机车交流传动与直流传动的分析比较

班级机车车辆

0932班

学生姓名指导教师

设计（论文）题目机车交流传动与直流传动的分析比较

主要研究内容（1）从机车的传动形式了解交流传动的发展优势；

（2）以HXD3型机车为例，深入分析交流传动的特点及电路结构，与SS4改机车做出对比分析。

（3）从传动主电路及相关保护、辅助电路等不同角度，探讨新技术在交流传动机车上的应用。

主要技术指标或研究目标

（1）比较分析交流电机与直流电机的区别及优缺点。

（2）针对机车变流器存在的区别，深入分析交流传动的优势及发展前景。

（3）围绕主电路的传动形式，对交流传动与直流传动进行深入分析并比较优缺点。

（4）初步掌握交流传动机车上新技术、新装备的使用。

基本要求

深入了解交流传动的使用为铁路机车带来的优势，初步掌握交流传动机车新技术的应用，进一步熟悉交流传动机车的基本原理及组成结构。

主要参考资料及文献

电力机车控制华平主编

机车新技术张中央，刘敏军 HXD3型电力机车张曙光

目录

1 电力传动形式的发展 (1)

2 交流传动与直流传动的比较 (1)

2.1 机车工作原理的比较 (1)

2.1.1 直流传动电力机车工作原理 (1)

2.1.2 交流传动电力机车工作原理 (3)

2.2 交流传动与交直流传动机车主电路的比较 (4)

2.2.1 HXD3型机车和SS4改机车主电路特点比较 (5)

2.2.2 HXD3型机车和SS4改机车变流装置比较 (7)

2.2.3 HXD3型机车和SS4改机车牵引电机比较 (8)

3 新技术在交流传动机车上的应用 (10)

4 总结 (11)

致谢 (15)

参考文献 (16)

1 电力传动形式的发展

从十九世纪七十年代开始,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。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。

与直流传动机车相比，交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。

2 交流传动与直流传动的比较

2.1 机车工作原理的比较

2.1.1 直流传动电力机车工作原理

直流传动电力机车包括直直型电力机车和交直型整流器电力机车。

直直型电力机车是由直流电源供电，直流串励牵引电机驱动，通过串并联切

换加凸轮变阻或晶闸管斩波器调阻（调压)方式进行调速和控制的机车。

图1 直直型电力机车工作原理示意图

图1为一般工矿用4轴电力机车串并联切换加凸轮变阻的电传动装置原理示意图。工作过程为:机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QF，启动电阻R，向4台直流牵引电动机M1-M4供电，牵引电流经钢轨流回变电所。随着4台牵引电动机接通电源即行旋转，电能转变为机械能，分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动轮实现牵引运行。

交直型整流器电力机车的能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。如图2所示。

图2 交直型电力机车原理示意图

2.1.2 交流传动电力机车工作原理

交（直）交型电力机车是指由各种变流器供电的交流异步或同步电动机作为传动电机的电力机车或电动车组。交流传动电力机车的系统结构如图3所示。

图3 交流传动电力机车的系统结构

根据变流器是否带中间回路，分为交直交变流器和交交变流器两类。根据中间回路选择元件的不同，又分为电压型系统、电流型系统两种基本结构。因此电力牵引领域的交流传动机车基本上有两类：电流型变流器供电的同步或笼型异步电动机机车和电压型变流器供电的笼型异步电动机机车。

图4 电压型变流器供电的笼型异步电动机系统原理图

图4所示为电压型变流器供电的笼型异步电动机系统原理。来自接触网的单相交流电经受电弓引入机车变压器，在牵引变压器中变换成所需的合适电压后送人电源侧变流器，将单相交流电转换为直流电，提供给中间回路经平滑功率脉动，送入电动机侧的变流器，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给三相异步牵引电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。

由于电压型变流器供电的笼型异步电动机机车的转矩脉动以及对电网的反作用小，适合于较大功率的机车，因此干线交流传动电力机车绝大部分都采用这种系统。

直流传动机车，无论是直直型还是交直型，共同点是采用直（脉）流牵引电动机，都可通过控制励磁电流使牵引电机具有所要求的软特性和良好的防空转性能，脉流牵引电动机虽然在结构上与直流电机有所不同，但其工作原理基本上与直流电机相同，直流电动机结构上的缺点是存在电刷和换向器，无法改变电机存在的火花和环火的致命缺陷，从而限制了直流电动机的功率和容量，不能很好地满足铁路高速重载的发展要求，继而限制了直流传动机车的发展，因此在机车上采用无整流子的交流电动机成为趋势。

