我國機車電傳動技術的發(fā)展

1、年第期年月日機車電傳動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES，綜述與評論我國機車電傳動技術的發(fā)展張大勇，（中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙；鐵道部運輸局裝備部，北京）作者簡介：張大勇（）男，高級工程師，現(xiàn)從事機車技術管理工作。摘要綜述了我國機車電傳動技術各個發(fā)展階段的技術特點，揭示出電力電子技術與電傳動技：術的密切關系，重點闡述了我國新型機車交流傳動系統(tǒng)的技術特點和發(fā)展趨勢，涉及到主電路形式、牽引變壓器、主變流器、牽引電機及控制等，并展望了以交流傳動技術為方向的我國鐵路機車車輛裝備制造業(yè)的發(fā)展前景。關鍵詞：電力機車；電傳動；電力電子器件；交流傳動；技術特點中圖分類號：

2、文獻標識碼：文章編號：（）The Development of Electric Drive Technology for Locomotive(1.School of Information Science and Engineering,Central South University, Changsha, Hunan 410075,China;2.The Equipment Department of TransportationBureau,MoR, Beijing 100844, China)Abstract:It is summarized the technical charac

3、teristic of electric drivetechnology for locomotive each development stage. The closerelationship between power electronic and electric drive technology is revealed. It is especially illustrated technical characteristic anddeveloping trend of new style locomotive AC drive system,which concerns power

4、 circuit mode,traction transformer, main converter,tractionmotor and control etc,and look forward to long term potential of railway rolling stock equipment manufacture with direction of AC drivetechnology.Key words: electric locomotive; electric drive; power electronic device;AC drive; technical cha

5、racteristic引言一代功率電力電子器件，產(chǎn)生一代牽引設備。只有在、等全控型大功率電力電子器件及先進的控制技術出現(xiàn)后，才真正確立了現(xiàn)代交流傳動技術的優(yōu)勢，使機車電傳動技術發(fā)生了根本變革，由直流傳動向交流傳動轉變。鐵道牽引電傳動技術是牽引動力設備的核心技術，其發(fā)展目標一直是致力于改善機車牽引和電制動性能，提高運用可靠性和能源的有效利用率，減少對環(huán)境的影響，降低運營成本，更好地滿足鐵路運輸市場的需求。自上世紀年代末，我國第臺干線電力機車問世至今，我國機車電傳動技術隨著電力電子和功率電力電子器件技術的發(fā)展和應用，經(jīng)歷了從第代型電力機車的低壓側調(diào)壓開關調(diào)幅式的有級調(diào)壓調(diào)速技術，到第代的型電力機車

6、調(diào)壓開關分級與級間晶閘管相控平滑調(diào)壓相結合的調(diào)壓調(diào)速技術，再到第代的型電力機車的多段橋晶閘管相控無級平滑調(diào)壓調(diào)速技術，直到全新一代的“和諧”型交流傳動機車的跨越式發(fā)展歷程。電傳動技術與功率電力電子器件技術緊密相關。收稿日期：交直傳動技術第代電力機車的傳動技術年底，我國試制出第臺干線電力機車，即型電力機車。型電力機車是以前蘇聯(lián)型干線交直流傳動電力機車為樣板，按照中國鐵路規(guī)范進行研制的。由于當時大功率電力電子器件尚未成熟，可用的整流器件是引燃管。型電力機車經(jīng)鐵科院環(huán)形鐵道運行試驗后，于年前后共試制了臺樣車投入寶鳳線試運行。但是，由于一些重要設備（調(diào)壓開關、牽引電機等）一直存在技術和質(zhì)量問題，尤其是

7、引燃管整流器難以達到實際運用要求，因此型電力機車機車電傳動年未能投入批量生產(chǎn)。隨著我國電力電子工業(yè)的發(fā)展，大功率整流二極管開始進入到工程實用階段，為機車電傳動技術的發(fā)展提供了必要條件。正是在這樣的技術背景下，在型電力機車基礎上，我國第代有級調(diào)壓、交直傳動電力機車型電力機車于年試制成功，年開始批量生產(chǎn)，到年止，共生產(chǎn)臺，使我國機車電傳動技術進入到交直傳動時期。型機車電傳動系統(tǒng)由牽引變壓器、調(diào)壓開關、主整流器、平波電抗器和脈流牽引電機組成，電傳動技術主要特點如下：牽引變壓器采用強迫油循環(huán)風冷方式，牽引繞組有基本繞組和調(diào)壓繞組，共組，個抽頭。調(diào)壓開關用于切換牽引變壓器牽引繞組電壓，實現(xiàn)低壓側調(diào)壓，供

