交流传动机车的工作原理

交流传动机车是指由各种变流器供电，以三相异步电机或同步电机作为传动电机的电力机车或电动车组（EMU)。主要有交-直-交型电力机车和直-交型电动列车。

一、交-直-交型电力机车

1.交-直-交传动系统结构及类型

交-直-交传动系统主要由牵引变流器、牵引电机、微机网络控制单元等部件构成，其结构如图4.1所示。

图4.1　交-直-交型电力机车的系统结构
1—受电弓；2—主断路器；3—牵引变压器；4—整流器（网侧）；5—中间回路；6—逆变器（电动机侧）；7—牵引电动机；8—传动齿轮；9—司机控制器；10—微机控制装置；11、12—触发脉冲发生器

交-直-交型电力机车采用交-直-交变流器将恒压恒频（CVCF）的单相交流电变化为变压变频（VVVF)的三相交流电，供三相牵引电动机使用，并满足机车调速的要求。

交-直-交变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，可分为电压型、电流型两种。如果采用并联电容作为储能器，接受向中间回路供电的瞬时电流与从中间回路取用的瞬时电流之差，并使电压保持恒定相当于一个电压源，称为电压型变流器，如图4.2所示。如果采用串联电感作为储能器，接受向中间回路供电的瞬时电压与从中间回路取用的瞬时电压之差，并使电流强度保持恒定相当于一个电流源，称为电流型变流器，如图4.3所示。

图4.2　电压型变流器

图4.3　电流型变流器

在电力牵引领域主要有两类传动系统：电流型变流器供电的异步电动机系统和电压型变流器供电的异步电动机系统。由于电压型变流器供电的异步电动机系统，其转矩脉动以及对电网的反作用力小，适合于大功率的机车，因此干线交流传动电力机车普遍采用这种系统。

2.工作原理

电力机车和电动车组均为外接能源的动力系统，其传动系统模块如图4.4所示。

图4.4　交-直-交型电力机车传动系统工作示意图

电力机车和动车组通过受电弓、主断路器将接触网的单相交流电引入机车变压器，经牵引变压器降压后送入四象限整流器，将单相交流电整流为直流电，经中间直流环节储能和滤波后，送入电动机侧的逆变器，将直流电逆变成电压和频率可调的VVVF（变压变频）三相交流电供给异步牵引电动机，实现对转矩、转速进行控制。牵引时，电能从电网流向异步牵引电动机，电能被转化成机械能产生牵引力。电气制动时，列车的机械能被牵引电动机转化为电能，经变流器变换为单相交流电，通过牵引变压器升压后回馈给电网。电气制动采用再生制动方式，机车功率因数接近于1。

二、直-交型电动列车

直-交型传动主要应用于地铁、城轨和中低速磁悬浮列车中。直-交型电动列车采用直流供电，交流异步电动机驱动，其工作原理如图4.5所示。

直流电源通过受电弓或第三轨从电网引入，经高速断路器、滤波电抗器接入逆变器。逆变器将输入的直流电能变换成频率、电压可调的VVVF 三相交流电，供给三相异步电动机，将电能转换为机械能，并对异步牵引电动机的转矩、转速进行控制，满足列车牵引的需求。

地铁、城轨列车采用的三相异步牵引电动机在结构上有旋转式和直线式两种形式。

1.旋转电动机驱动的地铁、城轨列车

为了提高乘客的舒适度，城轨动车采用直流供电交流异步电动机驱动，其主传动系统原理电路如图4.6所示。

图4.5　直-交型电动列车工作原理

图4.6　城轨动车主传动系统原理框图

VVVF牵引逆变器在列车给上钥匙，受电弓升起，高速断路器HSCB闭合时，给出牵引命令后，牵引控制单元DCU通过限流电阻对线路滤波模块的电容器充电。当电容器电压达到一定值后，闭合线路接触器。牵引时，受电弓从接触网受流，通过高速断路器HSCB后，将DC1 500V送入VVVF牵引逆变器。牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将DC1 500V逆变成频率、电压可调的三相交流电，供给鼠笼型异步牵引电动机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能。再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量。

VVVF牵引逆变器是整个传动系统的核心。在牵引工况将直流电能变换成电压和频率可调的交流电能供给牵引电机。在电制动工况，电机作发电机运行，逆变器以整流方式将电能反馈给直流电网（再生制动）或消耗在电阻上（电阻制动）。