2.2 交流传动与交直流传动机车主电路的比较

交流传动机车与交直流传动机车都是将接触网供给的单相工频交流电，经受电弓进入机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将单相交流电转换为直流电。所不同的是，交直传动机车会将转换来的直流电通过滤波电抗器、电磁绕组进行滤波，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。而交流传动机车会将转换来的直流电通过逆变器再逆变成三相交流电，向三相异步牵引电动机供电。

交流传动与直流传动机车主电路的区别在于两者变流装置的不同，从而造成的能量传递形式的不同。而交流传动机车与直流传动机车本质上的不同是，这两者所采用的牵引电机不同。交直与交流传动机车主电路比较如图5所示。

图5 交直与交流传动机车主电路比较

接下来，我们就将交流传动机车HXD3型电力机车和交直传动机车SS4改机车从主电路特点、变流装置以及牵引电机方面进行比较分析。

2.2.1 HXD3型机车和SS4改机车主电路特点比较

（1）主传动形式

SS4改机车采用传统的交-直传动形式和串励式脉流牵引电动机，具有较成熟的经验，控制系统较简单。

HXD3型机车采用交-直-交传动形式和三相交流异步牵引电机，交流牵引电机没有直流电机的换向器，避免了环火问题，维修工作量小，使用寿命长。同样的体积下，交流牵引电机的重量轻，功率更大。

（2)牵引电动机供电方式

SS4改机车采用转向架独立供电方式，每台转向架负载两台并联牵引电动机，由一组整流器供电。当一组整流器损坏时，能保留3/4牵引力。

HXD3型机车电源侧采用四象限整流器，电机侧采用变压变频式逆变器向三

相交流异步牵引电机供电。每台牵引电机由各自的逆变器供电，即轴控方式。由于整车采用轴控方式，当整台机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥机车牵引力。

（3）整流调压电路

SS4改机车采用三段不等分顺控桥控制，平滑调节整流电压，这样可以使机车功率平滑变化，机车功率因数较高，谐波电流降低。其采用单相半控桥式全波整流电路。为改善牵引电机换向性能，在机车主电路中设有平波电抗器，在牵引电动机励磁绕组两端并联了固定分路电阻。为提高机车功率因数和改善通讯干扰，机车增设了PFC装置。

HXD3型机车采用四象限脉冲整流电路，将单相交流电压转换成稳定的750 V 直流电压。四象限脉冲整流电路是将升压斩波与整流电路结合起来，使输人电流近似正弦波并与网压同相。其特点是属于升压整流方式，要求输入电压低于输出电压，其输入侧功率因数较高，接近于1。采用IGBT作为其功率器件后，调制频率提高，因而控制响应速度加快，当其输入端或输出端发生变化时，控制系统能很快作出响应，快速调节使输出保持稳定。

四象限整流器是一个脉宽调制变流器，它将电源的交流电压，通过脉冲宽度和相位控制，控制中间直流电压的幅值和流入牵引整流器的交流电流波形和相位，使交流电流的波形尽量接近正弦外，同时使得交流侧的基波电流的相位差接近于0，这样既限制了谐波电流分量，又提高了机车功率因数。与相控整流器比较，四象限整流器有很高的功率因数，谐波电流含量也小得多。

(4）电制动方式

SS4改机车采用加馈电阻制动，电制动功率为5300kW。每节车四台牵引电机主极绕组串联，由一台励磁半控桥式整流器供电。每台转向架上的两台牵引电机电枢与各自的制动电阻串联后，并联在一起，并与主整流器串联。

HXD3型机车采用再生制动，可将动能部分转换成电能并回送到接触网上，节能环保，其电制动功率为7200kW(65km/h或70km/h~120km/h)(25t/23t轴重）。（5）调速方式

SS4改机车采用削弱励磁电流的电阻分路法，三级磁场削弱。

HXD3型机车采用改变异步电动机供电电源的频率即所谓的变频调速，节能运行。随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件的开发应用，近代交直交型电力机车已很好地解决了变频的问题，使得交流传动机车的调速具有平滑无级的特性。HXD3型机车采用由电压型四象限脉冲变流器和三相逆变器组成的牵引变流器进行调速，使得功率因数接近于1。

