交流傳動與直流傳動的比較

1、電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)報告交流傳動與直流傳動優(yōu)劣的比較1.電力傳動的發(fā)展從十九世紀七十年代開始，人們就一直努力探索機車牽引動力系 統(tǒng)的電傳動技術。1879年的世界第一臺電力機車和1881年的第一臺 城市電車都在嘗試直流供電牽引方式。1891年西門子試驗了三相交 流直接供電、繞線式轉子異步電動機牽引的機車 ,1917年德國又試 制了采用“劈相機”將單相交流供電進行旋轉、變換為三相交流電的 試驗車。這些技術探索終因系統(tǒng)龐大、能量轉換效率低、電能轉換為 機械能的轉換能量小等因素，未能成為牽引動力的適用模式。1955年，水銀整流器機車問世，標志著牽引動力電傳動技術實用 化的開始。1957年，硅可

2、控整流器（即普通晶閘管）的發(fā)明，標志著 電力牽引跨入了電力電子時代。大功率硅整流技術的出現(xiàn)，使電傳動 內燃機車和電力機車的傳動型式從直 -直傳動（直流發(fā)電機或直流供 電-直流電動機），很自然地被更優(yōu)越的交-直傳動（交流發(fā)電機或交流 供電-硅整流-直流電動機）所取代。1965年，晶閘管整流器機車問世， 使牽引動力電傳動系統(tǒng)發(fā)生了根本性的技術變革，全球興起了單相工頻交流電網電氣化的高潮。隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關 斷晶閘管（GTO）的出現(xiàn)和微機控制技術等的發(fā)展，20世紀70年代以 后出現(xiàn)了交-直-交傳動（交流發(fā)電機或交流供電-硅整流-逆變器-交 流電動機），即所謂的交流傳動，又很自然地取代

3、了交-直傳動。與直流傳動機車相比，交流傳動機車具有啟動牽引力大、恒功率 范圍寬、粘著系數(shù)高、電機維護簡單、功率因數(shù)高、等效干擾電流小 等諸多優(yōu)點，是目前我國鐵路發(fā)展的必然趨勢。2 .交流傳動與直流傳動的比較2.1機車工作原理的比較2.1.1直流傳動電力機車工作原理直流傳動電力機車包括直直型電力機車和交直型整流器電力機車。直直型電力機車是由直流電源供電，直流串勵牽引電機驅動，通 過串并聯(lián)切換加凸輪變阻或晶閘管斬波器調阻（調壓）方式進行調速和控制的機車。一般工礦用4軸電力機車串并聯(lián)切換加凸輪變阻的電 傳動裝置工作過程為：機車由受電弓從接觸網取得直流電，經斷路器 QF啟動電阻R,向4臺直流牽引電動機

4、M1-M4供電，牽引電流經鋼 軌流回變電所。隨著4臺牽引電動機接通電源即行旋轉，電能轉變?yōu)?機械能，分別通過各自的齒輪傳動裝置，驅動機車動輪實現(xiàn)牽引運行。交直型整流器電力機車的能量傳遞是將接觸網供給的單相工頻 交流電，經機車內部的牽引變壓器降壓，再經整流裝置將交流轉換為 直流，然后向直流（脈流）牽引電動機供電，從而產生牽引力牽引列 車運行。如圖所示2.1.2交流傳動電力機車工作原理交（直）交型電力機車是指由各種變流器供電的交流異步或同步 電動機作為傳動電機的電力機車或電動車組。根據(jù)變流器是否帶中間回路，分為交直交變流器和交交變流器兩 類。根據(jù)中間回路選擇元件的不同，又分為電壓型系統(tǒng)、電流型系統(tǒng)

5、 兩種基本結構。因此電力牽引領域的交流傳動機車基本上有兩類：電流型變流器供電的同步或籠型異步電動機機車和電壓型變流器供電 的籠型異步電動機機車。電壓型變流器供電的籠型異步電動機系統(tǒng)原 理。來自接觸網的單相交流電經受電弓引入機車變壓器，在牽引變壓器中變換成所需的合適電壓后送人電源側變流器， 將單相交流電轉換 為直流電，提供給中間回路經平滑功率脈動，送入電動機側的變流器， 將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相交流電供給三相異步牽引電 動機，實現(xiàn)牽引運行。在這個系統(tǒng)中，機車先將電網的交流能量轉換 為直流能量，然后進一步轉換成電壓和頻率可調的交流能量。由于電壓型變流器供電的籠型異步電動機機車的轉矩脈動以

