电动车组交直交传动方式的探析

电动车组交直交传动方式的探析

刘天宇、李尚宇、庞博

长春轨道客车股份有限公司 高速制造中心 长春 130000

引言

电力机车是一种非自给式机车。其通过车顶上的受电弓（就是像天线的那个家伙，俗称：长辫子）从外界获得电能，由电动机通过传统装置驱动的机车。我国的韶山型电力机车采用的是交流供电直流传动方式（交—直型），而和谐型电力机车采用的是交流供电直流传动的方式（交—直—交型）。简单地说，电力机车就是从接触网上获得电能，经过车内一系列复杂的电气设备[主断路器—主变压器—整流器（变流器）—平波电抗器—牵引电机]，最终至机车齿轮传动装置牵引列车运行。

基本原理

机车在工作时，通过受电弓将接触网的25kV电压引入车内，经过牵引变压器降压后，将交流电送入牵引变流器，由牵引变流器的整流环节变成一个稳定的直流电压，再经过牵引变流器的逆变环节输出一个电压、频率都可以变化的三相交流电压，送到牵引电动机，实现牵引运行和速度调节。

电力机车由机械部分、电气部分和空气管路部分三部分组成。它的机械部分和空气管路部分基本上与内燃机车相同，而电气部分主要包括受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机和制动电阻柜等。为了保证电力机车的正常运行，机车上装有许多辅助电气设备，如电动压缩机组、电动通风机组、电动油泵机组等。机车上还装有许多控制电器，如司机控制器、按钮开关、接触器等。通过它们来控制机车上的各种电气设备，实现机车的起动、调速、反向运行和电阻制动。

电力机车的电气系统一般由主电路、辅助电路和控制电路三部分组成。主电路是指将牵引电动机及其相关的电气设备连接而成的线路，该线路具有电压高、电流大的特点，又称高压电路或牵引动力电路辅助电路主要指为机车主电路提供冷却，为空气制动系统提供风源，调节司乘人员环境以及给客车提供合适的电源。 控制电路是由司机控制器、各种操纵开关、主电路和辅助电路的各个控制电器和单元、司机显示屏等组成的有接点控制电路和电子电路。

主要特点和设计思路

1．采用交流传动技术。电传动系统采用国产化的GTO水冷变流机组，1225kW大功率异步牵引电动机，调速恒功范围宽、轴功率大、粘着特性好、效率和功率因数高。2．以转向架为单元的静止辅助变流器装置能提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类分级供电，系统冗余性强、节能降噪效果好。3．控制系统采用国产化分散式微机网络控制系统，并采用冗余设计（主机热备及冗余输入输出）来提高整个列车组运用的可靠性。分散式微机控制系统和车辆级总线、列车级总线实现了全列车的网络控制、逻辑控制和自诊断功能。4．总体设计采用了高集成化、模块化的设计技术。5．车体采用轻量化的整体承载结构和流线型的外形。6．转向架为两轴转向架，采用空心轴双侧六连杆传动方式。基础制动采用轮装式盘形制动装置。7．变压器为卧式结构，车体吊挂式安装，一体化的多绕组全分裂变压器。二次吸收电抗器、辅助变流电抗器，共用一套冷却装置。8．采用车顶夹层通风方式。9．采用再生制动加空气制动的联合制动方式。

未来趋势

随着微型计算机技术的发展及现代控制理论的深入应用，交流调速控制策略也不断取得突破。初期的变压变频控制方案（VVVF），实现了交流电机在一定范围内调速，但由于其控制思想是基于交流电机的稳态控制规律，在动态特性、低速转矩特性方面，还不能与直流调速相媲美，从而使其应用范围受到了限制，只能用在一些动态性能、低速转矩要求不高的场合，而在调速精度要求较高的场合就不能使用。

“异步电机的磁场定向控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律，在基于转子磁通定向的基础上，实现了交流电机磁通与转矩的解耦控制，显著地改善了交流调速系统的动态特性，开创了交流传动的新纪元。这种控制策略模仿直流电机调速控制，利用旋转的转子磁场坐标定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，通过分别控制两个分量来达到快速控制电机转矩的目的。磁场定向控制分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制，直接磁场定向控制由于其磁通传感器造价昂贵，而新发明的磁链观测方法难以实时实现而一度被人们放弃，随着新一代的高速数字信号处理器的出现，近两年又重新唤起学者们研究的兴趣。

直接转矩控制（DTC）理论，取得了显著的控制效果。直接转矩控制不同于矢量控制，它完全摒弃了矢量控制的解耦思想，直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，省掉了矢量计算和旋转变换，通过两个所谓的Bang－Bang控制器来控制电机的磁链和电磁转矩。直接转矩控制强调转矩的直接控制效果，由于其控制方法简单，在很低的开关频率下仍可获得较高的转矩动态响应，使其成为倍受欢迎的具有高动、静态性能新一代交流调速方法。但是直接转矩控制中的转矩和磁链量通过电压、电流实时反馈求得，从而其控制效果有一定的延迟，使得转矩存在脉动和电流的畸变，电机低速特性变差。

传统的交流传动控制随着计算机科学的发展逐步步入了新的发展阶段，以专家系统、模糊逻辑、神经网络为主的智能控制思想在交流传动领域的应用日渐广泛。以专家系统为例，在电压源交流调速装置中，通过对交流线电压和电流、直流环节电压和电流、IGBT门极驱动逻辑信号、电机定子电压、电流，定子绕组温度等信号的检测，送入常驻诊断程序微机系统，可以实现调速系统容错控制。可以预见，在未来的交流传动发展中，智能控制有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]电力电子技术[M].4版北京：机械工业出版社，2000

[2]袁任光,张伟武.电动机控制电路选用与258实例[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998.