列车电力传动与控制第1章交-直流传动技术课件.ppt
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1、电力传动与控制电力传动与控制列车电力传动控制列车电力传动控制列车电力传动与控制列车电力传动与控制交交-直流传动系统直流传动系统(EL/EMU)2022-8-11第第1章章 交交-直流电力传动系统直流电力传动系统 1.1 电力传动系统的组成电力传动系统的组成 1.2 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU速度调节速度调节 1.3 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU的调压方式的调压方式 1.4 电力机车电力机车/EMU的起动与动力制动的起动与动力制动 1.5 相控调压电力机车功率因数的改善相控调压电力机车功率因数的改善电力传动与控制电力传动与控制 交-直流传动系统是指机车或动车
2、组采用交流电源供电经变流器变换为直流电,供给直流牵引电动机驱动机车或动车组运行的传动系统,是直流传动系统的主要传动方式。由于交流电源供给方式不同,有外接电源与自备电源之别,相应的牵引动力装置有电力机车与内燃机车之区别。在直流传动系统中,电力传动内燃机车经历了直-直流传动、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、2022-8-
3、13电力传动与控制电力传动与控制调压开关与晶闸管结合的级间平滑调压和相控无级调压。调压开关与二极管组合的有级调压方式,由于调压开关结构复杂、输出电压不连续等原因,早已被淘汰。调压开关与晶闸管结合的级间平滑调压是介于有级调压与无级调压方式之间的一种过渡调压方式,应用较少,国产电力机车中只有SS3型电力机车采用此电路。晶闸管相控平滑调压作为交-直流传动电力机车/EMU的主要调压方式,技术成熟、运行可靠,仍有大量的相控电力机车/EMU在应用。国产电力机车SS3B SS9G,日本新干线100、200、400系动车组均为相控调压。纵观电力牵引控制技术的发展历程,它随着电力电子技术、计算机技术以及控制理论
4、的发展而发展。西方发达国家早在20世纪90年代已经停止了直流传动机车的制造,全面进2022-8-14电力传动与控制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。我国目前在线运我国目前在线运用的机车绝大多数属于交用的机车绝大多数属于交-直流传动机车直流传动机车。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置,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
5、技术(机车)的发展概略为:2022-8-15电力传动与控制电力传动与控制在应用相控)相控平滑调压(晶闸管已淘汰晶闸管)压开关相控级间平滑调压(调已淘汰二极管)关单拍全波整流(调压开直流传动-交未采用直流传动-直电力机车在应用直流传动-交已淘汰直流传动-直内燃机车直流传动 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。2022-8-161.1 1.1 电力牵引传动系统的组成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置两大部分组成,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置的传动系统。牵引动力装置主要指电力机车、电
6、动车组(EMU)。电力牵引系统组成如图1-1所示。一般习惯上以车载受电弓为分界点,受电弓以上为供电部分,包括接触网线、牵引变电所等;受电弓及以下为牵引动力装置部分。这里只讨论牵引动力装置的传动系统,即从受电弓、高压电器、牵引变压器、牵引变流器到牵引电动机的主电路部分。交-直流传动的电力机车及EMU的工作原理如图1-2所示。牵引变电所将来自于国家电网的高压三相交流电,经变压器降压变换成25kV,并以单相形式供给接触网。通过受电弓等高压电器,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,经车体接地装置与钢轨、回流线联结,与牵引变电所形成高压供电回路。同
