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(bào)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(jì)七十年代開始，人們就一直努力探索機(jī)車牽引動力系 統(tǒng)的電傳動技術(shù)。1879年的世界第一臺電力機(jī)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(yàn)了三相交 流直接供電、繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)牽引的機(jī)車 ,1917年德國又試 制了采用“劈相機(jī)”將單相交流供電進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、變換為三相交流電的 試驗(yàn)車。這些技術(shù)探索終因系統(tǒng)龐大、能量轉(zhuǎn)換效率低、電能轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能的轉(zhuǎn)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(jī)車問世，標(biāo)志著牽引動力電傳動技術(shù)實(shí)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(biāo)志著 電力牽引跨入了電力電子時(shí)代。大功率硅整流技術(shù)的出現(xiàn)，使電傳動 內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的傳動型式從直 -直傳動（直流發(fā)電機(jī)或直流供 電-直流電動機(jī)），很自然地被更優(yōu)越的交-直傳動（交流發(fā)電機(jī)或交流 供電-硅整流-直流電動機(jī)）所取代。1965年，晶閘管整流器機(jī)車問世， 使?fàn)恳齽恿﹄妭鲃酉到y(tǒng)發(fā)生了根本性的技術(shù)變革，全球興起了單相工頻交流電網(wǎng)電氣化的高潮。隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關(guān) 斷晶閘管（GTO）的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)等的發(fā)展，20世紀(jì)70年代以 后出現(xiàn)了交-直-交傳動（交流發(fā)電機(jī)或交流供電-硅整流-逆變器-交 流電動機(jī)），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(jī)車相比，交流傳動機(jī)車具有啟動牽引力大、恒功率 范圍寬、粘著系數(shù)高、電機(jī)維護(hù)簡單、功率因數(shù)高、等效干擾電流小 等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)車工作原理的比較2.1.1直流傳動電力機(jī)車工作原理直流傳動電力機(jī)車包括直直型電力機(jī)車和交直型整流器電力機(jī)車。直直型電力機(jī)車是由直流電源供電，直流串勵(lì)牽引電機(jī)驅(qū)動，通 過串并聯(lián)切換加凸輪變阻或晶閘管斬波器調(diào)阻（調(diào)壓）方式進(jìn)行調(diào)速和控制的機(jī)車。一般工礦用4軸電力機(jī)車串并聯(lián)切換加凸輪變阻的電 傳動裝置工作過程為：機(jī)車由受電弓從接觸網(wǎng)取得直流電，經(jīng)斷路器 QF啟動電阻R,向4臺直流牽引電動機(jī)

4、M1-M4供電，牽引電流經(jīng)鋼 軌流回變電所。隨著4臺牽引電動機(jī)接通電源即行旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)?機(jī)械能，分別通過各自的齒輪傳動裝置，驅(qū)動機(jī)車動輪實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。交直型整流器電力機(jī)車的能量傳遞是將接觸網(wǎng)供給的單相工頻 交流電，經(jīng)機(jī)車內(nèi)部的牽引變壓器降壓，再經(jīng)整流裝置將交流轉(zhuǎn)換為 直流，然后向直流（脈流）牽引電動機(jī)供電，從而產(chǎn)生牽引力牽引列 車運(yùn)行。如圖所示2.1.2交流傳動電力機(jī)車工作原理交（直）交型電力機(jī)車是指由各種變流器供電的交流異步或同步 電動機(jī)作為傳動電機(jī)的電力機(jī)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(jié)構(gòu)。因此電力牽引領(lǐng)域的交流傳動機(jī)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(jī)機(jī)車和電壓型變流器供電 的籠型異步電動機(jī)機(jī)車。電壓型變流器供電的籠型異步電動機(jī)系統(tǒng)原 理。來自接觸網(wǎng)的單相交流電經(jīng)受電弓引入機(jī)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(cè)變流器， 將單相交流電轉(zhuǎn)換 為直流電，提供給中間回路經(jīng)平滑功率脈動，送入電動機(jī)側(cè)的變流器， 將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電供給三相異步牽引電 動機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換 為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。由于電壓型變流器供電的籠型異步電動機(jī)機(jī)車的轉(zhuǎn)矩脈動以