6、及 對電網的反作用小，適合于較大功率的機車，因此干線交流傳動電力 機車絕大部分都采用這種系統(tǒng)。直流傳動機車，無論是直直型還是交直型，共同點是采用直（脈） 流牽引電動機，都可通過控制勵磁電流使牽引電機具有所要求的軟特 性和良好的防空轉性能，脈流牽引電動機雖然在結構上與直流電機有 所不同，但其工作原理基本上與直流電機相同， 直流電動機結構上的 缺點是存在電刷和換向器，無法改變電機存在的火花和環(huán)火的致命缺陷，從而限制了直流電動機的功率和容量，不能很好地滿足鐵路高速 重載的發(fā)展要求，繼而限制了直流傳動機車的發(fā)展，因此在機車上采 用無整流子的交流電動機成為趨勢。2.2交流傳動與交直流傳動機車主電路的比較

7、交流傳動機車與交直流傳動機車都是將接觸網供給的單相工頻交流電，經受電弓進入機車內部的牽引變壓器降壓，再經整流裝置將單相交流電轉換為直流電。所不同的是，交直傳動機車會將轉換來的 直流電通過濾波電抗器、電磁繞組進行濾波，然后向直流（脈流）牽 引電動機供電，從而產生牽引力牽引列車運行。而交流傳動機車會將 轉換來的直流電通過逆變器再逆變成三相交流電，向三相異步牽引電動機供電。交直與交流傳動機車主電路比較交直傳劫機車主電路交說軸 J交流傳動機車主電路交流傳動與直流傳動機車主電路的區(qū)別在于兩者變流裝置的不 同，從而造成的能量傳遞形式的不同。 而交流傳動機車與直流傳動機 車本質上的不同是，這兩者所采用的牽引

8、電機不同。交直與交流傳動 機車主電 路比較如 圖所示。3. 電力電子在交流傳動機車上的應用在交流傳動技術的發(fā)展過程中，電力電子器件的發(fā)展是這一技術 進步的物質基礎。第一代機車采用快速晶閘管 ，變流機組復雜、效率 較低、可靠性和可維修性等均不理想。隨著大功率GTO器件的誕生,上世紀80年代中后期被迅速應用于大功率交流傳動機車動車，技術性能又有新的提高。進入上世紀90年代,中高壓IGBT相繼問世，器件 品質進一步提高，變流機組又開始更新?lián)Q代。與此同時，控制策略的發(fā)展是交流傳動技術進步的理論基礎。 先 后研究、應用了晶閘管移相整流控制、PWM控制、四象限脈沖整流控 制、磁場定向控制、直接轉矩控制等方

9、法。微電子、信息技術等為交流傳動技術進步提供了現(xiàn)代控制手段。 從過去復雜的模擬-數(shù)字電路實現(xiàn)簡單的控制功能，進人現(xiàn)代網絡化 控制、小型化及模塊化結構。微計算機和微處理器品質不斷提升，由8位進步到32位、64位,由定點運算進步到浮點運算，處理能力大幅 提升,構筑了以高速數(shù)字信號處理器為核心的實時控制器。由此可見，電力電子技術這門綜合學科對牽引動力交流傳動系統(tǒng) 的發(fā)展產生了強大的推動力。4. 總結通過機車交流傳動與直流傳動的分析比較，我們不難看出交流傳 動機車明顯的發(fā)展優(yōu)勢。交流傳動機車所以成為現(xiàn)代機車發(fā)展的方 向，正是由異步電動機的特點和優(yōu)點所決定的。 和傳統(tǒng)的串激直流電 動機驅動系統(tǒng)相比，交流

10、異步電動機驅動系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在機械、絕緣、耐熱、耐潮、粘著、維修、效率、重量尺寸等諸多方面。1. 構造簡單，轉速高異步電動機是所有電機中結構最簡單的電動機，除軸承外，沒有其他機械接觸部分。串激直流電動機則不然，結構復雜，定子、轉子 都有絕緣要求很高的繞組，有換向器裝置和電刷機構，磨擦部分多， 接線復雜，機械轉速受換向條件和機械強度的限制，只能達到 2500r/min左右。而交流異步電動機轉速可達 4000r/min以上，試驗 轉速甚至可達6000r/min，這是直流電機所望塵莫及的。2. 粘著性能好（1）異步電動機有很硬的機械特性，所以當某電機發(fā)生空轉時， 隨著轉速的升高，轉矩很快降低，具