7、时经牵引变压器的降压作用,在二次侧绕组上产生牵引及辅助系统所需交流电压,向牵引整流器供电,通过整流器将单相交流电变换为直流(脉流),为直流牵引电动机提供电能。直流牵引电动机将电能转换为机械能,产生转矩驱动轮对旋转,在轮轨间产生牵引力,驱动机车运行。电力机车/EMU的电力传动系统电气线路按其作用,可分为主电路、控制电路和辅助电路三大部分。主电路是由受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、牵引变流装置、牵引电动机、平波电抗器、制动电阻及其相联接的电气设备组成,是机车产生牵引力和制动力的主体电路,它应满足机车起动、调速及制动三个基本工作状态的要求。辅助电路主要由提供三相交流电的劈相装置和各种辅助
8、机械拖动电动机等组成。劈相装置将单相交流电变换为三相交流电,供给各辅助机械拖动电动机。它是保证主电路发挥功率和实现牵引性能所必需的电路。控制电路就是执行司机的控制命令或意图,完成对主电路、辅助电路的间接控制的低压电路。它由各种主令电器及控制模块组成。起动、调速及制动是列车运行的基本规律,它们是通过电力机车/EMU主电路、控制电路和辅助电路共同作用实现的。为了充分发挥机车/EMU的功率,实现多拉快跑,就要求机车/EMU不仅能在不同的线路和载荷条件下改变牵引力,而且还要求在相同的牵引力下得到不同的速度。由此可见,电力机车/EMU主电路必须保证牵引电动机的转矩和转速都可作独立的调节,而且要有宽广的调
9、节范围。起动、调速及制动起动、调速及制动是列车运行的基本规律,它与主电路结构、牵引电动机的配置与供电方式、调速方式、动力制动方式都有着密切关系。电力传动与控制电力传动与控制1.2 1.2 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU速度调节速度调节 电力机车/EMU主电路是高电压、大电流的大功率动力回路。通过主电路的功率传递,将变电所的电能转变成适用于列车牵引所需要的牵引力。由于主电路的结构不同、调压方式不同,会在很大程度上决定着机车/EMU的基本性能。电力机车/EMU性能的好坏,技术上的难易程度,投资的多少,以及它运行费用的高低和可靠性等重要技术经济指标,均与主电路的设计密切相关。交-直流
10、传动电力机车/EMU速度的调节,是通过对直流(脉流)牵引电动机转速的调节来实现的,因此,电力机车/EMU的调速问题归根到底就是对牵引电动机如何调速的问题。2022-8-112电力传动与控制电力传动与控制 机车调速是指人为地改变牵引电动机的工作参数人为地改变牵引电动机的工作参数使其转速发生改变的运行过程,它有别于外部扰动(电压变化、线路基本状态变化等)引起地转速变化。机车对调速系统的基本要求:调速平滑且牵引力连续变化,尽量减小冲击;调速范围要能够满足牵引要求,尽可能大一些;调速的经济性指标要高,调速系统运行要求可靠。2022-8-113电力传动与控制电力传动与控制1.2.1 1.2.1 直流牵引
11、电动机的工作特性直流牵引电动机的工作特性 为了便于进行调速分析,在此将直流牵引电动机的励磁方式及工作特性作一简单回顾。1.1.直流牵引电机的励磁方式直流牵引电机的励磁方式 直流牵引电动机在结构上与普通直流电动机基本相同。直流电机的性能取决于励磁绕组的供电方式即励磁方式,不同励磁方式的电机,性能差异很大。按励磁方式的不同可分为:他励、并励、串励、复励。他励、并励、串励、复励都可用以直流电动机,对于直流发电机只能采用他励、并励和复励,不允许采用串励方式。直流牵引电动机一般采用串励方式,只有个别系统中采用串励为主的他复励方式。2022-8-114 (1)直流他励电动机 他励直流电动机是一种励磁绕组C
12、1-C2与电枢绕组S1-H2无电路联接关系,由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电动机,如图1-3a所示。励磁绕组又称他励绕组,其主磁场与电枢电流无关,励磁电流 仅取决于他励电源的电动势和励磁电fI路的总电阻,而不受电枢端电压的影响。永磁直流电机也可看作是他励直流电机。(2)直流并励电动机 并励电动机的励磁绕组C1-C2与电枢绕组S1-H2相并联,励磁电压始终等于电枢电压,Uf=Ua、If+Ia=I,如图1-3b所示。(3)直流串励电动机 串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联,如图13c所示。它的励磁电流就是电枢电流,即 。励磁绕组又称串励绕组。串励绕组电流较大,因此要求串励绕组应具有较小的电阻。为
