第1章-电力牵引传动与控制概述
电力牵引传动系统
目录1. 概述 (1)1.1 电力牵引的特点 (1)2. 电力机车的传动方式 (2)2.1 直-直流传动 (2)2.2 交-直流传动 (3)2.3 直-交流传动 (3)2.4 交-直-交流传动 (4)3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4)3.1 交-直传动技术的发展 (4)3.2 交流传动技术的发展 (5)4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6)5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)1.概述1.1电力牵引的特点电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面：1、电力机车的功率大内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。
而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。
一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。
由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。
2、电力机车的效率高由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。
由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。
而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。
3、电力机车的过载能力强机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。
由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。
因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。
4、电力机车的运营费用较低（1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑；（2）整备距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率；（3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。
一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。
城市轨道交通车辆基础电子课件第六章电力牵引系统
城市轨道交通车辆电力牵引系统框图 14
城市轨道交通车辆电力牵引系统主电路
ห้องสมุดไป่ตู้15
五、 电力牵引系统的发展
随着电力电子器件和计算机技术的发展，城市轨道交通车辆的电力牵引传动 技术由最初的变阻调速发展到斩波器调速，并不断进一步发展，在采用三相异步 牵引电动机的动车中应用了变压变频技术。目前，逆变器技术已在城市轨道交通 动车组上得到了非常广泛的应用。
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转子结构如图所示， 由电气绝缘钢片叠装而成的铁芯组件被冷缩装配到由高强 度热处理钢制成的转子轴上，同时配以分别布置于其左右的转子止推环。转子配有 通风用的轴向风道。铜制转子线排位于铁芯组件的槽中。
41
（2）牵引电动机的工作原理 受流装置从接触网上获得直流电流，经过列车牵引逆变器转换成三相交流电，输 送给交流牵引电动机（三相异步电动机）定子上空间位置相差120°的三相绕组，使 定子三相绕组中有对称的三相电流流过，从而在气隙中产生旋转磁场。转子绕组在这 个旋转磁场中感应出电动势，使转子绕组中产生电流。转子电流与旋转磁场相互作用， 产生电磁力，形成使转子旋转的电磁转矩，转轴通过联轴器和齿轮箱把转矩传送给车 辆转向架的车轴，带动车轮滚动，驱动列车运行。
因此，城市轨道交通车辆的电力牵引系统大致经历了20世纪80年代前的凸轮 变阻调压直流传动系统、20世纪80年代的斩波调压直流传动系统和20世纪90年代 的变压变频交流传动系统三个阶段。
16
