交流传动技术讲稿文档

●司机台操纵技术
●车体轻量化技术
●转向架技术
●空气制动技术
●高压测检测技术
2.1.1 牵引变频器技术
●电力电子器件的发展推动了变频器技术的发展。

国际上快速晶闸管在交流传动变
流器上的应用属于早期阶段，现基本被淘汰；GTO元件作为第二代在变流器上的应用，技术上已趋成熟，但也开始被下一代新元件代替；IGBT、IGCT元件广泛应用于变流器，在工程化和产业化上很有前景，将成为现代变流技术的主流；集成化智力化）元件IPM已崭露头角，应用前景广阔。

牵引变频器
牵引变频器
●直接转矩控制
（在高速、重载大功率电力牵引领域，直接转矩控制方法的优势越来越明显）
●器有应用为交流传动电力牵引控制提供了优越的硬件条件，加之软件技术的不断发展，现代交流传动机车（列车）的控制系统日趋完善。

●牵引变压器的发展要求大容量、小型轻量化、低损耗、低噪声、高阻抗、全退耦。

而交流传动牵引变压器还要在设计时特别考虑电压、电流的高次谐波可能存在的直流偏磁和过激磁、漏磁的影响，以及由于高次谐波和大漏磁引发的局部过热和高噪声，同时还要在电磁兼容性产出有自己知识产权的有一定批量的交流传动机车，或全部国产化的交流传动机车，或只生产交流传动机车。

●“十.五”期间是铁路机车交流传动技术“十年转换”工程的关键时期。

根据“十五”铁路科技发展计划，我国将实现“两网”（快速客运网和块捷货运网）、两线（京沈客运专线和沪宁客运专线）、两系统（安权保障系统和运营信息系统）的科技发展目标。

这就特别需要运载装备的先行作用，而交流传动电力牵引运载装备将是主角，则也是交流传动技术“十年转换”工程的同期任务。

●到产业化，以满足“两网”对运载装备的需求。

交流传动电力牵引摆式列车技术要在工程化上有所突破，构成具有自我知识产权的摆式列车技术，以满足既有线路客运进一步体速的要求，为迎接我国第四次、第五次更大规模的提速作好技术装备的储备。

要完成270km/h级交流传动高速动车组的研制和试验，实现270km/h级高速动车组工程化和
商用化，为高速客运专线的发展做好运载装备的技术储备。

要研究300km/h级以上动力分散型交流传动高速动车组，并取得成果。

四、交流传动技术的展望
●运输意味着什么?
●旅客需要什么?
–安全
–实用
–可靠
–性能费用
–灵活
舒适霸主。

–中国机车：
交流传动技术的展望
●传动与电力变换
–更有效的电机控制规则
–半导体器件
•IGBT 6kV
•比IGBT更好的其它器件（更简单、更有效）
•更多的电子化功能
–更好的人机界面（监控与操纵）
–网络化（尤其是无线网络）
•列车控制
•旅客信息
•远程维护
●列车自动控制与无人驾驶
●其它
–降低噪音
–新的设计
–采用新材料降低重量
第二讲交流电传动机车控制基本原理
一、交－直流传动机车控制的特点
二、异步电机变频调速特性分析
三、机车牵引过程中异步电机的运行特点
四、控制方法简介
五、谐波分析
六、电机负载分配不均匀的问题探讨
一、1. 电传动机车分类
交－直传动（干线机车）
直流（直流牵引电机）直－直传动（城市电车、矿山机车）
直－交传动（地铁）
交流（交流牵引电机）交－直－交传动（干线交传机车）
2. 机车牵引特性
①直流传动时电机的矩速特性
⎪⎩
⎪⎨⎧Φ=Φ
-=
∑a m e a I
C M C R I U n
功率利用率：70％
②交流传动电机（异步）的矩速特性
⎪⎩⎪
⎨
⎧'Φ=-=22
1cos )1(60ϕI C M s p f n m M 强耦合系统
无论采用什么类型的电机作牵引电机都必须满足机车牵引的要求。

