）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 性能好；全部电气部件所用绝缘材料均为H 级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。

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。 9
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300kW， 而其重量不足400kg，单位重量功率可达 0.75kW/kg。
15

我国交流传动的发展现状

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。因 此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。
（5）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，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。

11
（6）功率因素高、节能。

交-直-交电力机车采用四象限控制器作为机 车电源侧的变流器，可以在广泛的负荷范围 内保持功率因素接近 1，电流的波形接近于 正弦波，而且在再生制动时也是如此。 这样不仅降低了电网损耗而且在再生制动时 可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对 信号和通信系统的干扰。
16

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1996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。
14


从80年代中期开始，美国GM公司便与德国西门子 公司合作，共同开发新一代交流传动大功率内燃机 车。1993年美国伯灵顿北方圣菲铁路（BNSF）一 次就向GM公司订购350台4000英制马力的 SD70MAC型交流传动内燃机车。 这种新型交流传动内燃机车显示出了良好的技术经 济性能，又适应了美国各大铁路公司机车老化而将 更新换代的需要。对GM公司大批交流传动内燃机 车的订货，刺激并推动了GE公司加速开发自己的大 功率交流传动内燃机车。至目前，GM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。