电力机车和电动车组传动方式的分类及特点

电力机车和电动车组传动方式的分类及特点电力机车和电动车组的传动方式按照供电电源的性质及所采用的牵引电动机的不同，理论上可以分为直-直流传动、交-直流传动、交-直-交流传动、交-交流传动和直-交流传动等。

1.直-直流传动方式
直-直流传动方式就是使用直流电源供电、直流牵引电动机驱动的传动方式，结构示意图如图1。

受电器从接触网或者第三轨上获取电能，通过直流电压调节装置对直流电压进行调节，从而达到调节直流(脉流)牵引电动机转速和转矩的目的。

图 1 直-直流传动方式示意图
调压装置可以是：
（1）电阻器：特点是简单、可靠。

维修方便，对使用和维护工人技术要求低。

但是电阻调速是有级的，调速过程中电阻器有能耗，能量损失大，调速性能差，在大功率场合长期调速运行，不仅损失的能量很大，还可能引起地铁隧道或周围环境温度升高。

（2）斩波器：用大功率电力电子器件构成，特点是效率高，调速性能好。

直-直流传动方式的主要特点是调速简单方便，但是直流供电电压低限制了其应用场合，并且直流牵引电动机体积大、维护工作量大、经济性能指标差。

早期的工矿电机车、城市有轨电车、无轨电车和地铁动车大多采用直-直流传动方式。

此外直流电流的回流会对线路周围的金属结构产生电蚀。

2. 交-直流传动方式
交-直流传动方式就是使用交流电源供电、直流牵引电动机驱动的传动方式，结构示意图如图2。

受电器从接触网获取交流电能，通过整流调压装置对输出直流电压进行调节，从而达到调节直流牵引电动机转速和转矩的目的。

图2 交-直流传动方式示意图
交-直流传动方式是我国电力机车长期使用的一种电力机车传动方式，国产韶山（SS）系列和进口的6K、8K电力机车等均采用这一传动方式，这些机车的主要差别在于调压整流方式和控制方式的不同。

这种传动方式的主要特点是接触网采用单相交流供电，可以大大提高电网的供电能力，减少牵引变电所的数量。

从技术上看，其缺点主要是因为采用直流牵引电动机所引起的。

3. 交-直-交流传动
交-直-交流传动方式就是使用交流电源供电，中间经过降压整流变成直流，然后再将直流逆变成为频率和电压幅值可调的交流电，驱动交流牵引电动机的传动方式。

交-直-交流传动的原理如图3。

受电弓从接触网获取交流电能，通过主变流装置进行调节，输出频率和幅值都可以调节的交流电，从而达到调节交流牵引电动机转速和转矩的目的。

交流牵引电动机（以鼠笼式异步电动机为例）与传统的直流串激牵引电动机比较，最主要的特点没有整流子（换相器），这种传动方式的主要特点就是交流牵引电动机与直流牵引电动机的特点。

图3 电力机车交-直-交流传动示意图
交流异步牵引电动机结构简单、运行可靠、维护简单，单位功率重量指标低，即电动机单位重
量所能提供的功率大。

如按照同一时期比较，SS3型电力机车所用的ZQ—800脉流电动机，800kW，4000kg，单位功率重量指标为5kg/kW；同一时期的德国E120机车，QD646三相异步电动机，1400kW，2300kg，单位功率重量指标为1.643kg/kW。

两者比较，交流电机省材料，造价低。

当然，交流电机从制造上也比直流电机要简单得多。

目前交流牵引电动机的单位功率重量指标可以达到1kg/kW甚至更低，具有十分优越的单位功率重量指标。

其次异步电动机的转速几乎不随负载而变化，因而抗空转性能好。

直流串激牵引电动机的机械特性如图4，交流异步牵引电动机的机械特性如图5。

从图可见，异步电机负载变化时，转差率变化很小，其转速几乎不随转矩而变化，而直流串激电动机只要转矩稍有变化，转速就会发生很大的变化，因此，直流串激电机不利于防空转。

铁路机车是依靠轮轨粘着来传递牵引动力的，当电力机车动轮所产生的牵引力大于轮对的粘着力时，动轮就会产生空转。

随着现代电力机车功率的不断增大，电力机车单轴功率也在增加，目前国产大功率交流传动电力机车单轴功率达到1600 kW，空转防护问题更加突出。

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M 图4 串激电动机的机械特性图5异步电动机的机械特性
从传统技术而言，异步电机调速不如直流电动机方便。

异步电机调速通常可以采用改变转差率、改变极对数、改变定子端电压和改变电源频率等方法。

改变转差率调速最主要的问题是转差功率会随着调速范围的增加而增大，采用串级调速虽然可以将转差功率回馈电机或电网，但是，系统总的功率因数太低，调速范围也不是太大，从而影响了这一调速方式在高性能调速领域的应用。

改变异步电动机极对数的调速方式主要受两点限制：变极电机的结构复杂，变极调速是有级的，能调节的级数少，不能满足高性能调速的要求。

交流异步电动机的转速，改变电源频率是比较理想的调速方式。

当然，单纯变频调速会引起电机电压和磁场的变化,所以通常在变频的同时,改变对应的交流电压。

技术发达国家电力机车在上世纪80年代末就已经停产交-直流传动的机车而全面进入交流传动的时代。

我国在1996年就主研制成功了AC4000交流传动原型机车，后来相继研制生产了
DJ系列和中原之星、中华之星等数十种交流传动的电力机车和动车组，目前大量生产的和谐系列电力机车和动车组（CRH）都是采用交流传动。

4. 交-交流传动方式
交-交流传动方式就是使用交流电源供电，不经过中间降压整流，直接将交流逆变成为频率和电压幅值可调的交流电，驱动交流牵引电动机的传动方式。

交-交流传动的原理如图6。

在一般工业用途的应用中，交-交流变频传动方式是一种在大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600 r/min以下）范围内广泛使用的交流调速方案。

主要应用领域是：轧机、矿山（升降机）、船舶推进、水泥、风洞等。

由于交-交流变频传动方式在输入电源频率为50Hz工频时，最大输出频率不超过20 Hz。

因此对于一般4极电机，其最高转速就会小于600r/min。

因为主电路所用的开关元件多，因此，用于小功率场合将会使经济上不合算。

图6 电力机车交-交流传动示意图
由于电力牵引供电网压为单相工频，在电力机车上应用交-交流变频传动方式频率调节范围太小。

所以，在铁路上，交-交流传动一般应用于内燃机车或燃气轮机车。

原苏联在早年曾经研制过一种电力机车单-三相交-交流传动电路，该电路采用同步电动机与电流源逆变器构成，利用自然换流和同步电动机感应电势进行负载换流相结合的换流方式。

5. 直-交流传动方式
由于交流传动有着许多优点，所以近年来在许多直流供电的场合也在采用交流传动。

直-交流传动方式就是使用直流电源供电、交流牵引电动机驱动的传动方式，原理如图7所示。

受电器从接触网获取直流电能，通过整流调压装置和变频器输出频率和幅值可调的交流电能，从而达到调节交流牵引电动机转速和转矩的目的。

图7 直-交流传动方式示意图交流
直-交流传动方式目前主要是在一些传统的直流牵引供电的场合，如新的地铁和轻轨列车。

以及一些双流制或多流制的电力机车上。

右图在中间增加了直流斩波器，用于稳压。