伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 前言

根據(jù)牽引電動機工作電流的不同，電傳動系統(tǒng)可分為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)。機車電傳動系統(tǒng)作為電傳動系統(tǒng)的一個獨立分支[1]，其覆蓋范圍包括干線鐵道牽引動力裝置、城市軌道交通列車和非軌道電動車輛等領(lǐng)域的電傳動控制系統(tǒng)。干線鐵道牽引動力裝置主要有電力機車、電傳動內(nèi)燃機車和動車組，動車組主要有電力動車組(EMU)和內(nèi)燃動車組(DMU)[2-5]；城市軌道交通列車主要有地鐵、輕軌、有軌電車及中低速磁懸浮列車等；非軌道電動車輛主要有無軌電車、雙動力汽車及電動汽車等。干線鐵道機車、動車組和城市軌道交通列車在傳動控制方式上具有相似性。其電傳動系統(tǒng)是一個需要大范圍調(diào)速的大功率傳動系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)要保證列車在可運行速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效、平穩(wěn)的速度調(diào)節(jié)，具有良好的靜態(tài)、動態(tài)性能，滿足列車牽引運行需要。

1 機車電傳動系統(tǒng)基本組成

機車電傳動系統(tǒng)主要由牽引電動機、傳動裝置和動力輪對組成，牽引電動機接受電能并將其轉(zhuǎn)換為機械能從轉(zhuǎn)軸上輸出，通過傳動裝置帶動車輪旋轉(zhuǎn)，在輪軌之間產(chǎn)生牽引力，牽引列車運行?？刂茊卧请妭鲃酉到y(tǒng)的中樞神經(jīng)，承擔(dān)著整個系統(tǒng)各單元內(nèi)部及相互間的控制和通訊任務(wù)。

2 機車電傳動系統(tǒng)分類

機車電傳動系統(tǒng)可以按電能供給方式、牽引電動機工作電流的性質(zhì)進(jìn)行分類。

2.1 按電能供給方式分類

按電能供給方式的不同，機車電傳動系統(tǒng)可分為自備電源系統(tǒng)和外供電源系統(tǒng)。

自備電源系統(tǒng)主要為電傳動內(nèi)燃機車，外供電源系統(tǒng)主要有電力機車、電力動車組(EMU)、城市軌道列車和中低速磁懸浮列車等。

內(nèi)燃機車為自備能源的機車，目前大功率內(nèi)燃機車的傳動裝置主要有電傳動和液力傳動兩種傳動方式。受制造能力和技術(shù)習(xí)慣的影響，不同國家對兩種傳動方式的認(rèn)識也有所不同。液力傳動具有質(zhì)量輕、銅耗少、運營維護(hù)簡單及成本低等諸多優(yōu)點；電傳動具有效率高[6]、工作可靠、自動化程度高和綜合性能優(yōu)異等優(yōu)點。一般機械制造、液壓技術(shù)能力強的國家，如德國、奧地利、日本等，傾向于生產(chǎn)和應(yīng)用液力傳動內(nèi)燃機車，其他絕大多數(shù)國家主要生產(chǎn)和使用電傳動內(nèi)燃機車。我國一直以發(fā)展電傳動內(nèi)燃機車為主，曾經(jīng)也生產(chǎn)、進(jìn)口過一些液力傳動內(nèi)燃機車，現(xiàn)已全部退出干線牽引。曾經(jīng)傾向于液力傳動的國家，由于受市場銷售影響以及電傳動技術(shù)的不斷進(jìn)步，也逐步放棄液力傳動而轉(zhuǎn)向電傳動內(nèi)燃機車的研制與應(yīng)用，因此，電傳動已成為內(nèi)燃機車的主流傳動模式。

電力機車、電力動車組及城市軌道列車為外供電能的動力裝置。現(xiàn)代電力機車、電力動車組均采用單相交流供電制式，城市軌道列車一般采用直流750 V/1 500 V供電方式[7]。