8、機車啟動和調(diào)速用。調(diào)壓開關有個調(diào)壓級位。主整流器采用中抽式全波整流電路，額定輸出直流電壓為，額定輸出直流電流為，整流元件采用功率二極管。脈流牽引電動機為極串勵電機，有補償繞組，小時功率，持續(xù)功率為，額定電壓為直流，持續(xù)電流為，固定磁場削弱，三級磁場削弱分別為、和。臺牽引電機并聯(lián)運行。第代電力機車的傳動技術可控型器件晶閘管的出現(xiàn)，使機車電傳動技術跨上了一個新臺階。型電力機車正是作為我國機車電傳動技術由二極管整流有級調(diào)壓到相控無級調(diào)壓的第代交直傳動客貨用電力機車。年底，由株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所共同研制成功。型電力機車主電路采用牽引變壓器低壓側調(diào)壓開關分級與晶閘管級間相控調(diào)壓相結合的平滑

9、調(diào)壓調(diào)速技術，使機車獲得良好的調(diào)速性能。電傳動技術主要特點是：牽引變壓器額定容量為，牽引繞組由電壓為的基本繞組和調(diào)壓繞組二者組成，冷卻方式為強迫油循環(huán)風冷。調(diào)壓開關與型電力機車用調(diào)壓開關結構相似，由于級間要與晶閘管相控配合，因此對觸頭的開閉角度及相應零部件制造和開關組裝精度要求較高。變流裝置采用整流二極管和晶閘管構成的橋式整流電路，只需要少量晶閘管即可達到級間平滑調(diào)壓的效果，從而提高機車的調(diào)速平穩(wěn)性和功率因數(shù)。脈流牽引電動機為極串勵電機，具有補償繞組，小時制功率為，額定電壓為直流，持續(xù)制電流為。采用級電阻制動改善了機車低速工況下的制動能力。第代電力機車的傳動技術隨著大功率晶閘管性能的提高，相控

10、技術成熟應用到機車電傳動領域，其代表車型為型電力機車。型機車是年開發(fā)的相控無級調(diào)壓、交直傳動軸重載貨運電力機車，是我國相控機車的“代表作”，與后續(xù)開發(fā)的、及型電力機車一起，構成我國晶閘管相控調(diào)壓、交直傳動的系列產(chǎn)品。該型機車由節(jié)完全相同的軸電力機車通過內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連接組成，每節(jié)車為一個完整系統(tǒng)，經(jīng)過實際應用和吸收消化國外、型等機車的先進技術，做過幾次重大改進，使機車性能和質(zhì)量得到顯著提高，成為我國干線貨運主型機車。型機車電傳動技術主要特點是：采用架控方式有利于實現(xiàn)機車的軸重電氣補償，而不等分三段半控橋整流電路實現(xiàn)了相控無級調(diào)壓，提高了機車的功率因數(shù)。改善機車低速時的電制動性能，采用了加饋電阻制動

11、。機車主電路中交流側設有功率因數(shù)補償裝置，進一步提高了機車功率因數(shù)，減小了諧波等效干擾電流。相控整流裝置采用標準化、模塊化結構，大功率器件采用銅散熱器，以便改善機組的散熱和散熱片與母線接觸面的抗氧化性能，進一步提高裝置可靠性。采用型脈流牽引電機，額定脈動系數(shù)為。機車采用特性控制技術，牽引時采用恒流啟動能保證機車平穩(wěn)啟動，在進入準恒速運行后按司機控制器級位規(guī)定的速度運行，制動時亦采用特性控制功能，機車按準恒速和最大制動力限制運行。機車采用微機控制，大大提高了控制精度和一致性，并實現(xiàn)了機車技術數(shù)據(jù)信息的傳輸、顯示和存儲，給機車故障診斷和處理提供了極大方便。交流傳動技術大功率電力電子器件性能的不斷提

12、高和微機控制技術的發(fā)展，在使相控機車走向成熟的同時，為現(xiàn)代交流傳動技術的發(fā)展提供了必要條件。隨著世界首臺采用晶閘管的交流傳動內(nèi)燃機車問世，以及上世紀年代初型交流傳動電力機車批量生產(chǎn)、運用，交流傳動系統(tǒng)登上歷史的舞臺。我國從上世紀年代末即開始交流傳動技術的研究，開發(fā)出交流傳動原型機車及“先鋒號”、“中原之星”、“中華之星”等動車組樣車，獲取了大量資料，為我國交流傳動技術的發(fā)展積累了經(jīng)驗。年鐵道部根據(jù)國家經(jīng)濟發(fā)展的總體需求，提出跨越式發(fā)展的總體思路，進而提出中國的機車車輛裝備現(xiàn)代化及裝備制造業(yè)現(xiàn)代化。在鐵路技術裝備跨越式發(fā)展的形勢下，交流傳動技術的發(fā)展進入“快車道”，通過技術引進、消化吸收和再創(chuàng)新