逆变器保护单元UNAS，其主要功能是用于电阻制动时调节制动电流的大小（电阻制动）。另一个功能是过电压保护，当逆变器的直流回路中有短时的过电压时，斩波器工作，通过它对电阻放电，待过电压消除后斩波器截止，这种过电压保护环节也叫“软撬杠”。

线路滤波模块：由线路滤波电抗器和线路滤波电容器以及固定并联在滤波电容器上的固有放电电阻组成，为保证安全，要求在主线路断电后滤波电容器两端的电压在5min 内降到50V以下。

充电限制环节：主要是防止过大的充电电流冲击使滤波电容器受损。

2.直线电动机驱动的城轨列车

直线电动机相对于旋转运动的电动机来说，是一种做直线运动的电动机。直线电动机无旋转部件，呈扁平形，可降低车辆高度，能非接触式地直接实现直线运动，因此不受黏着限制，可得到较高的加速度和减速度，噪声小，特别适合城市轨道交通。

（1）直线电动机基本结构。

直线电动机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变。交流旋转电机有同步电机和异步电机，相应的直线电机也有直线同步电机LSM和直线异步电机LIM。在直线同步电机中，导轨上的转子磁场与列车上的定子磁场同步运行，通过控制定子磁场的移动速度来控制列车的运行速度，德国的运捷TR和日本的ML均采用这种直线同步电机。

直线异步电机可以看作是将一台旋转的异步电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。由于列车在运行时初级与次级之间要做相对运动，为保证两极之间的磁耦合，在制造时将初级与次级制造成不同的长度。从制造成本和运行费用考虑，一般采用短初级长次级。城市轨道交通用的直线异步电机LIM定子（初级）设置在车辆上，转子（次级）设置在轨道的感应板内，如图4.7所示。

（2）直线电动机工作原理。

图4.8所示为直线感应电动机的工作原理示意图。将旋转感应电动机在顶部沿径向剖开并将圆周拉成直线便成了直线感应电动机。在直线异步电动机的定子三相对称绕组中通入三相对称交流电，在气隙中将产生行波磁场。行波磁场切割轨道上的铝板，将在铝板中产生感应电流，此感应电流与气隙行波磁场相互作用，产生直线电动机的驱动力。

图4.7　城轨列车用的直线电动机

图4.8　旋转电动机演变为直线电动机的工作原理
1—定子；2—转子；3—磁场方向；4—初级；5—次级；6—行波磁场

列车运行速度及运行方向完全由定子绕组中的行波磁场控制。改变三相交流电的电压和频率可以改变行波磁场的速度。改变三相交流电的相序可以改变行波磁场的方向。

直线电动机的驱动属于非黏着驱动，不需要和钢轨接触，可直接将牵引力作用于车辆，只要驱动力足够大，就可以在很大的坡道上运行。将直线电动机反向驱动，也可以产生制动力，没有机械摩擦，对轨道不产生磨损。直线电动机驱动系统启动加速性能好，转向架上不安装旋转电机和齿轮箱，空间较大，便于采用径向转向架等技术。目前，中低速磁悬浮列车及城市轨道列车一般采用直线异步电动机驱动。

3.中低速磁悬浮列车

磁悬浮列车是利用同名磁极相斥，异名磁极相吸的原理工作的，其悬浮方式有两种：一种是推斥式，另一种是吸力式。

（1）推斥型磁悬浮列车。

推斥型是利用两个电磁铁同极性相对而产生的推斥力，使列车悬浮起来。推斥式磁悬浮列车车厢的两侧安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时，超导电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环，在铝环中产生感应电流，并建立同极性电磁场，使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但在静止时，由于超导电磁铁和铝环没有相对运动，铝环中没有感应电流和磁场，所以车辆不能悬浮起来，只能用轮子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到80km/h 以上时，车辆就直接悬浮起来了。

（2）吸力型磁悬浮列车。

吸力型磁悬浮列车是利用两个异性磁极相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引，列车就能悬浮起来。悬浮气隙较小，一般为10 mm左右。吸力型磁悬浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定的悬浮。中低速磁悬浮列车主要采用吸力型，其推进系统为交-直传动，牵引电机采用直线异步电机LIM，一般采用短定子、长转子结构。