13、此,所用导线要求粗且匝数较小,但由于流过的电流较大,故磁极仍能产生较大的磁通。(4)他复励直流电机afII这种电机的主磁极上有两个励磁绕组,一个同电枢绕组串联(称为串励绕组C1-C2),另一个同电枢绕组无连接关系(称为他励绕组C3-C4),如图13d所示。他复励电动机的特性总是介于串励、他励电机特性之间。作为牵引电动机主要以串励成分为主,它保持了串励和他励方式的优点,克服了缺点与不足,可以灵活地获得优异的工作特性。牵引电机根据列车的运行状态(即牵引与制动状态),工作在电动机工况和发电机工况。电动机工况采用串励方式,将电能转换为机械能,为列车产生牵引动力;发电机工况采用他励方式,将吸收列车惯性能
14、量,将其转化为电能,对列车产生制动力。电力传动与控制电力传动与控制 2 2.直流牵引电动机的工作特性直流牵引电动机的工作特性 工作特性是指当电源电压及励磁电流不作人为调节时,电动机的转速 、电磁转矩 随电枢电流 的变化关系。(1)(1)速率特性速率特性 由公式 及 可得出:对于他励(并励)电动机,若不计电枢反应影响,则有:)(aIfn nemTaInCEeaaaaRIEUCaInn0式中,为理想空载转速;为特性曲线的斜率。显然,他励(并励)电动机其速率特性是一条斜率为的直线,斜率的大小取决于电枢回路的总电阻值。e0CUn eaCR2022-8-118电力传动与控制电力传动与控制 对于串励电动机
15、,由于 ,即气隙主磁通随电枢电流而变化。若不考虑磁路饱和的影响,afIKfaII fesaafeaesaeeaaKCRRIKCUICRRCUCRIUn1式中 电枢回路总电阻,其中 串励绕组的电阻。由此可看出,串励电动机的速率特性是一条等边双曲线软特性。当负载电流 增加时,其转速随负载的增加而迅速下降。当负载很小时,主磁通亦很小,使其转速极aRsaaRRRsRaI(1-1)2022-8-119电力传动与控制电力传动与控制高,将产生“飞车”现象,后果十分危险。因此,串励电动机不允许空载运行和轻载运行。在选择传动方式时不允许采用皮带传动或链条传动等间歇传动方式。(2)2)转矩特性转矩特性 串励电动机
16、若不考虑磁路饱和的影响,则有 即转矩特性是一条关于电枢电流的二次方函数。当磁路完全饱和以后,。此时电磁转矩与电枢电流成正比。所以,串励电动机其电磁转矩与电枢电流之间的关系总是大于一次方而小于二次方,即 。也就是)(aemIfTafIK2afTaTemIKCICTaTaTemICICTC,21,aemIT2022-8-120说,在相同条件下,串励电动机的起动、过载能力都大于其它电动机。串励电动机的工作特性如图14所示。(3)机械特性机械特性 串励电动机的机械特性是指 时,。从电动机的电压方程可知:)(emTfn NUU)(emTfn 电力传动与控制电力传动与控制aSafesaaesaaaIRRn
17、KCRRInCRRIEU)()()(式中 (不考虑磁路的饱和)。于是电磁转矩表示为afIK2safefT2afTaTemRRnKCUKCIKCICT)(由此可解出)(saemfTfeRRUTKCKCn1(1-2)2022-8-122电力传动与控制电力传动与控制 串励电动机的机械特性也是一条软特性,随着电磁转矩的增加,电动机的转速迅速下降,即 。1.2.2 1.2.2 牵引电动机特性分析牵引电动机特性分析 串励电动机由于具有“软特性”,因此与他励电动机相比,在相同的负载变化时,串励电动机可有更大的转速和转矩变化。在内燃机车电力传动装置中,牵引电动机由恒功率电源供电,可使牵引电动机在电源电压较小变
18、化时具有较大的转速和转矩变化,故调速容易,调速范围广,可见串励电动机更适合机车牵引。在电传动机车上,一般总有几台牵引电动机同时并联运行,由于电动机的特性不可能完全一致,或者电动机驱动的emTn12022-8-123动轮直径不完全相等,因此,这些都将使各电动机之间的负载分配不均匀。当两台并联运行的电动机转速相同时,由于性能的差异电力传动与控制电力传动与控制而导致负载电流分配出现不均匀,此时牵引电动机之间的负载分配关系如图16所示。对于串励电动机而言,由于具有软特性,这种负载分配的不均匀性远较他励电动机小得多,可防止个别电动机在运行时发生严重过载现象。在牵引电动机独立传动的情况下,当机车起动或爬坡
19、时,经常发生动轮和钢轨之间因粘着条件的破坏而使动轮空转的现象,在这种情况下,串励电动机的软特性不利于粘着条件的恢复。而他励电动机的硬特性却有利于防止动轮空转,因为在出现空转时他励电动机电枢电流和转矩随着转速的微小增加而急剧下降,促使粘着条件的迅速恢复。串、并2022-8-125励牵引电动机的防空转能力比较如图17所示。1.2.3 1.2.3 直流牵引电动机的调速方式直流牵引电动机的调速方式 根据直流牵引电动机转速表达式 可知,直流牵引电动机的调速可通过改变电枢两端电压和减小磁通来实现,即改变电枢电压调速改变电枢电压调速和弱磁调速。1.1.改变电枢电压调速改变电枢电压调速 由式(1-1)可知:当
