交流传动电力牵引发展的基础性技术

编者按：按照“十年转换”工程的要求，在姐短的两年时间里，我国轨道牵引动力技术领域紧紧围绕交流传动技术的发展，已有包括内燃机车、电力机车、动车组等几种型号的产品问世，并将陆续投入商业运营。为此，我刊从新千年首期开始，特辟-专栏，集中介绍我国交流传动技术的现状和特点、技术水平和发展趋势，以期让读者对这一技术或产品有一个系统、完整、实时的了解文章将以机车电传动技术为主线，综合不同车型，分几大技术模块进行介绍，每期介绍分。 技术专题交流传动电力牵引发展的基础性技术刘友梅（株洲电力机车厂，湖南株洲412001）述了交流传动电力牵引的基础性技术的属性、发展和应用，希望通过“十年转换”工程，达到我国交流传动电力牵引装备的商品化和产业化目丰标0概述电力牵引电传动方式主要可分为直流传动（直流供电加直流驱动）交直传动（交流供电加直流驱动）直交传动（直流供电加交流驱动）和交流传动（交流供电加交流驱动）自1879年世界上出现第1条电气化铁路以来，电力牵引经历了将近60年的交流传动的初期探索。20世纪50年代初整流器电力机车的诞生，使交流传动的研究暂告一段落。从此直流传动和交直传动机车成为电力牵引无可争辩的主体。 机车电传动实质上就是牵引电机变速传动技术，直流电机或交流电机均能实现直流电机转矩同主磁通和电枢磁势的乘积有关（M=KIH），而通过相控整流器控制电枢电压就可改变直流电机的转速（n=UHP）交流电机转矩与旋转磁场及转子磁势有关（Md），改变电机电压可控制电机磁通H，而转子功率因数coP与同步转速和转子转差有关同步转速随电源频率加而加根据这个道理，控制交流电机转速一般需要变频变压电源，这就是我们当前采用的交直交变流器一一交流传动技术的核心。 20世纪下半叶，电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为采用交流电机驱动提供了重要的物质基础通过大功率变频变压变流器实现了交流驱动的优良调速性能，交流电机驱动装置的优越性由此得到完整体现，从而使以交流驱动技术为核心的交流传动机车和直交传动机车得到了充分的发展历史上交流驱动技术是呈螺旋式上升之势发展，至今己趋成熟，目前世界上的电力牵引动力己转向以交流传动为主体20世纪80年代，交流传动电力机车以德国BR120型的优越性能为起点，开始在全球广泛应甩90年代以来，发达国家新造的高速机车、重载机车及客货通用机车己经全部被交流传动机车所占领展望21世纪，交流传动机车必将成为新的霸主。 1基础性技术的分类交流传动电力牵引的基础性技术主要可分为核心层技术、辅助层技术和相关层技术核心层技术指：牵引变流器技术、变流控制及其网络技术、交流驱动电机技术、牵引变压器技术；辅助层技术指：冷却和通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护技术、电磁兼容性和布线技术；相关层技术指：司机台操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术空气制动技术高压侧电器技术三个层次的基础性技术相互独立又相互依存三个不同层面的技术相互推动，相互促进，才能使交流传动电力牵引总体技术得到发展和完善，所以突破交流传动基础性技术是发展交流传动电力牵引的关键核心层技术是首先要突破的，这也是研究和开发的重点。电力电子器件的发展推动了变流器技术的发展国际上快速晶闸管在交流传动变流器上的应用属于早期阶段，现基本被淘汰；GTO元件作为第二代在变流器上的应用，技术上己趋成熟，但也开始被下一代新元件代替；IGBTIGCT元件广泛应用于变流器，在工程化和产业化上很有前景，将成为现代变流技术的主流；集成化（智能化）元件IPM己崭露头角，应用前景广阔。 机车控制技术实质上就是机车调速特性控制技术，交流传动控制技术也不例外。机车控制的*基础一级为传动级，即交流传动电机驱动控制它可分为转差频率控制、磁场矢量控制直接转矩控制等几种主要方式在高速、重载大功率电力牵引领域，直接转矩控制方法的优势越来越明显交流传动电力机车或列车）年均由多个驱动单元组成，还需要上一级（一般称之为车辆级）的控制装置，用来实现对机车整体的控制，传递操纵指令、轨道信号指令，分配牵引力制动力，优化粘着，监视运行状态，实现人机通信。如果是列车（动车组），还要有列车级控制。