电力牵引交流传动与控制
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10
3.
交流传动的优点
由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采 用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统 是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点： 异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑， 可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可 达45%，交-直机车25%） 牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修 方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑 动接触部件） 单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积 小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率 可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同 步电动机0.5kw/kg，异步 电动机0.68kw/kg或更高） 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低
第三章 电力牵引交流传动与控制
主要内容： 电力牵引交流传动技术概述 电力牵引交流传动基础 交-直-交变流器与逆变器 电力牵引交流传动的控制技术
1
第三章 电力牵引交流传动与控制
一、电力牵引交流传动技术概述
1.
机车交流传动系统的基本结构 交流传动机车： （特指）采用各种变流器供电，交 流异步或同步电动机驱动的机车或 电动车组。 变流器类型： 交-交变流器（直接式） 交-直-交变流器（间接式）
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20世纪90年代：交流传动技术成为热点 美国异军突起（至1997达1400台） SD60MAC（GM公司 2834kw GTO 微机控制 1992） AC4000（GE公司 3281kw GTO 32位微机 1994） AC6000（GE公司 4474kw GTO 32位微机 1994） 欧洲 GEC-Alsthom公司 为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997 中国交流牵引传动技术发展 70-80 年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态 1992 研制成功1000kw地面变流器（试验）装置 1996 AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机 1025kw） 2000 DJJ1”蓝箭” 220km/h IPM器件 直接转矩控制 1225kw异步电动机 2001 DJ2”奥星”号竣工，田心厂等 动车组 4800KW， Vmax=160Km/h，自主知识产权 2002 “中华之星” 试验速度：312.5公里/小时 2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4
② 交流电传动机车技术发展
20世纪60-70年代：初期发展阶段 1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统 1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2500 70年代 共生产25套 20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车 上获得推广应用 欧洲发展迅速（共计达350多台） DE500系列（Mak公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（Mak+ABB公司 2650kw GTO 挪威国铁） ME1500（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管1981） 美国铁路交流传动投入不足，发展较慢 ----仅在老机车改造方面作了尝试
8
电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：
注：SIT(SITH)—静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)—MOS控制晶体管（晶闸管）
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④ 交流传动控制装置及控制技术的发展
上世纪80年代以前 主要为模拟器件和开关逻 辑器件控制方式 80年代 出现16位微机控制，如MICAS、 SIBAS-16等 90年代 32位微机控制，如SIBAS-32等 交流传动控制技术： • 微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和 最优控制 • 电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、 矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接 转矩控制（控制转矩和磁链）
6
③
大功率电力电子器件的发展 ---交流传动发展的关键技术之一
晶闸管（Thyristor） 70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频 目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V 主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。 GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器 目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V 主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于1-2kHz （吸收电路、触发和关断电路是关键） GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管 电流控制双极型自关断元件， 通态压降低 目前水平：600A/1200V、450A/1300V 主要问题：难于突破1500V 功率场效应管（Power MOSFET） (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小 目前水平：200A/1000V
IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块
集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体 的智能型模块 中国机车用大功率半导体器件发展水平 晶闸管：200-3000A/6500V GTO：600A/2500V（1993），目前研制500-2000A/2500-4500V
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IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管
兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混 合器件，电压控制元件 国外已发展到第五代： 第1代（1985 ） 500-1000V 25A 第2代（1989 ） 600-1200V 400A 第3代 高频、低耗、低压降 1200-2000V 第4、5代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至1500A/1600V 模块化、智能化
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系统基本结构型式 （电压型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统（普遍应用） （电压型）交-直-交变流器+交流 同步牵引电机系统 （电流型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统 交-交变流器+交流同步牵引电机 系统
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2. 发展历史与现状
① 交流调速技术
ຫໍສະໝຸດ Baidu
上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理 论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术---大功率 半导体器件） 应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域 日本 1975 直流 80%，交流 20% 1985 直流 20%，交流 80% 全世界 上世纪80年代后五年 交流调速年均增长13%-14% 直流调速年均增长3%-4% 中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电 量38%。采用交流调速节能前景广阔 4
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交流传动的优点
由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采 用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统 是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点： 异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑， 可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可 达45%，交-直机车25%） 牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修 方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑 动接触部件） 单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积 小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率 可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同 步电动机0.5kw/kg，异步 电动机0.68kw/kg或更高） 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低
第三章 电力牵引交流传动与控制
主要内容： 电力牵引交流传动技术概述 电力牵引交流传动基础 交-直-交变流器与逆变器 电力牵引交流传动的控制技术
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第三章 电力牵引交流传动与控制
一、电力牵引交流传动技术概述
1.