二、异步电机变频调速特性分析
1. 变频调速时异步电机参数变比为：
const
r r f X f X f X m =∝∝∝,2111211、σσ
2.
用sl f f U 、、11表示的力矩公式M
2
2122111222112
211222
11)(/2⎥⎦⎤⎢⎣
⎡'++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-'+'∙⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=r f x r f x x x x r f f r r x f f U pm M sl m sl m sl π
0=sl
df dM
2
2212221122
11
2121)
()(x r x x x x r r f f m
m +-+'±
=
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡+-++±∙⎥⎦⎤
⎢⎣⎡±=2
2212
22112
2
211
2111
2
11)()(22x r x x x x x r r f f U pm M m
m m π
2
222111222112
212212
11)(1/2⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡'++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-'+'∙⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=x r r x x x x r r r x f f U pm M m m q π )
(),()
(1max 11f f M f f f M f f f sl m ===
结论：const f U =11/
低频时，力矩小，不满足恒力矩起动要求。

1r 影响，采用适当提高1U 方法解决。

恒压频比的变频调速的机械特性曲线
恒压频比下最大转矩、起动转矩和定子频率的关系
3. 用sl f f E 、、11表示的力矩公式
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
'+''⎥⎦⎤⎢⎣⎡=222222
11)2(2L f r r f f E pm M sl sl ππ 222L r f m ''
=
π 2
21141
2L f E pm M m '⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ππ )
/()/(2
sl m m sl m f f f f M M +=
结论：当
const f E =1
1
, const
f const M const
M const f f f M sl sl =====max max ,),(当
三、机车牵引中异步电机的运行特性
1、 恒力矩起动
①采用11/f U ＝const 控制
低频时适当提高1U ，抵消1r 的影响。

②采用
const f E =1
1
（const m =Φ）控制 电机各参数与1f 的关系：
const
I const M const f const M f E U f U sl ====∝↑∝1max 1
1111)()(低频 2、 恒功率运行
22
11
cos 2ϕπI E f mp
M '= 2
2
2
222)/(/cos x s r s r '+''=ϕ
2
11
2I E f mp
M '=
π 2
2
2
21
2)/(x s r E I '+'='
f
r f E r sE I sl 21212'='=' sl f f U r m p M 2
1122⎥⎦⎤
⎢⎣⎡'=π 121
1f f KU Mf sl = sl f f U K P 1
2
1≈ I. ⎩⎨⎧==const
s const U 1 特点：最小逆变器，最大电机
II. ⎩⎨⎧==const f const f U sl
121
/ 特点：最大逆变器，最小电机
四、控制方法简介
滑差控制
矢量控制
直接力矩控制
滑差变结构控制
1、矢量控制
基本思想：解耦，磁通与电流解耦三相异步电机只要在系统中实现MT同步坐标轴系，并使励磁M轴在转子磁链
方向定向，即可实现磁场
r
电流
i和力矩电流T i的独立控制，
M
使非线性耦合解耦。

这就是矢量控制的基本思想。

矢量控制的基本结构
电压型PWM变频调速的矢量控制系统特点：
（1）磁通观测器是采用电压模型法构成的，即根据定子电压
u、B u、C u
A 和定子电流
i、B i、C i的检测值，通过图6－8所示的结构电路实
A
现的。

（2）系统设置了磁通函数发生器，进行恒磁和弱磁控制，并通过磁通调节器（T
ψ）输出磁通电流的指令值*
i。

1
M
（3）速度调节器ST输出转矩电流的指令值*
i。

T
1
（4）电流指令值*
i、*1T i通过电流电压变换器（I－VC）输出电压指令*1M u、
1
M
*
u。

1M u、1T u可由实测的1M i、1T i和rω来确定。

T
1
2、直接力矩控制
直接力矩控制是通过快速改变磁场对转子瞬时转差速度，直接控制电机的转矩和转矩增率。

在直接力矩控制系统中，用电机定子侧参数计算出磁通和力矩，并用两点式调节器直接控制逆变器的开关状态，对电机磁通和转矩进行直接自调整控制，它不仅能获得快速的动态响应，而且具有最佳的开关频率和最小的开关损耗。