在城市轨道交通车辆电力牵引传动系统中，牵引变流器（包括斩波器、逆变器 等）广泛采用了门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块或智能 功率（IPM）模块作为主开关器件，尤其是IGBT模块或IPM模块对于较高频率工作具 有良好的适应能力。微电子技术在城市轨道交通车辆的牵引、制动、辅助控制、信 息显示与储存、防滑与防空转控制及行车安全等方面也得到了广泛应用。城市轨道 交通车辆除了采用摩擦制动外，还采用了电气制动技术，如再生制动、电阻制动及 磁轨制动等，提高了车辆运行过程中的节能效果与安全性。
电力机车的传动控制技术
摘要：近年来, 为了适应“提速、重载”的要求, 功率大、性能技术先进的新型国产内燃、电力机车的投人运用, 成为我国铁路运输的主要牵引动力。
自1995年以来, 我国铁路机车迅速更新换代, 不仅蒸汽机车迅速退出历史舞台, 而且国产第一代内燃机车和第二代内燃机车的早期产品也批量报废, 国产第一代电力机车早期产品已开始批量报废, 第二代国产电力机车正通过大修改造为第三代相控电力机车。
近年来, 大批量生产的是适应“提速、重载”的第三代内燃、电力机车, 并在积极研制第四代新型内燃、电力机车。
本文简要介绍了机车电力传动形式的转变历程，回顾了交流传动的发展历史，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，重点阐述了我国电力牵引技术的发展与现状，并展望了以交流传动技术为方向的我国铁路机车车辆装备制造业的发展前景。
关键词：电力机车传动，控制技术，发展与现状。
目录1.电力传动形式的转变 (3)2.交流传动技术 (3)2.1 交流传动技术的发展 (3)2.2交流传动技术的原理简介 (5)3.我国机车电传动技术的发展 (6)3.1 第一代电力机车控制技术 (6)3.2 第二代电力机车控制技术 (7)3.3 第三代电力机车控制技术 (8)4.展望 (10)参考文献： (11)1.电力传动形式的转变从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。
1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。
1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。
这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模式。
1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。
1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。
城市轨道交通电力牵引系统
第一节 概述
早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动 机，电机调速是采用改变串联在电机上的电阻 的大小来改变电机的端电压的控制的方式，这 种方式对电能的浪费大。以后由于半导体技术 的发展，电力电子变流技术得到了广泛应用， 直流牵引普遍采用斩波调压的方式。
直流电动机存在体积大、结构复杂、工作 可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点，故 随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器 件制造技术的发展，采用交流电机牵引的交流 传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术 上了一个， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
第四节 城市轨道交通用直线感应电机
一、直线感应电机的基本原理 将三相感应电动机的定子和转子沿径向
剖开后摊开成直线，原来转子的旋转运动 就转变称为直线运动。
但要长时间地维持这一运动，就必须有 足够长的转子或定子，因而出现了两种基 本类型：短定子电机和长定子电机。
第四节 城市轨道交通用直线感应电机
二、采用直线电机车辆的运行原理 用于轨道交通的直线电机一般都是短定
改错：
第二节 直流电力牵引系统
（一）、直流牵引电动机的基本调速方法 直流电动机的转速表达式
n U Id R
CE
第二节 直流电力牵引系统
（一）、直流牵引电动机调速的基本形式： 1、调节牵引电机的端电压
（1）、变阻调压 通过调节串入电机回路的电阻的大小来改