20、负载一定时,若忽略电枢回路的电阻压降,可认为电动机的转速与电枢端电压成正比,提高电枢端电压将提高转速。电枢端电压的提高是以额定电压为限值,对应的转速为调节电压所能达到的最高转速,即改变电枢端电压调速是以额定电压对应转速为最高转速的调速方法。aeaeaaesaeaICRCUICRRCUn电力传动与控制电力传动与控制 调速时直流牵引电动机的电磁转矩 。当牵引电动机在电枢端电压U1、电枢电流 Ia1下,以转速n1在a点稳定运行时,若提高电压至U2,原有的平衡状态被破坏,由于机械惯性很大,在电压发生突变的瞬间,转速来不及变化,电动机的反电势Ea也将保持不变,而电枢电流 Ia必将突然增大到Ia2,电动机
21、的工作点由a点跳变到电压U2对应的速率特性曲线上的b点,如图1-8所示。在b点,Ia2Ia1,电动机的电磁转矩也远大于负载转矩,根据牛顿定律,电动机将以很高的加速度加速运行,转速沿着电压U2对应的速率特性曲线上升。若负载未变仍为Ia1,随着转速的上升,电枢电流和电磁转矩逐渐减小,加速度减小,直到加速度变为零时,电动机转速上升到了n2,电枢电流再次恢复到了Ia1,电动机2afTaTemIKCICT2022-8-128的输出转矩与负载转矩相平衡,电动机将在c点稳定运行,此时转速因电压提高而升高到了n2。改变电压调速时的速率特性如图1-8所示。电力传动与控制电力传动与控制 2.2.弱磁调速弱磁调速
22、对于机车/动车组而言,只有当调压资源用尽后才开始实施磁场削弱调速,即进行磁场削弱调速时,电源电压达到最大值且保持不变。若不考虑电枢回路的电阻压降,则有 即磁削后电动机转速升高,转速与磁通基本成反比关系。削磁后的转速都高于额定磁场时的转速,削磁后的人为特性总是处于固有特性(额定磁通之特性)的上方。在负载一定时进行磁削,电动机的电磁转矩保持不变,即eaCUn1221nnemNememTTT21aNNTaTaTICICIC2211(1-3)2022-8-130电力传动与控制电力传动与控制1221aaII 也就是说,磁削前后电动机的电枢电流与磁通成反比关系。磁削后电枢电流将会增大,转速升高,这对电动机
23、换向带来困难。通过对串励绕组电流进行分流,可实现磁场削弱。一般采用在串励绕组两端并联分流电阻或接入可控元件的方法实现,电路如图110所示。若在串励绕组两端并联固定阻值的分流电阻,其磁通不能连续变化,只能是有级变化,这种磁削方法称为电阻有级磁削。(1-4)2022-8-131电力传动与控制电力传动与控制 若在串励绕组两端并联可控元件,通过改变其导通角的大小来调节所通过的电流,就可以实现对励磁电流的连续调节,达到无级削磁的目的。此方法只适合于电力机车/EMU。磁场削弱程度用磁削系数来表示:afafIININI磁削前的磁势磁削后的磁势cxfaIIIcxscxafRRRII (1)并联电阻分流磁削 即
24、磁削系数 值取决于励磁绕组与分流电阻的阻值大小。(1-5)2022-8-134电力传动与控制电力传动与控制 为了减小磁削后由于电枢电流增大而产生的冲击,磁削电阻一般都是采取分级并入的方法。磁削深度一定时,磁削电阻的并入级数越多,产生的冲击电流越小,电动机调速越平滑,但所需的电磁开关器件的数量相应增加很多,不仅增加了设备成本,而且使得电路结构复杂化,影响电路的可靠性。故一般磁削电阻并联的级数以2-3级为宜。(2)可控元件分流磁削 在励磁绕组两端并联可控元件,调节可控元件的控制角 就可以连续改变励磁电流的大小,实现无级磁场削弱。可控元件一般采用晶闸管,依靠电源电压过零点时自然换向,要求主整流器半控
25、桥必须工作在全开放状态。2022-8-135电力传动与控制电力传动与控制 无论采用何种磁削方式,对磁削深度必需要加以控制。在保证牵引电动机可靠换向的前提下,尽可能采用较深的磁削深度,以提高牵引电动机的调速范围,一般 。采用磁场削弱的方法调速,调速范围较大,调速在励磁回路进行,附加能耗较小,调速前后电动机的效率变化不大,是一种经济的调速方法。它的缺点主要是使牵引电动机换向条件恶化,磁削较深时容易发生环火。因此,必须要限制磁削的深度。机车在平直线路上实施磁削可提高运行速度,在上坡线路上进行磁削可实现恒速运行。%40min2022-8-136电力传动与控制电力传动与控制1.3 1.3 交交-直流传动
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