2.2.2 HXD3型机车和SS4改机车变流装置比较

变流装置用于直流和交流之间电能的转换，并对各种牵引电机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。

SS4改型机车，靠变流器把来自接触网的电能变换为适合于牵引电动机运行的形式，其任务是整流，将已经降低幅值的交流电压变换为直流电压。所以此处的变流器实质上是整流器，而且主要用自然换相的可控整流器。该机车采用单相半控桥式全波整流电路。

HXD3型机车，每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含有三组牵引变流器和一组辅助变流器，使其结构紧凑，便于设备安装。

为了提高装置的小型化及冷却性能，牵引变流器采用强制循环水冷方式。这种方式具有冷却效果好、无污染、重量轻、结构上维修方便等特点，是国际上流行的冷却方式。

冷却液采用亚乙基二醇纯水溶液，确保在－40℃时不冻结。

另外，牵引变流器的冷却液和主变压器（Mtr）的冷却油经过复合冷却器循环，依靠复合冷却器风机进行强制风冷。

辅助变流器（APU）单独采用强制风冷方式。

每组牵引变流器由一个四象限和一个逆变器组成。整流器单元使用了模块化IGBT元件，采用脉宽调制（PWM）方式、两点式电压型，通过高次谐波整流和错开各组控制载波的相位，从而降低高次谐波和提高功率因数。

逆变器单元同整流器单元一样使用模块化IGBT元件、实现单元的标准化

通过采用IGBT元件和32bit高速演算控制装置的配合，采用矢量控制方式，来实现电机转矩的控制，达到快速响应，提高粘着利用率和实现空转滑行保护控制。

辅助变流器是辅助电动机供电电路的核心。APU向牵引通风机电机和压缩机电机等辅助机器供给三相交流电，具有变压变频（VVVF）控制和恒压恒频（CVCF）两种控制方式。两台复合冷却器风机和六台牵引通风机电机为了确保适应机车状况的冷却风量和降低运转声音，按照VVVF控制模式进行设定。

APU通过使用IGBT的PWM整流器单元把从主变压器三次线圈供电的交流电转换为恒定电压的直流电，再供给由IGBT构成的逆变器单元，通过逆变器转换为三相交流。

机车共设有两套辅助变流器UA11、UA12。在正常情况下辅助变流器UA11、UA12全部工作，基本上以50%的额定容量工作，辅助变流器UA11工作在VVVF 方式，辅助变流器UA12工作在CVCF方式，分别为机车辅助电动机供电。当某一套辅助变流器发生故障时，不需要切除任何辅助电动机，另一套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载。此时，该辅助变流器按照CVCF方式工作，从而确保机车辅助电动机供电系统的可靠性。

2.2.3 HXD3型机车和SS4改机车牵引电机比较

SS4改电力机车采用的牵引电机是直流电机，直流电机优点有两个，一是调速容易，二是转矩比较大，但不适合大功率、重载机车。缺点是制造比较贵，有碳刷，就不可避免有环火和火花。环火和火花可以说是直流电机的致命伤。碳刷和整流子存在磨损，因此有个寿命限制，并且噪音也较大。

HXD3型电力机车采用的牵引电机为三相鼠笼式异步牵引电动机，由于交流牵引电动机没有换向器工作面圆周速度的限制，因而可以选用高的转速和大的传动比，这样，能显著减轻电机的重量，以获得较大的单位重量功率。另外，交流电动机充分利用了原直流电机换向器所占的空间，热量能沿定子圆周均匀散发，改善了电机的冷却效果，明显地增长了电机的寿命。