13、，加速了我國機車電傳動技術從直流傳動到交流傳動的重大技術變革。下面介紹我國新型的大功率交流傳動機車電傳動第期張大勇：我國機車電傳動技術的發(fā)展年技術主要特點及發(fā)展方向。主電路隨著機車牽引功率的不斷提高，電傳動系統(tǒng)的電壓水平也不斷提高，這有利于減小電氣設備的重量、體積。目前，大功率機車、動車的電傳動系統(tǒng)的直流中間電壓最高已達到。盡管主電路電壓升高，但由于功率電力電子器件性能的提高，使得干線機車上二點式電路占據(jù)了絕對主導地位。由于機車軸功率不斷提高，加之單軸控制在粘著利用、軸重轉移補償、輪徑差要求、故障下的功率損失等多方面的優(yōu)點，單軸功率的大功率電力機車采用軸控供電方式。牽引、輔助變流器集成。集成的

14、變流器共用冷卻系統(tǒng)、機械結構和電氣部分，有效降低了變流設備的重量、體積、成本，減少了線路環(huán)節(jié)和設備，增強了系統(tǒng)的可靠性；由于取消了輔助繞組、列車供電繞組、繞組等，簡化了主變壓器結構，降低了重量、體積、成本；在機車過分相時，牽引電機可運行在再生制動工況，維持中間直流環(huán)節(jié)電壓，從而可保證過分相時輔助系統(tǒng)和列車供電系統(tǒng)的不間斷供電。牽引變壓器隨著機車牽引功率的不斷增大，牽引變壓器的容量不斷增加，目前我國研制的軸功率的軸電力機車牽引變壓器容量超過。機車牽引變壓器輸入電壓變化范圍為：，且網(wǎng)壓在之間時，機車能發(fā)揮額定功率。牽引變壓器一般采用全分裂結構，牽引繞組之間全解耦，以減少相互之間的干擾。牽引變壓器阻

15、抗電壓高，一般在。小型化、輕量化。在機車有限空間和重量嚴格限制的條件下，縮小體積、減輕重量一直是牽引變壓器追求的目標。通過采用高性能絕緣材料、改進冷卻系統(tǒng)等多種措施，不斷提高牽引變壓器的性能指標。冷卻技術。大功率牽引變壓器冷卻技術主要是冷卻液的選擇，包括礦物油、合成油、油、硅油等，主要選擇依據(jù)是阻燃、耐高溫、高效及對環(huán)境無污染。牽引變壓器的泄漏磁通應限制在一定范圍之內(nèi)，以防止對機車信號等造成影響。牽引變壓器應具有很高的機械強度，除滿足鐵路運用所要求的耐受振動、沖擊及加速度要求外，還要耐受牽引繞組短路工作方式引起的電磁力頻繁作用的影響。由于在交直交傳動系統(tǒng)中，網(wǎng)側變流器通常采用四象限變流器，其脈

16、寬調(diào)制工作方式將在繞組中產(chǎn)生高次諧波，引起損耗、噪聲等，因此，在牽引變壓器設計中應考慮到高次諧波的影響。具有完善的保護功能，如過電壓保護、過電流保護、油爆保護、油流保護、油溫保護、冷卻風機風速保護等，保證安全、穩(wěn)定運行。主變流器主變流器技術發(fā)展的目標是小型、輕量、節(jié)能、環(huán)保、可靠、經(jīng)濟、適用，而起決定性作用的是功率電力電子器件。作為多年的主型器件，在交流傳動的發(fā)展史留下厚重的一筆。但應用技術比較復雜，涉及到幾大難點：元件的增益較低，一般才左右，即要關斷的電流，門級要在很短的時間內(nèi)（微秒級）產(chǎn)生的用于關斷的電流，這就對的門級驅動裝置提出很高的要求。為了滿足元件限制要求，必須設有吸收電路，而為了達

17、到較好的吸收效果設計了形式復雜的吸收電路，對元器件要求很高。元件由于其結構特點，對有限制要求，因此電路中需設限制的電抗器。一般為平板式結構，器件本身不絕緣，需在外部結構上增設絕緣。由此增加了電路元器件和電路復雜程度，增加了損耗，降低了應用可靠性。另外，大功率元件的開關頻率一般在，限制了變流器性能的提高。與相比，具有下述優(yōu)點，因此其迅速成為當代主變流器的主型器件：為電壓型控制元件，控制電壓一般為，驅動裝置得到簡化，甚至集成到器件模塊內(nèi)部，不僅方便了應用，而且提高了控制的可靠性?？沙惺芎芨叩模瑹o需吸收電路和限流電抗器，顯著降低了變流器的復雜程度，使變流器結構緊湊、輕巧，成本下降，為提高可靠性創(chuàng)造條

