机车交流传动技术
一、简要的历史回顾
人所共知,机车发展按其动力来分,最早出现的是蒸汽机车,以后由蒸汽机车发展到内燃机车和电力机车。在电传动内燃机车和电力机车中,开始是直-直传动,尔后是交-直传动,70年代以后又出现要交-直-交传动,即所谓的交流传动。这种传动型式被认为是现代机车的标志,日益风靡世界。这样的发展道路是由客观规律所决定的,是历史发展的必然,是机车由低级向高级逐渐演变的必然结果。每种机车的出现和存在都是与当时的技术发展相适应的。比如随着大功率硅整流技术的出现,直-直传动很必然地被更优越的交-直传动所取代。同样,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,交直传动很自然地被交-直-交传动所取代。
二、交流传动技术的特点和优点
人们很早地认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术,但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机,其一系列的优点都是由此而表现出来的。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
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,这是直流电机所忘尘莫急的。
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—直流传动系统的粘着系数可以利用得很高。1992年美国铁路协会(AAR)在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是:起动粘着系数45%,全天候牵引粘着系数是32%(GE公司在交—直传动机车上,采用“SENTRY”粘着控制装置后,全天候粘着系数是0.25~0.30)。如此之高的粘着利用,正是针对交流机传动机车所具有的良好的粘着控制而提出的,这对于交—直传动系统是不可想象的。德国四轴120型机车,可满足以往六轴机车的全部要求。
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。如加拿大改造的CP4744号机车,在给定的设计空间条件下,直流电动机的功率大约被限制在600~700kW/轴。装用BBC6FRA40B异步牵引电动机,其功率可达1492kW/轴以上。正因如此,才可使机车的牵引功率大大提高。牵引功率大导致牵引力大,而又由于粘着性能好,大的牵引力能充分发挥其牵引能力。我们可以比较一下ND5型交直流传动机车和SD60MAC交流传动机车的牵引力情况:ND5机车的柴油机的标定功率为2940kW,起动牵引力为533.6kN,持续速度为22.2km/h时的持续牵引力为359.8kN;SD60MAC机车的柴油
1
机的标定功率为2835kW,起动牵引力为781kN,持续速度为20.5km/h时的持续牵引力为52