2.2 按牽引電動機工作電流性質(zhì)分類

按照牽引電動機的工作電流性質(zhì)不同，機車電傳動系統(tǒng)可分為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)。結(jié)合外供電源電壓或牽引發(fā)電機輸出電壓的不同性質(zhì)，電傳動系統(tǒng)可有多種組合形式。在單相交流供電制式下，電力機車、電力動車組的電傳動系統(tǒng)可分為交一直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)；城市軌道列車的電傳動系統(tǒng)可分為直一直流傳動系統(tǒng)和直一交流傳動系統(tǒng)。在內(nèi)燃機車中，牽引發(fā)電機、牽引電動機都有直流、交流之分，其電傳動系統(tǒng)可分為直一直流傳動、交一直流傳動和交流傳動系統(tǒng)。

3 直流電傳動系統(tǒng)及其技術(shù)特點

直流電傳動系統(tǒng)是以直流串勵電動機作為牽引電動機的傳動系統(tǒng)。城市軌道列車以直流串勵電動機作為牽引電動機，主要由其優(yōu)異的調(diào)速性能所決定。從電磁過程來看，直流牽引電動機是一個雙端勵磁的電動機，其磁場電流與電樞電流無耦合關(guān)系[8]，可獨立進(jìn)行控制，其起動、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性符合牽引需要，動態(tài)性能良好。由于電源性質(zhì)不同，直流電傳動系統(tǒng)可分為直一直流和交一直流電傳動系統(tǒng)兩種模式。

3.1 直一直流電傳動系統(tǒng)

直一直流電傳動系統(tǒng)是由直流電源向直流牽引電動機供電的傳動系統(tǒng)，在我國電氣化鐵路中并未采用過這種供電方式。而在內(nèi)燃機車中，直一直流傳動曾經(jīng)是主要的傳動形式，牽引發(fā)電機采用直流發(fā)電機，曾生產(chǎn)和進(jìn)口了DF1、DF2、DF3、ND1、ND2型內(nèi)燃機車。直流牽引發(fā)電機因受換向條件、機車限界尺寸及軸重等因素限制，單機功率曾被限制在2 200 kW以下[9]，致使機車功率受限制。在城軌列車中，直一直流傳動作為主要傳動形式持續(xù)了很長時間。

3.2 交一直流電傳動系統(tǒng)

交一直流電傳動系統(tǒng)是由交流電源經(jīng)整流后向直流牽引電動機供電的傳動系統(tǒng)，是繼直一直流傳動之后的又一直流傳動模式，作為機車電傳動系統(tǒng)的主要傳動模式，至今仍在許多國家和地區(qū)使用。我國干線列車牽引機車仍以交一直流電傳動系統(tǒng)為主，交一直流電傳動機車保有量很大。盡管直流電傳動系統(tǒng)具有理想的牽引性能，但不可否認(rèn)，直流牽引電動機由于電樞結(jié)構(gòu)復(fù)雜、慣量較大，存在接觸式的機械換向器，換向過程復(fù)雜，運行中不可避免地產(chǎn)生換向火花，很容易發(fā)生環(huán)火故障，這在一定程度上降低了牽引電動機運行的可靠性[10-11]；同時，直流牽引電動機又受電樞機械強度的限制，其輸出功率和最高轉(zhuǎn)速都基本達(dá)到了極限值，使直流傳動系統(tǒng)遇到了不可逾越的障礙，制約了直流傳動機車功率的進(jìn)一步增加。

交一直流電傳動系統(tǒng)中，電力機車與內(nèi)燃機車的電源均為交流電，但在性能上存在著較大的差異。電力機車通過接觸網(wǎng)獲得單相高壓交流電，需經(jīng)牽引變壓器降壓；內(nèi)燃機車采用三相同步發(fā)電機，輸出電壓較低、頻率較高的三相交流電，額定頻率一般為工頻的2倍以上。 電力機車由接觸網(wǎng)提供單相高壓交流電能，通過車載受電弓將單相高壓交流電引入車內(nèi)牽引變壓器原邊繞組，經(jīng)變壓器降壓后在副邊繞組上輸出1 000 V左右的單相交流電，供給可控整流器，進(jìn)行相控調(diào)壓，輸出交流分量較大的脈動電壓，經(jīng)平波處理后送給直流(脈流)牽引電動機，完成機電能量轉(zhuǎn)換，驅(qū)動列車運行。

3.3 交一直流傳動電力機車工作原理

交一直流傳動電力機車曾經(jīng)持續(xù)發(fā)展了許多年，技術(shù)非常成熟，成為許多國家客貨運輸?shù)闹餍碗娏C車。我國生產(chǎn)的SS3B～SS9G型機車都屬于此類電力機車，仍在承擔(dān)著繁重的客貨運輸列車的牽引任務(wù)[12]。