它是通过总线重联控制来实现的，动力车之间、动力车与车辆之间实施全部运行指令传递；通过它可实现整个列车的牵引制动，运行方向，牵引力或速度的统一控制；通过总线网络还可实现对车辆门控空调、旅客信息、监视诊断等的控制大容量微处理器的应用为交流传动电力牵引控制提供了优越的硬件条件，加之软件技术的不断发展，现代交流传动机车（列车）的控制系统日趋完善。 交流传动牵引电机经历了早期的同步电动机到异步电动机的探索，以异步交流电动机作为交流传动驱动的*终选择虽然异步牵引电机有结构简单功率大、体积小、重量轻可靠性高、少维护等优点，但仍然存在技术上的难点。首先要考虑变流器产生的高次谐波，异步电动机产生的高附加铜耗及铁耗，高的绝缘介质损耗和电晕，高的附加脉动转矩，高的电磁噪声等因素。因此要求异步牵引电机在结构上要采用高磁导率和低损耗铁心材料、全叠片式定子（无机壳）、铜合金转子导条和端环*200级耐电晕绝缘材料和绝缘结构，采用合理的机械传动方式和悬挂方式国际上异步交流牵引电机单台功率*大己达到（德国12X型机车），而采用1 1600kW的居多；单位功率重量指标己从3kgAW降到1.7kg/kW；在高速动车组上采用的异步牵引电机*先进的己实现了1kg/kW牵引变压器的发展要求大容量小型轻量化、低损耗、低噪声高阻抗、全退尤。而交流传动牵引变压器还要在设计时特别考虑电压电流高次谐波可能存在的直流偏磁和过激磁、漏磁的影响，以及由于高次谐波和大漏磁引发的局部过热和高噪声，同时还要在电磁兼容性上达到要求牵引变压器在结构上有心式变压器（欧洲国家居多），壳式变压器（日本居多）一般采用全密封式结构，其中有无压式和有压式两种。箱体目前多采用不锈钢和铝质，还考虑电磁屏蔽结构为了减重和减小体积，绝缘（冷却介质从采用矿物油向采用硅油和新型无燃性混合油发展；绕组均为分裂式，采用导向结构；导线采用换位导线，选用聚酰胺（Nomex纸）绝缘材料冷却方式为强迫导向油循环风冷方式；热交换器普遍采用铝质板翘式结构。铁心用高性能硅钢片，全斜式叠片冷却技术对于交流传动技术的发展有着较深的渊源关系，直接影响变流器的功率发挥和可靠性。大功率牵引变流器的冷却，除油冷却和沸腾冷却己普遍应用之外，水冷却己成为更加理想的冷却方式含有乙二醇的去离子水作为冷却介质己经达到工程化应用的程度。 牵引变压器一般采用矿物油冷却，但是为了追求高冷效率，降低重量和不燃性要求，采用硅油或不燃性混合油应该是我们努力的方向交流传动机车往往把牵引变流器和牵引变压器的冷却介质热交换器（散热器）置于一个通风冷却装置（主冷却柜）之中，采用复合式铝质板翘式散热器达到集成化的目的。 2我国电力牵引交流传动技术的应用我国交流传动技术的研究始于70年代初，可以说起步不晚，但国际上80年代初交流传动电力机车己经进入商用化，技术上日趋成熟到90年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制，功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功在此基础上，由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所于1996年共同研制的4轴4000kW，我国第1台交流传动电力机车（原型车）诞生以AC4000命名的交流传动电力机车的研制，标志着我国电力牵引技术进入交流传动时代，这是我国电力牵引技术发展的又一个里程碑世纪之交的2000年，是我国交流传动电力牵引取得卓越成果的一年。这一年可供商用的大功率交流传动电力机车研制成功，标志着我国交流传动电力机车的工程化进入了新的阶段2000年是我国电力牵引行业的“交传一高速一发展”年我国首批投入商业运营的国内单轴功率*大、技术*先进达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组动力车“蓝箭号”的诞生（性能参数介绍见附表），标志着我国铁路机车进入现代高科技领域与此同时，在2000年期间单轴功率300kW动力分散型交流传动高速动车组的研制也己取得重大成果，近期可望在南京浦镇车辆厂完成全列动车组的竣工，并投入试验；国产首台交流传动内燃机车样机也己于1999年在四方机车车辆厂研制成功，投入运营考核至今1年多；交流传动城市地铁工程维护车也己由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