变电动机的端电压以实现电动机的调速。 调节电阻的方法又分两类： 有触点式开关调阻 无触点斩波调阻 这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能。
列车电力传动与控制第1章交-直流传动技术
动、交-直流传动两个阶段。直-直流传动机车因技术原因已 被淘汰，交-直流传动机车/动车组技术成熟、性能可靠，保 有量很大，仍在许多国家、地区作为主型机车继续服役。 对于直流传动电力机车/EMU，没有经过直-直流传动阶 段，只经历了交-直流传动阶段。由于采用整流调压电路结构、 形式不同，先后经历了调压开关与二极管组合的有级调压、
3
3
110KV/50Hz
发电厂
升压站
地区变电所
牵引变电所
25kV/50Hz
A
25kV/50Hz 分相绝缘节
B
回流线 钢轨
图1–1 电力牵引系统组成
弓等高压电器，将接触网上 25kV/50Hz 单相交流电导入机车 内牵引变压器一次绕组，电流流过一次侧绕组，经车体接地装
臵与钢轨、回流线联结，与牵引变电所形成高压供电回路。同
本章主要介绍电力机车、EMU的直流传动系统，围绕基 本组成、牵引与制动等主要方面，进行系统分析。
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1.1 电力牵引传动系统的组成
电力牵引系统是由牵引供电部分和牵引动力装臵两大部分
组成，包括从牵引变电所到列车受电弓在内的供电部分和牵引
动力装臵的传动系统。牵引动力装臵主要指电力机车、电动车 组（EMU）。电力牵引系统组成如图1-1所示。一般习惯上以
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电力传动与控制
入交流传动时代，新造机车/动车组全部采用交流传动系统,
其交流传动机车、动车组的应用已很成熟。我国目前在线运
用的机车绝大多数属于交-直流传动机车。交流传动机车、 动车组在我国还处于起步发展阶段。我国曾研发了个别车型 的交流传动机车，但由于受关键技术、成本等因素制约，只 在机车型谱里占了一个位臵，没有形成批量。当前正在引进 的和谐系列机车、动车组均采用交流传动系统，这将确定了 我国牵引动力的发展方向，必然是走交流传动之路。 直流电力传动技术(机车)的发展概略为：
电力牵引与传动控制 教学大纲
电力牵引与传动控制一、课程说明课程编号：090409Z10课程名称：电力牵引与传动控制/Electric Traction and Drive Control课程类别：专业课学时/学分：48（10）/3先修课程：模拟、数字电子技术、电机学、电力电子技术、自动控制原理、微机原理应用适用专业：电气工程及其自动化、电气工程卓越工程师、自动化、测控技术教材、教学参考书：1.《电力牵引系统及其故障诊断技术》，主编，中南大学出版社，20012.《韶山8型电力机车》，刘友梅主编，中国铁道出版社，20013.《HXD－1型电力机车》，张曙光主编，中国铁道出版社，2008二、课程设置的目的意义“电力牵引与传动控制”是高等学校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器等专业教学计划中一门专业课程，它的主要任务是使学生了解各种电力牵引与传动控制系统的基本概念和原理，掌握各种电力牵引调速、控制方法，并介绍当今世界各国电力牵引技术发展的现状和方向。
三、课程的基本要求知识：电力牵引与传动控制将强弱电结合，以弱电控制强电，既有电机调速控制，又有电力电子变流装置控制。
是一门为电类专业大学本科学生所开设的专业课。
能力：通过该课程的学习，力图提高学生综合运用所学过的知识，能够分析具体的传动控制系统的组成、工作原理并达到能够设计出一个简单的控制系统的水平。
对电力机车，特别是其中的调速器、变流器的控制以及具体的控制电路有一个比较深入的理解。
对电力机车及其传动控制的最新发展有所了解。
素质：轨道交通产业是现代自动控制系统的集成平台，其发展速度和发展规模仅次于航天与军工产业。
学生通过了解掌握这些最先进的知识，可以强化电气、电力设备设计的实践能力，培养其发现问题、分析问题、解决问题的能力和素质。
四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求注: 参观登乘铁路机车，了解牵引传动系统总体结构；参观实验室，了解牵引传动诊断系统。
力争参观、乘坐磁悬浮列车并了解其最新进展。
《电力牵引传动与控制》概述
第二章 电力牵引交-直传动与控制