6、及 對電網(wǎng)的反作用小，適合于較大功率的機(jī)車，因此干線交流傳動電力 機(jī)車絕大部分都采用這種系統(tǒng)。直流傳動機(jī)車，無論是直直型還是交直型，共同點(diǎn)是采用直（脈） 流牽引電動機(jī)，都可通過控制勵(lì)磁電流使?fàn)恳姍C(jī)具有所要求的軟特 性和良好的防空轉(zhuǎn)性能，脈流牽引電動機(jī)雖然在結(jié)構(gòu)上與直流電機(jī)有 所不同，但其工作原理基本上與直流電機(jī)相同， 直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)上的 缺點(diǎn)是存在電刷和換向器，無法改變電機(jī)存在的火花和環(huán)火的致命缺陷，從而限制了直流電動機(jī)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(jī)車的發(fā)展，因此在機(jī)車上采 用無整流子的交流電動機(jī)成為趨勢。2.2交流傳動與交直流傳動機(jī)車主電路的比較

7、交流傳動機(jī)車與交直流傳動機(jī)車都是將接觸網(wǎng)供給的單相工頻交流電，經(jīng)受電弓進(jìn)入機(jī)車內(nèi)部的牽引變壓器降壓，再經(jīng)整流裝置將單相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。所不同的是，交直傳動機(jī)車會將轉(zhuǎn)換來的 直流電通過濾波電抗器、電磁繞組進(jìn)行濾波，然后向直流（脈流）牽 引電動機(jī)供電，從而產(chǎn)生牽引力牽引列車運(yùn)行。而交流傳動機(jī)車會將 轉(zhuǎn)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(jī)供電。交直與交流傳動機(jī)車主電路比較交直傳劫機(jī)車主電路交說軸 J交流傳動機(jī)車主電路交流傳動與直流傳動機(jī)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(jī)車與直流傳動機(jī) 車本質(zhì)上的不同是，這兩者所采用的牽引

8、電機(jī)不同。交直與交流傳動 機(jī)車主電 路比較如 圖所示。3. 電力電子在交流傳動機(jī)車上的應(yīng)用在交流傳動技術(shù)的發(fā)展過程中，電力電子器件的發(fā)展是這一技術(shù) 進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。第一代機(jī)車采用快速晶閘管 ，變流機(jī)組復(fù)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(jì)80年代中后期被迅速應(yīng)用于大功率交流傳動機(jī)車動車，技術(shù)性能又有新的提高。進(jìn)入上世紀(jì)90年代,中高壓IGBT相繼問世，器件 品質(zhì)進(jìn)一步提高，變流機(jī)組又開始更新?lián)Q代。與此同時(shí)，控制策略的發(fā)展是交流傳動技術(shù)進(jìn)步的理論基礎(chǔ)。 先 后研究、應(yīng)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(zhuǎn)矩控制等方

9、法。微電子、信息技術(shù)等為交流傳動技術(shù)進(jìn)步提供了現(xiàn)代控制手段。 從過去復(fù)雜的模擬-數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)簡單的控制功能，進(jìn)人現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化 控制、小型化及模塊化結(jié)構(gòu)。微計(jì)算機(jī)和微處理器品質(zhì)不斷提升，由8位進(jìn)步到32位、64位,由定點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)步到浮點(diǎn)運(yùn)算，處理能力大幅 提升,構(gòu)筑了以高速數(shù)字信號處理器為核心的實(shí)時(shí)控制器。由此可見，電力電子技術(shù)這門綜合學(xué)科對牽引動力交流傳動系統(tǒng) 的發(fā)展產(chǎn)生了強(qiáng)大的推動力。4. 總結(jié)通過機(jī)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(jī)車明顯的發(fā)展優(yōu)勢。交流傳動機(jī)車所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方 向，正是由異步電動機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。 和傳統(tǒng)的串激直流電 動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，交流

