电力牵引传动与控制技术的现状与发展

电力牵引传动与控制技术的现状与发展（湖南长沙410075）摘要：简要介绍了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，重点阐述了我国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铁路机车车辆装备制造业的发展前景。关键词：机车电传动；交流传动；牵引；控制；电力电子器件；发展ThePresentConditionandDevelopmentofElectricDriveTechnologyforLocomotiveAbstract：Thearticleconciselyintroducedhowtheformofelectricdriveforlocomotivechanged,andlookedbacktocommunicatetospreaddynamicdevelopmenthistory.Thecloserelationshipbetweenpowerelectronicandelectricdrivetechnologyisrevealed．Itespeciallyillustratedthedevelopmentandpresentconditionofelectricdrivetechnologyforlocomotiveofourcountry，andlookforwardtolongtermpotentialofrailwayroilingstockequipmentmanufacturewithdirectionofACdrivetechnology．Keywords:electricdriveforlocomotive;ACdrive;traction;control;powerelectronicdevices;development1.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。1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年,硅可控整流器(即普通晶闸管)的发明,标志着电力牵引跨入了电力电子时代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。1965年,晶闸管整流器机车问世,使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革,全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。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，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。2.交流传动技术的发展交流电动机作为牵引电动机使用,具有独特的优越性：(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)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。虽然交流电动机,尤其是异步电动机具有上述优势,但在上世纪70年前,由于直流电机控制的简便性,以及电力电子技术仅具备整流晶闸管器件和完善的整流技术,交流传动无法与直流传动相媲美。随着快速晶闸管的出现,采用异步牵引电机、快速晶闸管变流机组、电流--滑差控制方法的交流传动系统的DE-2500内燃机车问世了，交流传动在牵引领域展现出前所未有的活力。从此,机车车辆装备进人了新时代。1983年,世界首批5台BR120型大功率干线交流传动电力机车,赢得了德国联邦铁路的认可。BR120机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面以及在主要部件,如卧式主变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等的设计和制造方面,成功地进行了尝试,奠定了当代交流机车设计和运行的基本模式。交流传动系统不仅能充分发挥了交流电动机的优越性,而且采用新技术后,带来了新的优势：(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。西方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统,经过30年的研发、考核、技术更新,已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。TGV、新干线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。随着大功率GTO器件的诞生,上世纪80年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车,技术性能又有新的提高。进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。与此同时,控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。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。由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。3.我国机车电传动技术的发展与现状3.1交-直传动技术的发展1958年底，我国试制出第1台干线电力机车，即6Y1型电力机车。6Y1型电力机车是以前苏联H60型干线交直流传动电力机车为样板，按照中国铁路规范进行研制的。由于当时大功率电力电子器件尚未成熟，可用的整流器件是引燃管。6Y1型电力机车经铁科院环形铁道运行试验后，于1962年前后共试制了5台样车投入宝凤线试运行。但是，由于一些重要设备(调压开关、牵引电机等)一直存在技术和质量问题，尤其是引燃管整流器难以达到实际运用要求，因此6Y1型电力机车未能投人批量生产。随着我国电力电子工业的发展，大功率整流二极管开始进入到工程实用阶段，为机车电传动技术的发展提供了必要条件。正是在这样的技术背景下，在6Y1型电力机车基础上，我国第1代有级调压、交-直传动电力机车——SSl型电力机车于1968年试制成功，1969年开始批量生产，到1988年止，共生产826台，使我国机车电传动技术进入到交-直传动时期。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交流传动技术的发展为追踪世界新型“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。2001年9月我国自行研制成功200km/h“奥星”交流传动电力机车，同年10月时速200km/h的“蓝箭”号在广深线投入使用；2001年又研制成功采用交流传动技术的200km/h的“先锋”号及160km/h的“中原之星”动力分散型电动车组。从2006年开始，我国分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列-CRH系列动车组，它们均属于强动力分散系动车组，这些均预示着机车性能的深刻变革，因而成为今后我国电力机车的发展方向。我国自主研发的交流传动产品还有：国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西部之光”内燃机车、DJJ2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。3.3电力牵引技术的现状电力牵引技术的现状可从以下五个方面来看：（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。（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。目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。（3）运行速度等级。我国已经有了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。（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1200k