主要内容： 直流牵引电动机 交流牵引发电机 内燃机车恒功调速系统 传动装置参数 电力机车传动与控制系统 黏着控制与主电路保护 电阻制动
1
第二章 电力牵引交-直传动与控制
一、直流牵引电动机
1. 电机工作原理与结构 2. 基本方程 3. 工作特性与牵引性能分析 4. 速度调节 5. 绕组结构* 6. 电枢反应与换向*
（第3讲）
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4. 直流电动机速度调节
由（2-9）式：
n=(Us-IsRs)/(CeΦs)
改变Rs， Us，Φs均可调速，但后两者才是经济
的调速方法。
可分别通过改变Us或Φs调速，两者独立。
① 改变 Us调速 n2/n1≈Us2/Us1
（ 假定IsRs≈0时）
（2-13）
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② 改变Φs调速（磁场削弱调速）
第1章 电力系统与牵引供电系统
1-3-2 相控整流调压电路 1-3-2 相控整流调压电路 1、直流电机的调速原理 电力机车采用直流电动机牵引的重要原因之一，是因为直流电动机便 于调速。由于转速公式为：
U IR n Ce
所以，调节电动机的电枢电压U就可实现调速。 早期调速采用调压开关分级调速，缺点是变压器抽头多，结构复杂。 目前采用大功率晶闸管相控整流调压电路实现调压，克服了以上缺点。 2、电力机车的三段相控整流调压电路 图 中 a2x2,a1b1,b1x1 为 机 车 变 压 器 副 边 的 三 段 牵 引 绕 组 。 二 极 管 V1~V4及晶闸管VS01~VS26组成三段桥相控整流电路。L为平波电抗器， 对整流回路的脉动电流起平波作用。。如图1-11所示。
1-2-4 牵引变电所的引入线方式
1-2-5 接触网的供电方式
1-2-1 牵引供电系统的电流制 1-2-1 牵引供电系统的电流制 主要有四个电流制：直流制、低频单相交流制、三相交流制、工频单 相交流制。
1、直流制
因电力牵引用的电力机车多采用机械性能好、调速方便的直流串励电 动机，所以采用直流制供电，简化了机车设备，提高了效率。但牵引变电 所必须设整流设备，结构复杂了。同时因受电力机车牵引电动机额定电压 影响，供电线路电压较低使牵引变电所间距离减小，同时供电电流的加大 增加了导线截面，增大了线路损耗。所以在我国电气化铁道中，未采用直 流制。但在矿山、城市电车和地铁中得以广泛应用。 2、低频单相交流制 为克服直流的缺陷，西欧一些国家采用低频单相交流制，频率为 50/3Hz，电压为11~15kV。虽然这种制式比直流有不少优点，但因其频率 与工频差异，必须有与之配套的发电厂和供电系统，经济性、通用性不好， 应用受限。
第1章 电力系统与牵引供电系统
城市轨道交通电力牵引复习
城市轨道交通电力牵引复习资料第一章牵引理论基础1、目前，绝大多数城市轨道交通车辆属于钢轮钢轨式，运行的任何一种工况，都依赖于车轮和钢轨的相互作用力。
在钢轮钢轨式城市轨道交通车辆中，牵引动力由牵引电动机通过传动机构，传递给动车的动力轮对(动轮)，由车轮和钢轨的相互作用，产生使车辆运动的反作用力。
2、空转：因驱动转矩过大，破坏粘着关系，使轮轨间出现相对滑动的现象，称为“空转”。
3、粘着：由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象称为“粘着”。
4、蠕滑：在动轮正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。
从微观上看，两接触面是粗糙不平的。
由于切向力的作用，动轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面产生新弹性变形，接触面间出现微量滑动，即“蠕滑”。
5、蠕滑速度：由于蠕滑的存在，牵引时动轮的波动圆周速度将比其前进速度高，速度差称为蠕滑速度，用蠕滑率表示。
，式中—动轮的前进速度；—动轮的转动角速度。
6、论述：粘着系数与改善粘着的方法。
（P5）（一）影响粘着系数的重要因素：①动轮踏面与钢轨表面状态；②线路质量；③车辆运行速度和状态；④动车有关部件的状态。
（二）改善粘着的方法：①修正轮轨表面接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；②试法改善轨道车辆的悬挂系统，以减轻轮对减载带来的不利影响。
常用的措施：撒沙、清洗轨道、打磨钢轨，改进匝瓦材料如用增粘匝瓦，改善车辆悬挂减少轴重转移。