所完成研制，并己投入试运营；株洲电力机车厂研制的交流传动海关集装箱射线检测牵引平车己正式交付大连海关运营；交流传动游览车也正式在张家界游览区使甩附表DJ型与DJJ型机车性能参数表熊猫号（DJ型）蓝箭号（DJJ型）轴列式B一轴重/t牵引功率/kW持续速度/km.lr1*高速度/km.h-1启动牵引力/kN持续牵引力/kN调速方式电制动方式再生制动制动功率/kW/恒功制动力/kN变流器型式IPM水冷、四象限整流器加逆变器1PM、水冷、四象限整流器加逆变器微机控制方式分散式总线方式机车级总线MVB列车级总线WTB机车级总线MVB列车级总线WTB空气制动空电联合制动列车电空制动基础制动轮盘制动器储能停车制动车轴盘形制动器储能停车制动转向架型式架悬式六连杆空心轴传动转向柔性转向架半体悬式两级空心轴传动、驱动制动单元式高速转向架车体型式准流线型，梯型断面，薄壳整体承载结构流线型、鼓形断面、薄壳整体承载结构通风型式车顶夹层独立通风车钩中心线距/mm车体长度/mm车体宽度/mm车钩中心线高/mm机车落弓高/mm受电弓中心距/mm转向架中心距/mm转向架固定轴距/mm车轮直径/mm 1210（半磨耗）1010（半磨耗）3“十年转换”工程的展望工程的关键时期根据“十五”铁路科技发展计划，我国将实现两网（快速客运网和快捷货运网）两线（京沈客运专线和沪宁客运专线）两系统（安全保障系统和运营信息系统）的科技发展目标这就特别需要运载装备的先行作用，而交流传动电力牵引运载装备将是主角，这也是交流传动技术“十年转换”工程的同期任务。 200km/h级的交流传动电力机车和动车组（包含动力集中型和动力分散型）要达到产业化，以满足“两网”对运载装备的需求交流传动电力牵引摆式列车技术要在工程化上有所突破，构成具有自我知识产权的摆式列车技术，以满足既有线路客运进一步提速的要求，为迎接我国铁路第4次、第5次更大规模的提速作好技术装备的储备。要完成270km/h级交流传动高速动车组的研制和试验，实现270km/h级高速动车组工程化与商用化，为高速客运专线的发展作好运载装备的技术储备要研究300km/h级以上动力分散型交流传动高速动车组，并取得成果。 流传动电力牵引，而交流传动电力牵引需要高速铁路为载体，才能全面发展，只有将两者结合起来，才能使年电力牵引轨道交通的无比优越性发挥得淋漓尽致作为“绿色”的大众交通，交流传动电力牵引还将在城市轨道交通领域发挥巨大的作甩新世纪的曙光己经从东方地平线上露出，铁路向纵深发展的时刻己经到来我们要在20世纪己有的科技成果的基础上，利用“十年转换”工程这个契机，使我国高速技术、交流传动技术、机车信息技术、城轨交通技术等更加完善，为开发速度更高、功率更大结构更轻、性能更优可靠性更高、经济性更好的电力牵引运载装备而作出新贡献本文作为本年度〈〈机车电传动》杂志交流传动技术的系列介绍论文的首篇，希望能起到索引和综述的目的。愿交流传动技术的系列介绍在“十年转换”工程的历史进程中起到舆论推进作甩技术动态中车公司重组为南北两个集团公司经铁道部党组批准，原有的中国铁路机车车辆工业总公司（中车公司）己经重组为中国南方机车车辆工业集团公司和中国北方机车车辆工业集团公司。 中国南方机车车辆工业集团公司董事长、党委书记由王泰文担任，副董事长、总经理、党委副书记由赵小刚担任中国北方机车车辆工业集团公司董事长、党委书记由冯静樵担任，副董事长、总经理、党委副书记由崔殿国担任。 南方集团公司成员单位株洲电力机车厂（株洲电机厂并入）戚墅堰机车车辆厂资阳内燃机车厂四方机车车辆厂南京浦镇车辆厂株洲车辆厂眉山车辆厂武昌车辆厂铜陵车辆厂北京昌平机车车辆机械厂北京二七车辆厂石家庄车辆厂洛阳车辆厂襄樊内燃机车厂（襄樊牵引电机厂并入）武汉江岸车辆厂成都机车厂南方汇通股份有限公司（贵阳车辆厂）株洲电力机车研宄所戚墅堰机车车辆工艺研宄所铁工经贸公司两个研宄所和铁工经贸公司由南方集团公司与北方集团公司双方持股北方集团公司成员单位大连机车车辆厂北京二七机车厂大同机车厂长春客车厂唐山机车车辆厂齐齐哈尔铁路车辆（集团）有限责任公司济南机车车辆厂西安车辆厂永济电机厂天津机车车辆机械厂北京南口机车车辆机械厂牡丹江机车厂哈尔滨车辆厂长春机车厂沈阳机车车辆厂（沈阳制动机厂并入）太原机车车辆厂兰州机车厂大连内燃机车研宄所四方车辆研宄所中车进出口公司两个研宄所和中车进出口公司由南方集团公司与北方集团公司双方持股。 ）