11、有很強的恢復粘著的能力。空轉 發(fā)生時，轉速上升值不大，即使是同步轉速，與原工作點的轉速差不 會超出5刎上。串激電動機則不然，轉矩變化一點，轉速就有很大 的變化。（2）異步電動機的工作點可以很方便地進行平滑調節(jié)，以實現(xiàn) 最大可能的粘著利用，不會出現(xiàn)粘著中斷情況。根據(jù)檢測有關粘著控 制的信號，準確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工 作點，使驅動系統(tǒng)既不能發(fā)生空轉，又能充分發(fā)揮最大的牽引力。（3）可實現(xiàn)各軸單獨控制。當某臺電機發(fā)生空轉時，可調節(jié)該 臺電機，這樣能充分利用機車的粘著性能。在交一直傳動系統(tǒng)中，某 軸空轉時，需要使所有各軸電機卸載，這樣就大大降低了機車的牽引 能力。由于上述特性

12、和良好的控制功能，交直交傳動系統(tǒng)的粘著系數(shù)可 以利用得很高，能達到40%以上，而交一直傳動系統(tǒng)的粘著系數(shù)在 36% 以下。3. 功率大，牽引力大這個概念是指在其它條件大致相同的前提下，在機車結構所提供的空間條件下，可以裝更大功率的異步電動機。目前，從國外統(tǒng)計資 料來看，不同類型電機其單位重量功率可達到的比值為：直流電動機為0.33kW/kg，同步電動機為 0.5kW/kg，異步電動機為0.68kW/kg。 隨著科技的發(fā)展，異步電動機的單位重量功率將越來越高。如日本新干線300系列原型試驗車，所采用的交流異步牽引電動機其功率達到 300kW而其重量不足400kg，單位重量功率可達0.75kW/k

13、g。這一經 濟技術指標，對世界各國正在大力發(fā)展的重載和高速機車尤為有利。4. 可靠性高，維修簡便交流異步電動機無換向器、無電刷裝置；除軸承外無磨擦部件， 密封性好，防潮、防塵、防雪性能好；全部電氣部件均是絕緣的，且 所用絕緣材料均為H級或F級，絕緣性能好，耐熱性能好。因此故障 率低，可靠性高?？刂蒲b置是模塊結構，故障率也很低，驅動系統(tǒng)的 全部運行過程和控制過程均由無觸點電子元件完成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經常發(fā)生的觸點磨損、粘連、接觸不良、機械卡滯等問題。另 外交流傳動機車有完備的微機監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時監(jiān)視 系統(tǒng)的技術狀態(tài)，進行故障診斷。綜上所述，可知交流傳動系統(tǒng)的可 靠性是很高的，

14、維修量很小，且檢修簡便，維修費用大大降低。5. 簡化了機車主電路異步電動機的正、反轉及牽引、制動狀態(tài)的轉換，通過微機控制 裝置改變逆變器的輸出相序即可實現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機車主線路中的兩位置轉換開關可省去， 主電路變得十分簡單，使整車的 可靠性大大提高，降低了使用維修費用。6. 效率高，利用率高，使用靈活性強交流傳動系統(tǒng)的總效率約為 0.90，而交直流傳動系統(tǒng)的總效率 約為0.86。由可靠性、耐久性和易于維修的結合，使交流傳動機車 的利用率顯著提高。與直流傳動機車相比，HXD3型交流傳動機車的利用率提高了 10%對鐵路運營管理來說，在計算所需數(shù)量時，機車 利用率起著重要作用，對所需投資

15、有決定性的影響。交流傳動機車有很強的使用靈活性，它既可滿足貨運的大的起動 牽引力的要求，又可滿足客運高速度的要求。7. 動力性能和制動性能較好異步電動機結構緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下 重量小，有較高的曲線通過能力，對軌面的沖擊力小。可在廣闊的速度范圍內實行電制動， 甚至可以制動到零，制動功 率大。一部分電制動的能量可用于其它輔助設備。8. 顯著的節(jié)能效果交流傳動電力機車，由于應用了四象限脈沖整流器，使得機車在 1/4額定功率以上時的功率因數(shù)接近于 1。牽引同噸位的列車，接觸 網電流可降低20噓右。另外，它在不增加任何設備的情況下，就能方便地實現(xiàn)再生制動，從運行結果看可反饋 10%勺能量，且品質比相 控機車好得多。9. 解決了對信號和通信設備的干擾交流傳動的電力機車，應用了四象限脈沖整流器作為輸入端變流 裝置，不僅改善了接觸網的功率因數(shù)，而且也