7、制动方法分为三类：①摩擦制动：包括闸瓦制动和盘式制动；②电气制动：包括电阻制动和再生制动；③电磁制动：包括磁轨制动和涡流制动。
8、电磁制动的最大优点是所产生的制动力不受轮轨间的粘着条件限制。
9、摩擦制动和电气制动都是通过轮轨粘着产生制动力的。
10、当动轮对的牵引力大于最大粘着力时，轮对就发生空转。
11、轨道交通车辆在设计时，充分考虑了轮轨之间的粘着利用，但是没有粘着控制系统的轨道车辆动车只能靠其自然特性运行，难以运用到粘着极限。
动车组主供电、牵引系统及设备-动车组牵引高压设备概述
高速受电弓
一、动车组高压设备组成及作用：
高速受电弓（大功率受电及工作可靠）
滑板与接触 导线之间要 保持恒定的 接触压力
减轻受电弓 运动部分的
重量
垂直工作范 围内始终保 持水平位置
滑板的材 料、性状和 尺寸应适应 高速的要求
升、降弓时 初始动作迅 速，终了动 作较为缓慢
二、高速受电弓的分类： 1.双臂式：双臂式受电弓是最传统的受电弓，也 可称“菱”形受电弓，因其形状为菱形。双臂 式受电弓结构对称，侧向稳定性好，但结构复 杂，调整困难，保养成本较高，加上故障时有 扯断电车线的风险，目前部分新出厂的铁路车 辆已改用单臂式受电弓。
日本的0系高速列车，16 辆编组全部是动力车
日本的100系高速 列车，12M＋4T
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动车组牵引方式
动力分散式、动力集中式
动力分散动车组优点: • 牵引功率大 • 轴重小 • 启动加速性能好 • 可靠性高 • 列车利用率高 • 编组灵活
动力分散动车组是当今世界高速动车组技术发展的方向。
动力集中动车组优点: • 技术成熟 • 编组更为灵活 • 设备集中 • 动力设备数量少成本小 • 车内环境噪声小
本章知识点
4、我国动车组受电弓采用单臂受电弓。 5、动车组受电弓碳滑板分为单碳滑板和双碳滑板。 6、在受电弓碳滑板使用中，接触网结冰情况下可使用除 冰碳滑板。 7、动车组双辆车编组重联运行时，前后各升1架弓，禁止 升弓模式为后弓+前弓，即禁止前车升后弓,后车升前弓的 模式。 8、动车组一个标准编组配备2台受电弓
组，辅助绕组。
主电路采用3电平式 结构（脉冲整流器、 中间直流电路、逆变 器构成），牵引变流 器采用脉宽调制方式
(PWM)。
将电能转变成机械能 的设备，每辆动车设 置2台或者4台牵引电 机，牵引电机为三相 鼠笼式异步电机，通 过弹性齿型联轴节连
电力机车控制第一章 电力机车速度调节
第五节 电力机车功率因数的改善
第六节 交流传动电力机车的调速
一、交-直-交型电力机车调速方法
1．改变电动机定子极对数
2．改变转差率 3．改变电源频率 （1）恒磁通控制。 （2）恒功率控制。
第六节 交流传动电力机车的调速
二、交-交型电力机车调速方法
交-交型电力机车采用三相同步牵引电动机，其调速方法和直 流电动机的调速原理相似，只要改变同步电动机的端电全控桥式整流电路
第四节 相控调压
二、单相半控桥式整流电路 三、整流电压（电流）的脉动
第四节 相控调压
四、机车功率因数
第五节 电力机车功率因数的改善
一、评价相控调压的两个指标
二、提高机车功率因数的方法
1．多段桥顺序控制 2．功率因数补偿器
第五节 电力机车功率因数的改善
二、交-直型电力机车调速方法
根据公式（1.2）可知交-直型电力机车的调速方案应有下列几种： 1．改变牵引电动机电枢回路电阻
2．改变牵引电动机的端电压
3．改变磁通量
第三节 励磁调节
一、磁场削弱系数 二、磁场削弱方法
1．电阻分路法 2．晶闸管分路法
三、磁场削弱的应用
第三节 励磁调节
第三节 励磁调节
述
机车调速是指人为地改变牵引电动机的工作参数使其速度发 生变化的运行过程，它有别于因外部扰动（网压变化、线路纵断
面变化等）引起的转速变化。
一、机车的运行状态 二、电力机车调速的本质 三、电力机车调速的基本要求
第二节 直流传动电力机车的调速
一、直流传动电力机车速度表达式
第二节 直流传动电力机车的调速
第一章
电力机车速度调节
（1）了解整流电流脉动对牵引电动机的影响及其减小措施。
电力牵引传动系统(1)
第三节 电力牵引交-直流传动 1、可控整流电路的一般结构
可控整流电路是一种应用广泛的电能变换电路，它主要 依据晶闸管等可控器件的两种特性： （1）单相导电性：使电路输出不再具有交变的性质； （2）可控性：使电路的输出功率可依从给定信号变化。
交流 电源 整流 主电路
滤波器
负载
控制 电路
25
第三节 电力牵引交-直流传动 2、单相桥式全控整流电路