18、件。開關損耗小，開關頻率高，為提高變流器調(diào)制比、電壓利用率、效率及供電質(zhì)量（波紋、諧波、動靜態(tài)控制特性）等重要性能創(chuàng)造了條件。一般均采用模塊式封裝，在模塊內(nèi)部實現(xiàn)了絕緣，非常有利于變流裝置的結構設計、制造。可直接并聯(lián)使用，無需采用附加措施即可保證并聯(lián)器件之間負載電流的均勻分配，由此可滿足大功率應用要求。一般在模塊中集成有必要的保護功能，如過流、過熱等保護，提高了器件應用的可靠性。目前機車主變流器均采用模塊化結構，以縮短研發(fā)周期，減少運用部門備件數(shù)量，降低產(chǎn)品的全壽命周期成本。功率模塊基本技術特點：內(nèi)燃機車采用的元件，而動車組及單軸功率機車上基本采用的是的高壓元件。集成了門極驅動、開關狀態(tài)反饋及

19、保護功能。低電感復合母排連接。具有與控制裝置的接口（電纜或光纖）。機車電傳動年水循環(huán)冷卻方式，快速插拔方便維護。交流異步牽引電機眾所周知，交流異步牽引電機與直流牽引電機相比具有很大的優(yōu)越性，異步牽引電機陡峭的自然特性有利于抑制空轉或打滑，提高粘著利用，更好地發(fā)揮牽引制動力。異步電機的鼠籠型轉子結構簡單、堅固耐用，易于制造和維護。異步牽引電機沒有換向器和電刷，一方面擺脫了換向器表面速度的限制，使轉速大幅提高，從而減輕電機重量，獲得更大的功率重量比；另一方面消除了電刷與換向器磨耗，提高了運用可靠性，降低了制造和維修成本。采用異步牽引電機的機車向前向后、牽引制動轉換無需轉換開關進行主電路的切換，電路

20、簡單，可靠性高。異步牽引電機體積小、重量輕，減小了機車簧下重量，改善了輪軌作用力，降低了對線路的影響。由于牽引電機的應用條件要比普通電機惡劣得多，異步牽引電機又是由逆變器供電，因此，異步牽引電機的電磁參數(shù)、零部件結構設計和絕緣材料、絕緣結構、軸承及其潤滑等方面都具有很高的要求。通過技術引進、消化吸收再創(chuàng)新，我國交流異步牽引電機設計、制造以及試驗技術跨上了一個新臺階，現(xiàn)可以制造大功率內(nèi)燃、電力機車和電動車組所需的不同功率等級的異步牽引電機，最大功率達到，并已普遍采用級絕緣，使電機的絕緣耐熱性、功率系數(shù)和運用可靠性得以明顯的提高。交流牽引電機控制策略目前，交流傳動機車普遍采用了磁場定向矢量控制或直

21、接轉矩控制方法，充分發(fā)揮了交流牽引電機的優(yōu)越性，獲得的優(yōu)良控制性能遠超過直流傳動系統(tǒng)。但科研及工程技術人員仍在努力，不斷集成、吸納現(xiàn)代控制理論和計算機應用領域的新成果，提高牽引傳動控制水平。目前牽引傳動控制的研究熱點是取消電機轉速傳感器的高動態(tài)性能控制。牽引電機的轉速傳感器一般安裝在電機的非傳動端，增加了電機尺寸和結構復雜性，同時，轉速傳感器工作在高溫、振動、電磁干擾、污染等惡劣環(huán)境中，影響了系統(tǒng)的可靠性。因此，去掉轉速傳感器對降低傳動系統(tǒng)復雜性和成本，提高運用可靠性具有十分積極的影響。車載網(wǎng)絡系統(tǒng)現(xiàn)代交流傳動機車車載網(wǎng)絡系統(tǒng)多為多級分布式結構。在列車或機車重聯(lián)級，有的總線、列車總線、以太網(wǎng)等；在車輛級有的總線、車輛總線等，同時在各設備之間又有總線、總線等。目前我國機車、動車（組）以符合標準的網(wǎng)絡占主導地位，其基本技術特點如下：列車總線：是通信網(wǎng)絡的列車或機車重聯(lián)總線，傳輸介質(zhì)采用雙絞屏蔽線，傳輸速率為。通過進一步制定應用層傳輸標準，對列車總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行了規(guī)范，可以實現(xiàn)裝有網(wǎng)絡的機車、動車（組）能夠直接互連。車輛總線：是通信網(wǎng)絡的車輛總線，總線的傳輸速率為。傳輸介質(zhì)分種：距離以下采用差分信號直接傳輸；距離以下采用變壓器隔離、雙絞屏蔽線傳輸；長距離采用光纖，傳輸距離可達。此外，我國機車上也有采用其他協(xié)議的車載網(wǎng)絡：網(wǎng)絡。是符合歐洲標