交流电机的优越性可由下表所示的德国电力机车用的两种电机参数比较中得到证实，也可由日本东洋电机公司制造的交流、直流牵引电机参数比较得到证

明。

两种不同类型牵引电动机参数比较表1 电机种类三相异步电动机脉流电动机

型号BQCA843 UZll6—64K 安装机车型号BRl20 181.2

功率（kW）1400 1360（5rnin）持续功率（kW）1400 810

电机电压（V）2200 1050

持续电流（A）360（相）830 最大转速（r/min）3600 1860

转子直径（mm）930 950 重量（kg）2380 3630

单位重量功率（kW/kg）0.588 0.375

由上表可以看出，对于中小型容量的电机，在大致相同的重量和外型尺寸情况下牵引电动机的功率一般比直流电动机的功率大30％。

中、小容量交、直流电机参数比较表2

电机类型交流异步电动机直流牵引电动机

型号TDK6200-A TDK8270-A

小时功率(kW) 165 130 小时转速（r/min）1565 L450 绝缘等级 C C

重量（kg）770 776

机座外径（mm）570 570 单位重量功率(Kw/kg) 0.214 0.168

单位重量转矩（N·m/Kg) 1.316 1.1

目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值约为：直流电动机为0.33kW /kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW ／kg。随着科技的发展,异步电动机的单位重量功率值将越来越高。如日本新干线上300系列原型试验车，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到300kW，但重量不足400kg，单位重量功率可达0.75kg。这一经济技术指标，对世界各国正在大力发展的高速机车尤为有利。众所周知，高速机车为改善机车和轨道的动力学性能，除了改进机车机械部分结构外，还需减轻簧下重量，而采用单位重量功率大的异步电动机则是一条行之有效的途径。

3 新技术在交流传动机车上的应用

在交流传动技术的发展过程中,电力电子器件的发展是这一技术进步的物质基础。第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用

于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。

与此同时, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。

微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。

由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。

4 总结

通过机车交流传动与直流传动的分析比较，我们不难看出交流传动机车明显的发展优势。交流传动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。

1.构造简单，转速高

异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接触部分。串激直流电动机则不然，结构复杂，定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，磨擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。而交流异步电动机转速可达4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min，这是直流电机所望尘莫及的。

2.粘着性能好

（1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的

升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就有很大的变化。

（2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。

（3）可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。在交—直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。

由于上述特性和良好的控制功能，交直交传动系统的粘着系数可以利用得很高，能达到40%以上，而交—直传动系统的粘着系数在36%以下。

3.功率大，牵引力大

这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为：直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。如日本新干线300系列原型试验车，所采用的交流异步牵引电动机其功率达到300kW，而其重量不足400kg，单位重量功率可达0.75kW/kg。这一经济技术指标，对世界各国正在大力发展的重载和高速机车尤为有利。

4.可靠性高，维修简便

交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H 级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。控制装置是模块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。另外交流传动机车有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。综上所述，可知交流传动系统的可靠性是很

高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。

5.简化了机车主电路

异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过微机控制装置改变逆变器的输出相序即可实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两位置转换开关可省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。

6.效率高，利用率高，使用灵活性强

交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，HXD3型交流传动机车的利用率提高了10%。对铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。

交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。

7.动力性能和制动性能较好

异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。

可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。

8.显著的节能效果

交流传动电力机车，由于应用了四象限脉冲整流器，使得机车在1/4额定功率以上时的功率因数接近于1。牵引同吨位的列车，接触网电流可降低20%左右。另外，它在不增加任何设备的情况下，就能方便地实现再生制动，从运行结果看可反馈10%的能量，且品质比相控机车好得多。

9.解决了对信号和通信设备的干扰

交流传动的电力机车，应用了四象限脉冲整流器作为输入端变流装置，不仅改善了接触网的功率因数，而且也从根本上保证了流过接触网的电流波形不会发

生明显畸变，消除了对信号和通信设备的干扰。

综上所述，交流传动机车具有起动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。

我国机车电传动技术已走过50余年的发展里程，取得了巨大进步，铁路运输从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段，但这项技术的创新和开拓是永无止境的，它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上。

致谢

本篇论文，在王志亮老师的细心指导之下，同学们的热心帮助之下得以成稿，特此感谢。在做课题研究的过程当中，王老师给予了我很大的帮助，正是由于他在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多建设性的宝贵的意见，本文才得以成型。

通过查阅大量的文献资料和课本，使我在完成课题研究的同时，更加丰富了我对机车尤其是机车传动方面的认识和相关知识。做课题研究的过程中，我也发现自己对知识的掌握还有很多不足，老师和同学对我的帮助使我顺利完成论文。

再次感谢各位帮助我的老师和同学们，谢谢！

参考文献

[1]华平.电力机车控制.北京：中国铁道出版社.2010．

[2]张中央，刘敏军.机车新技术.成都：西南交通大学出版社.2009

[3]张曙光.HXD3型电力机车.北京：中国铁道出版社，2009

[4]李福胜.机车牵引传动.郑州：郑州大学