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第二节 电力牵引供电系统 （一）牵引供电系统的组成
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第二节 电力牵引供电系统 （一）牵引供电系统的组成
当前世界各国电力牵引使用的主要制式有直流制、低频 单相交流制和工频单相交流制。 工频单向交流制由于采用了工业频率，无须专用设备， 因而系统结构可以大为简化；又由于采用交流电，电压水平 可以大幅度提高，从而可以减小导线面积，减少电压损失， 使接触网结构简化，供电距离延长，减少变电所的数量，节 省投资，因此这种制式具有更大的发展前景。 我国干线电气化区段采用的是工频单相 25千伏的制式。
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第三节 电力牵引交-直流传动 四、辅助电路
除机车主电路以外，机车辅助电路是保证机车正常运行 不可缺少的部分： 主电路中的各种大功率电器设备的通风冷却和各种气动 机械装置的压缩机风源，都要用三相异步电动机来驱动。 为了将车上的单相电源转换成三相，在机车辅助电路内 设有旋转式的异步劈相机或静止式三相逆变装置。
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第三节 电力牵引交-直流传动 （2）基本电量计算
（a）整流输出电压的平均值计算
Ud = 1 1 + cos α 2U 2 sin ωtdωt = 0.9U 2 2
π
∫α
π
当a=0 °，晶闸管全导通，此时输出电压为最大值Ud0为： Ud0＝0．9U2 当a=180°时， Ud0＝0 ，故移相范围为0°～180°。
电力机车控制
Ⅲ、若W=0，dV/dt=0，列车作匀速。（下坡道惰行）
（后两者实质是列车下坡道上有下滑分力）
§1.1 电力牵引基本工况 三、制动工况
1、制动工况
指给机车或列车加制动力，使其作减速运行。
2、列车受外力
阻力W、制动力B（制动状态）。
3、运动方程式
W ＜0，减速运行。（通常情况） Ⅱ、若W＋B＜0，dV/dt＞0，加速运行。（下大坡道） Ⅲ、若W＋B=0，dV/dt=0，匀速运行。（下坡道）
3、数学式
机车每对动轮圆周上所产生的牵引力
FD
C C
D2
MD
（㎏）
（1-4）
式中， C 为传动效率， C 为机车齿轮传动装臵的传动比（＞1 ），D为机车动轮圆周的直径（用米表示），转矩MD（公斤· 米，即㎏· m）。
机车N台牵引电动机（即N根动轴），总牵引力为
2 N C C F NFD MD D
U U
A
1
. .
UD =常数 2
0
ID
图1-3
电动机电气稳定性分析
§1.3 电力牵引特性要求
对曲线2：则相反，电气上是不稳定的。
综上，直流电动机电气稳定必要条件
dU D d (C E D n D I D R ) dI D dI D
d (C E D n D I D R ) dI D
dF dW0 dV dV
或
dF dW0 d ( F W0 ) 0 dV dV dV
（1-7）
2、牵引电动机的电气稳定性
指正常运行中，偶因使电流微变，牵引电机还回到电平 衡（电平衡不被破坏）。 A、直流电动机：
§1.3 电力牵引特性要求
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东风11型内燃机车
南车戚墅堰机车公司研制
最高试验速度186KM/H。 装车功率为3860KW。 16280ZJA型柴油机。 JF204C型同步主发电机。 ZD106型牵引电动机。 机车走行步采用高圆簧 旁承, 电动机架悬式悬挂, 轮对空心轴六连杆驱动的 转向架,机车装有微机控制 系统,速度监控系统,具有自 负荷功能的电阻制动装置, 电控制动系统及轴温检测 显示装置
3
第一章 电力牵引传动与控制 系统概述
一． 二． 三．
系统组成与功用 系统分类 发展历史与现状
4
第一章
电力牵引传动与控制系统概述
一、系统组成与功用 1. 机车电力传动与控制系统组成 内燃机车：
电力传动与控制系统 柴油机 牵引发电机 变流器 控制系统 牵引电动机 传动齿轮箱 与动轮
图 1-1a
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电力机车（交流供电）：
图 1-2 机车理想牵引 特性曲线（牛马特性）
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3.