机车交流传动系统的基本结构 交流传动机车： （特指）采用各种变流器供电，交 流异步或同步电动机驱动的机车或 电动车组。 变流器类型： 交-交变流器（直接式） 交-直-交变流器（间接式）
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20世纪90年代：交流传动技术成为热点 美国异军突起（至1997达1400台） SD60MAC（GM公司 2834kw GTO 微机控制 1992） AC4000（GE公司 3281kw GTO 32位微机 1994） AC6000（GE公司 4474kw GTO 32位微机 1994） 欧洲 GEC-Alsthom公司 为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997 中国交流牵引传动技术发展 70-80 年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态 1992 研制成功1000kw地面变流器（试验）装置 1996 AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机 1025kw） 2000 DJJ1”蓝箭” 220km/h IPM器件 直接转矩控制 1225kw异步电动机 2001 DJ2”奥星”号竣工，田心厂等 动车组 4800KW， Vmax=160Km/h，自主知识产权 2002 “中华之星” 试验速度：312.5公里/小时 2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4
② 交流电传动机车技术发展
20世纪60-70年代：初期发展阶段 1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统 1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2500 70年代 共生产25套 20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车 上获得推广应用 欧洲发展迅速（共计达350多台） DE500系列（Mak公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（Mak+ABB公司 2650kw GTO 挪威国铁） ME1500（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管1981） 美国铁路交流传动投入不足，发展较慢 ----仅在老机车改造方面作了尝试
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电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：
注：SIT(SITH)—静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)—MOS控制晶体管（晶闸管）
9
④ 交流传动控制装置及控制技术的发展
上世纪80年代以前 主要为模拟器件和开关逻 辑器件控制方式 80年代 出现16位微机控制，如MICAS、 SIBAS-16等 90年代 32位微机控制，如SIBAS-32等 交流传动控制技术： • 微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和 最优控制 • 电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、 矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接 转矩控制（控制转矩和磁链）
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③
大功率电力电子器件的发展 ---交流传动发展的关键技术之一
晶闸管（Thyristor） 70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频 目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V 主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。 GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器 目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V 主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于1-2kHz （吸收电路、触发和关断电路是关键） GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管 电流控制双极型自关断元件， 通态压降低 目前水平：600A/1200V、450A/1300V 主要问题：难于突破1500V 功率场效应管（Power MOSFET） (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小 目前水平：200A/1000V
IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块
集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体 的智能型模块 中国机车用大功率半导体器件发展水平 晶闸管：200-3000A/6500V GTO：600A/2500V（1993），目前研制500-2000A/2500-4500V
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IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管
兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混 合器件，电压控制元件 国外已发展到第五代： 第1代（1985 ） 500-1000V 25A 第2代（1989 ） 600-1200V 400A 第3代 高频、低耗、低压降 1200-2000V 第4、5代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至1500A/1600V 模块化、智能化
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系统基本结构型式 （电压型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统（普遍应用） （电压型）交-直-交变流器+交流 同步牵引电机系统 （电流型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统 交-交变流器+交流同步牵引电机 系统
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2. 发展历史与现状
① 交流调速技术
ຫໍສະໝຸດ Baidu
上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理 论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术---大功率 半导体器件） 应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域 日本 1975 直流 80%，交流 20% 1985 直流 20%，交流 80% 全世界 上世纪80年代后五年 交流调速年均增长13%-14% 直流调速年均增长3%-4% 中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电 量38%。采用交流调速节能前景广阔 4