电力牵引传动及自控发展研讨

电力牵引传动及自控发展研讨

高茜张宇钟伟

四川工程职业技术学院德阳618000

摘要：本文主要研究分析机车电力传动形式的转变历程，回顾了交流传动的发展历史，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，结合作者所在工程学院的研究项目，重点阐述了电力牵引技术的发展与现状，并展望了以交流传动技术为方向的我国电力牵引传动相关装备制造业的发展前景。

关键词：交流传动；牵引；自控；发展

1、电力传动形式的转变

从很早的年代开始,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[1]。

2、交流传动技术的发展

2.1交流电动机优越性如下：

(1)交流电动机体积小、质量轻、功率大。体积小,解决了安装空间的限制问题；质量轻,减小了机车转向架的簧下质量,改善了轮轨作用力,适应了高速的需要；功率大,解决了高速所必需的动力问题[2]。

(2)交流电动机保持恒定大功率的速度范围宽,有利于实现客货通用型机车。

(3)交流电动机无换向器,消除了电刷与换向器磨耗,提高了可靠性,也降低了制造和维修成本。

(4)异步交流电动机具有优异的牵引性能,陡峭的自然特性有利于提高粘着利用,能更好地发挥牵引力。

2.2研究的特点如下：

(1)机车采用四象限脉冲变流器,大大减少了供电网的电流谐波分量,改善了供电品质,解除了对通信、信号的干扰；

(2)交流传动机车可使供电网获得近似于1的功率因数,从而减小了供电网损耗,再生制动时还可以向电网反馈品质良好的电能,节能效果显著；

(3)机车向前/向后、牵引/制动操纵无需位置转换开关即可进行主电路的转换,电路简单,可靠性高。

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[4]。

3、在研机车电传动技术的发展分析

3.1交-直传动技术的发展

可控型器件——晶闸管的出现，使机车电传动技术跨上了一个新台阶。SS3型电力机车正是作为我国机车电传动技术由二极管整流有级调压到相控无级调压的第2代交-直传动客货用电力机车。1978年底，由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所共同研制成功。SS3型电力机车主电路采用牵引变压器低压侧调压开关分级与晶闸管级间相控调压相结合的平滑调压调速技术，使机车获得良好的调速性能。

随着大功率晶闸管性能的提高，相控技术成熟应用到机车电传动领域，其代表车型为SS4型电力机车。SS4型机车是1985年开发的相控无级调压、交-直传动8轴重载货运电力机车，是我国相控机车的“代表作”，与后续开发的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车一起，构成我国晶闸管相控调压、交-直传动的系列产品。该型机车由2节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成，每节车为一个完整系统，经过实际应用和吸收消化国外8K、6K、8G型等机车的先进技术，做过几次重大改进，使机车性能和质量得到显著提高，成为我国干线货运主型机车。

3.2在研交流传动技术

为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的要求,推动轨道交通装备技术进步,我国研究、应用交流传动技术,经历了技术探索(理论认识与基础开发)、引进应用(X2000动车组)、合作研制(“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发几个阶段。上世纪70年代,我国开始研究交流电传动系统的基础技术；80年代完成了中等功率交流电传动系统的试验研究；90年代初研制了1Mw大功率变流系统并促进AC4000原型机车的研制与组装；90年代中期相继启动高性能交流传动控制技术、大功率GTO牵引变流器工程化、中大功率IGBT牵引变流器、大功率异步牵引电机等一系列核心技术的攻关工程,取得了丰硕成果,并于本世纪初开始装车应用。

3.3研究增加的传动方式和方法

3.3.1牵引传动制式

牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上都是采用交流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。

3.3.2动力配置方式

按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。

3.3.3运行速度等级

我们已经有了120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级以及300km／h的电力机车或动力分散型动车组。160km／h及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250km／h及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。

3.3.4车载牵引功率

车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW(SS4型机车)，单轴功率最大为900kW(SS8型机车)；交流传动机车的车载总功率最大为7200kw(SSJ3型机车)，单轴功率最大为1200kW(“中华之星”动车组)。作为单轴1200kW的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。

3.3.5牵引控制系统

我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统，但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。

4、结论

国内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。通过贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求进行技术引进和合作，我国机车车辆制造业的骨干企业开始批量生产交流传动电力、内燃机车和电动车组。在技术引进的基础上，进行消化吸收和再创新研究，轨道交通装备核心、关键技术的相关平台和体系初步形成，在满足国内铁路运输市场需求的同时，促进铁路机车车辆制造行业走向成熟，实现交流传动机车车辆的国内开发和制造，彻底解决铁路运力不能满足改革开放以来国民经济日益发展要求的矛盾，为我国的社会主义现代化建设做出贡献，进而走向世界，在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进企业同台竞争。

参考文献

[1]刘友梅．我国电力机车四十年技术发展综述[J]．机车电传动，1998(11)．

[2]黄济荣．电力牵引交流传动与控制[M]．北京：机械工业出版社．1998．

[3]冯江华．机车交流传动控制系统的发展[J]．机车电传动，2001(4).

[4]RugeW．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(一)[J]．变流技术与电力牵引，2006(5)．