内燃机车电传动装置的功用
电传动装置的功用：
充分利用和发挥机车动 力装置的功率； 扩大机车牵引力F与速度 V的调节范围； 提高机车过载能力，解 决列车起动问题； 改善机车牵引控制性能。
图 1-3 柴油机功率和扭矩特性 ---柴油机通过机械直接传动不能适应 机车起动、过载、恒功等要求
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“中原之星”动车组
• 2001年10月生产，动 力分散型交流传动电动 车组。由株电、四方、 株所联合研制生产。 • 电传动方式： 交－直 －交 • 持续制牵引功率6400 kW • 最高运营速度： 160km/h • 平均启动加速度（0～ 52.5km/h，额定载荷） 不小于0.4m/s2
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内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电 网及变压器，经整流器将交流电变换成直流，再通 过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控 制要求变化的交流电，向数台交流牵引电动机供电 的传动方式。
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交-直-交电力机车传动系统
代表性车型：和谐型系列电力机车（HXD）
图1-6 b 电力机车 交-直-交电传动
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第一章
电力牵引传动与控制系统概述
三、国内外机车（动车）传动控制技术 发展历史与现状
1.
大功率（内然）机车电力传动与液 力传动两种主要传动方式的演变与 发展
主要趋势：电力传动
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德国：液力传动机车创始国，但从上世纪60年代起 转向研制交流传动。1971年成功推出DE2500 交-直-交内燃机车。 日本：液力传动机车主要生产和使用国（主要由于 轴重限制原因）。但随着电气化和交流传动 技术的发展，普及了电力传动。客运以动力 分散型电力牵引动车为主。 英国：内燃化初期两种传动方式并存发展，1962年 为配合铁路全盘电气化，英国铁路总局宣布 不再生产液力机车。 美国：1925年制造出第一台直流电传内燃机车，之 后几乎全部生产电传机车。 中国：80年代末基本停止了大功率液传机车的生产， 资阳，二七，四方转产电传机车），确定了 主要发展电力传动的方针。
图1-4 内燃机车直-直电传动
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2.
交-直电力传动系统
内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及 变压器，通过整流结构简单，可靠性高，重量轻，造价较低。 适用于大功率机车。 车型： DF4， DF5，DF7，DF11，ND4，ND5，SS3-SS9等。
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2.
电力传动形式的发展：
直-直
交-直
交-直-交
发展趋势：大功率、电力牵引、交流传动 大功率―单轴功率1100-1600KW 高性能―恒功速比≥2.5，高粘着利用 节 能―低损耗，高效率，功率因数≈1.0 可靠性高，维护性好，谐波干扰小
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1920-1960年代初：世界各国，直-直形式，功率 <2200KW。 （30多年！） 1964：法国首创交-直内燃机车BB67036。开创了交-直传 动和大功率机车的时代。（巨大进步！） 美国： C36-7 3600马力 法国：CC72000 4000马力 CC78000 5000马力 前苏联： TЭΠ 75 6000马力 中国： DF4A-4B 3300马力 DF4C 3600马力 DF4D 4000马力 DF5 4500马力 韶山系列电力机车单轴功率800900KW
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SS3B型电力机车
• SS3B型电力机车为 2002年株电厂开发 的新型重载货运6轴 电力机车，通过内重 联环节连接组成的12 轴重载货运电力机车， 每节车为一完整系统 • 持续制功率8700 kW 持续速度48 km/h 最高速度100 km/h
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SS4型货运电力机车
韶山4（SS4）型电 力机车是由各自独立 且又互相联系的两节 车组成，每节车均为 一个完整的系统。 额定功率6400kW 持续牵引力436.5kN 最大牵引力627.8kN 持续速度51.5km/h 最大速度100km/h
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AC4000型交-直-交电力机车
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DJ2型号交流传动电力机车
我国第一台具有自主知识 产品的商用型交流传动电 力机车。主要用于既有干 线客运牵引和高速专线牵 引通用型客运电力机车 轴式Bo-Bo 电传动方式交-直-交 持续制功率4800kW 持续速度74km/h 最高运营速度200km/h 最大起动牵引力264kN 持续牵引力233kN 再生制动功率 4400kw(108-210km/h) 最大制动力150kN(10108km/h)
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SS6B型货运电力机车
• 1994年研制成功， 交直型6轴货运电力 机车 • 持续制功率4800 kW • 持续速度 50 km/h • 最高速度100 km/h • 起动牵引力485kN • 持续牵引力337.5kN
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韶山8型电力机车
1994年研制的快速 客运电力机车，曾 创造了中国铁路机 车的最高速度 240km／h 轴式Bo-Bo 额定功率3600kW 持续牵引力126kN 最大牵引力208kN 持续速度100km/h 最大速度170km/h
电力传动与控制系统 电网，受电弓
牵引变压器
变流器 控制系统 图 1-1b
牵引电动机
传动齿轮箱 与动轮
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2.