和矢量控制相比，它的控制电路简单，不需要复杂的坐标变换，克服了矢量控制系统对电机转子参数依赖和控制系统复杂的缺点。

PWM逆变器供电原理
输入电压矢量图
磁链矢量顶端的运动轨迹保持
近似恒定的电压矢量图
s
五、谐波分析
1.谐波磁势（时间谐波磁势、空间谐波磁势）
2.谐波电流
3.谐波转矩（稳定谐波转矩、振荡谐波转矩）
第三讲、交流传动系统的核心技术主要内容
●牵引变频器技术
●交流电机控制技术
●列车控制系统
●冷却与通风技术
3.1 牵引变频器技术
●直流斩波器
●单相半控直流器
●电相全控直流器
●电流源型逆变器
●电压源型逆变器
●典型的地铁牵引变频器
●适用于不同电压的机车变频器
3.1.1 交传机车主电路
3.1.2 单相直流斩波器
3.1.3 单相半控整流电路
3.1.4 单相全控整流器
3.1.5 电流型逆变器(同步电机)
法国TGV 、西班牙AVE机车主电路
（同步电机）
韩国TGV机车主电路（同步电机）
电流型逆变器(异步电机)
3.1.6 GTO 电压型逆变器(欧洲之星 TGV )
3.1.7 典型的地铁牵引变频器
3.1.8 适用于4种电压供电的机车牵引变频器(~25Kv/15kV, = 3kV/1,5kV)
3.2 交流电机控制技术
●控制需求与限制
●PWM逆变器控制
●坐标变换与矢量控制
3.2.1 控制需求与限制
●需求
–力矩控制
•精确稳定的牵引力与制动力
•动态性能/ 稳态性能
3.2.2 PWM逆变器控制
PWM逆变器的调制
●调制
PWM逆变器的6个工作状态
PWM逆变器调制比的合理选择
PWM逆变器的调制方式
PWM逆变器供电驱动控制
3.2.3 坐标变换与矢量控制
●坐标变换
●异步电机矢量控制
●直接力矩控制
3.2.3.1 异步电机坐标变换
3.2.3.2 异步电机矢量控制
异步电机d-q坐标系的方程
异步电机矢量控制框图
电机在α-β坐标系中的方程:
3.2.3.3 交流电机（α, β）直接力矩控制
3.3 列车控制系统的结构体系
列车控制系统应用实例
机车控制系统框图
控制系统可靠性
列车控制系统- TCMS 产品实例
列车控制系统 Agate Link 3 TCMS 结构
e化列车（ eTrain ）
●eTrain 是用于优化操纵与维护的基于Web浏览器的友好用户工具
●与列车网络的单点连接足以检索来自所有嵌入式处理单元的事件日志eTrain 监控系统
●借助图形编程工具可比较容易地设计监控列车设备的仪表面板（显示界面）●维护者能够利用这些仪表面板显示列车设备的状态并与设计指标做比较
音频系统结构
座位预定系统
车地通讯的发展趋势
典型的司机室无线通讯结构
列车网络技术发展的趋势
列车控制系统软件
3.4 IGBT的冷却与通风技术
●IGBT的冷却方式与工作范围
●冷却系统的分类
自然风冷
强迫风冷
水冷
3.4.1 IGBT 的冷却方式与工作范围传动与电力变换
- IGBT 冷却方式与工作范围
3.4.2 冷却系统的分类
●三种类型的冷却系统能够满足用户的需要
–自然风冷(干盘式)
–强迫风冷(热管式)
–水冷
干盘式自然风冷
干盘式冷却系统的特点
●简单的具有散热片的铝制散热板
●接地的散热片（半导体热沉）
●热交换性能有限
●适用于冷却并行方式的单个小型IGBT组
●适合高度受限制的有限空间
●极大地减少了维护工作量
●适合污染程度高的环境
●主要应用：
–Incheon 地铁( 韩国)
–Arlanda 机场穿梭线( 瑞典)
–New-York 地铁( 美国)
–伦敦地铁北方线
–Juniper (EMU标准)
干盘式强迫风冷系统
热管式强迫风冷的特点
●铝制蒸发器与散热片
●充满水的密封铜管
●接地热管
●较吸热式散热器有更好的热交换性能
●并联模块不能超过2个IGBT
●结构紧凑，适合于有限空间
●如果污染严重，需要定期清洁
●主要应用：
–墨西哥地铁
–格勒诺布尔、卡昂哔叽城轨列车
–吉隆坡城轨列车（Sky Train）
–雅典城市电车
热管冷却系统示意图
强迫通风冷却系统
水冷却系统示意图
水冷却系统的特点
●内设冷却水回路的铝板
●通过循环泵和强迫通风实现水冷
●铝板接地
●有很高的热交换性能
●适用于大功率变流器
●更紧凑，适合于小空间
●在功率单元中不需要aeraulic电路
●容易维护
●主要应用：
–内燃电传动机车( 叙利亚、伊朗) –AEM7 机车( 美国)
–新一代货运电力机车(法国)。