10、異步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在機(jī)械、絕緣、耐熱、耐潮、粘著、維修、效率、重量尺寸等諸多方面。1. 構(gòu)造簡單，轉(zhuǎn)速高異步電動機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡單的電動機(jī)，除軸承外，沒有其他機(jī)械接觸部分。串激直流電動機(jī)則不然，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定子、轉(zhuǎn)子 都有絕緣要求很高的繞組，有換向器裝置和電刷機(jī)構(gòu)，磨擦部分多， 接線復(fù)雜，機(jī)械轉(zhuǎn)速受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到 2500r/min左右。而交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r/min以上，試驗(yàn) 轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6000r/min，這是直流電機(jī)所望塵莫及的。2. 粘著性能好（1）異步電動機(jī)有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)， 隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩很快降低，具

11、有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力?？辙D(zhuǎn) 發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速上升值不大，即使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差不 會超出5刎上。串激電動機(jī)則不然，轉(zhuǎn)矩變化一點(diǎn)，轉(zhuǎn)速就有很大 的變化。（2）異步電動機(jī)的工作點(diǎn)可以很方便地進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，以實(shí)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(guān)粘著控 制的信號，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工 作點(diǎn)，使驅(qū)動系統(tǒng)既不能發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力。（3）可實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制。當(dāng)某臺電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)該 臺電機(jī)，這樣能充分利用機(jī)車的粘著性能。在交一直傳動系統(tǒng)中，某 軸空轉(zhuǎn)時(shí)，需要使所有各軸電機(jī)卸載，這樣就大大降低了機(jī)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(dá)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(gè)概念是指在其它條件大致相同的前提下，在機(jī)車結(jié)構(gòu)所提供的空間條件下，可以裝更大功率的異步電動機(jī)。目前，從國外統(tǒng)計(jì)資 料來看，不同類型電機(jī)其單位重量功率可達(dá)到的比值為：直流電動機(jī)為0.33kW/kg，同步電動機(jī)為 0.5kW/kg，異步電動機(jī)為0.68kW/kg。 隨著科技的發(fā)展，異步電動機(jī)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(yàn)車，所采用的交流異步牽引電動機(jī)其功率達(dá)到 300kW而其重量不足400kg，單位重量功率可達(dá)0.75kW/k

13、g。這一經(jīng) 濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對世界各國正在大力發(fā)展的重載和高速機(jī)車尤為有利。4. 可靠性高，維修簡便交流異步電動機(jī)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(jié)構(gòu)，故障率也很低，驅(qū)動系統(tǒng)的 全部運(yùn)行過程和控制過程均由無觸點(diǎn)電子元件完成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點(diǎn)磨損、粘連、接觸不良、機(jī)械卡滯等問題。另 外交流傳動機(jī)車有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視 系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)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(fèi)用大大降低。5. 簡化了機(jī)車主電路異步電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過微機(jī)控制 裝置改變逆變器的輸出相序即可實(shí)現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機(jī)車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)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(fèi)用。6. 效率高，利用率高，使用靈活性強(qiáng)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(jié)合，使交流傳動機(jī)車 的利用率顯著提高。與直流傳動機(jī)車相比，HXD3型交流傳動機(jī)車的利用率提高了 10%對鐵路運(yùn)營管理來說，在計(jì)算所需數(shù)量時(shí)，機(jī)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(jī)車有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)的大的起動 牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)高速度的要求。7. 動力性能和制動性能較好異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)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(nèi)實(shí)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(shè)備。8. 顯著的節(jié)能效果交流傳動電力機(jī)車，由于應(yīng)用了四象限脈沖整流器，使得機(jī)車在 1/4額定功率以上時(shí)的功率因數(shù)接近于 1。牽引同噸位的列車，接觸 網(wǎng)電流可降低20噓右。另外，它在不增加任何設(shè)備的情況下，就能方便地實(shí)現(xiàn)再生制動，從運(yùn)行結(jié)果看可反饋 10%勺能量，且品質(zhì)比相 控機(jī)車好得多。9. 解決了對信號和通信設(shè)備的干擾交流傳動的電力機(jī)車，應(yīng)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(wǎng)的功率因數(shù)，而且也