内燃机车理想牵引特性曲线
机车轮轴功率： F· V=3.6η· N 式中： F 机车牵引力（KN） V 机车速度（Km/h） N 原动机功率（KW） η 传动效率 理想特性要求：机车在运行时能 经常利用其动力装置的额定功率. 即： F· V=3.6η· N=const.
图1-5 内燃机车交-直电传动
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3.
交-直-交电力传动系统
图1-6 a内燃机车交-直-交电传动
采用交流牵引电机，彻 底克服了直-直系统的 不足，重量轻，造价低， 可靠性及维修性好 良好的粘着性能 适用于大功率 控制系统复杂 车型： DF4DAC,NJ1,DJ， DJ2，DJJ1（蓝箭）， DJ4，CRH等
电力牵引传动与控制
2013.09 - 2013.10 （交通设备与控制工程 2011级 40学时 ）
潘迪夫
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电力牵引传动与控制
课程主要内容： 电力牵引传动控制概述 电力牵引交直传动与控制 电力牵引交流传动与控制
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主要参考书： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 冯晓云. 电力牵引交流传动及其控制系统. 高等教育出版社，2009.12. 郭世明. 机车动车牵引交流传动技术.机械工业出版社，2012.03 连级三. 电力牵引控制系统. 中国铁道出版社，2004. 王书林. 电力牵引控制系统. 中国电力出版社，2005. 宋雷鸣. 动车组传动与控制. 中国铁道出版社，2009. 黄济荣. 电力牵引交流传动与控制. 机械工业出版社，1999. 徐 安. 城市轨道交通电力牵引. 中国铁道出版社，2000. 李群湛. 高速铁路电气化工程. 西南交通大学出版社，2006. 廖晓钟. 电力电子技术与电气传动. 北京理工大学出版社，2000. 胡崇岳. 交流电动机直接转矩控制. 机械工业出版社，2010.01. 主要参考资料： 1. 2. 3. 机车电传动[J]. 株洲电力机车研究所 内燃机车[J]. 大连内燃机车研究所 其他机车车辆（CRH1-5,HXD1-3, DF4-DF11,SS4-SS9,…）资料及专刊等
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SS-9高速机 车
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SS9G型客运电力机车
六轴干线大功率准高 速客运交直传动电力 机车。采用了许多国 际客运机车先进技术， 是我国干线铁路牵引 旅客列车功率最大的 机车 机车持续功率 4800kW 最大功率5400kW 轴式C0-C0 牵引工况恒功速度范 围为99-160km／h 最高速度为170km／ 25 h
交流传动技术发展
1965：英国研制成功Hawk型内燃机车（BRUSH公 司），采用静止式半导体变频器， Vmax=120Km/h， 1030KW，异步牵引电动机，但变频器欠可靠。 1971：德国BBC和Henschel，DE2500：交-直-交， 1840Kw， Vmax=140Km/h，异步牵引电动机，试验 和干线运行证明机车牵引性能良好，运行经济性好， 可靠性高，维护方便，取得了巨大成功，开创了交流 牵引的时代。1980年首台BR120交流传动干线电力机 车在德国投入试运行。 70年代之后：世界各铁路发达国，争相研制交流传动 机车，交流传动技术特别在电力机车应用方面取得了 极大完善。 1996：中国,AC4000交-直-交原型车，标志着我国机 车交流传动技术进入实质性研究和应用阶段。2000年 “蓝箭” ，2001年DJ2”奥星” 号，……2006年DJ4、 HXD 、CRH1-3、CRH5动车组等
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第一章
电力牵引传动与控制系统概述
二、系统分类
按电流制式不同分为三大类： 直-直电力传动系统｝ 交-直电力传动系统 交-直-交电力传动系统