交一直流傳動內(nèi)燃機車是由柴油機驅(qū)動三相同步發(fā)電機產(chǎn)生三相交流電，通過大功率硅整流器將三相交流電變換為直流電，供給各直流牽引電動機。該型內(nèi)燃機車既保留了直流牽引電動機，又采用交流牽引發(fā)電機與硅整流器取代了直一直流電傳動系統(tǒng)中的直流牽引發(fā)電機，使得傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、省銅、維護(hù)保養(yǎng)簡單。在同等功率條件下，交流牽引發(fā)電機的質(zhì)量只有直流牽引發(fā)電機的1/2。因此，交一直流電傳動一度成為國內(nèi)外大功率內(nèi)燃機車的主要傳動方式，曾研制生產(chǎn)了許多用途的此類機車，保有量巨大，在許多國家至今仍為主型機車。美國GE公司的Dash8系列、GM公司的EMD-60系列，我國生產(chǎn)的DF4～DF11G型以及進(jìn)口的ND4、ND5型內(nèi)燃機車均采用交一直流電傳動方式。

交一直流傳動的內(nèi)燃機車、電力機車，由于供電電源方面的差異，其電流變換、調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)不同，供給牽引電動機的電源品質(zhì)差異較大，導(dǎo)致主電路結(jié)構(gòu)不盡相同。牽引電動機同為直流(脈流)串勵電動機，能夠獲得良好的牽引性能，但直流(脈流)牽引電動機固有的不足，諸如電樞結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換向問題及可靠性等，制約了其單機功率、轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，不能適應(yīng)高速、重載運輸對牽引動力的更高要求。解決這一問題，只有從提高牽引電動機的功率、轉(zhuǎn)速著手，采用交流牽引電動機是最佳選擇。只有采用交流傳動才能使電力機車、內(nèi)燃機車再創(chuàng)輝煌。

4 交流電傳動系統(tǒng)及其技術(shù)特點

4.1 交流電傳動系統(tǒng)及其歷史發(fā)展

隨著鐵路運輸向著高速化、重載化方向發(fā)展，對牽引動力裝置也提出了速度、功率的更高要求，即提高牽引電動機單機功率與轉(zhuǎn)速，這對直流電傳動系統(tǒng)而言是難以實現(xiàn)的。尋求新的電傳動方式是解決鐵路運輸高速、重載發(fā)展的關(guān)鍵之一。

目前，計算機網(wǎng)絡(luò)控制已成為主流控制模式。作為列車運行的重要載體，輕量化流線型車體、高性能走行部設(shè)計制造技術(shù)取得了重大突破，以高速轉(zhuǎn)向架、徑向轉(zhuǎn)向架為代表的現(xiàn)代轉(zhuǎn)向架技術(shù)，在高速、重載列車的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。因此，采用交流電傳動技術(shù)、現(xiàn)代轉(zhuǎn)向架技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代列車的主要技術(shù)標(biāo)志[13]。

機車交流電傳動系統(tǒng)就是采用交流牽引電動機作為驅(qū)動電動機的電傳動系統(tǒng)，其優(yōu)點主要由交流牽引電動機的優(yōu)點而體現(xiàn)出來。牽引電動機以三相異步牽引電動機為主，同步牽引電動機應(yīng)用較少，永磁同步牽引電動機正在發(fā)展中。

交流異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、維修少，在機械設(shè)備的傳動中應(yīng)用最廣[14]，在牽引領(lǐng)域曾經(jīng)過多次嘗試，均以失敗告終，未能得到有效的應(yīng)用。其主要原因是技術(shù)條件不成熟，靠旋轉(zhuǎn)機組做調(diào)壓調(diào)頻，控制性能達(dá)不到要求，且設(shè)備的重量體積龐大，各方面的指標(biāo)均無法與直流傳動相比。隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件及應(yīng)用半導(dǎo)體器件的靜止變流器技術(shù)發(fā)展迅速，使交流電傳動在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，并為其發(fā)展提供了廣闊的前景。英國曾在一臺內(nèi)燃電傳動機車上進(jìn)行交流傳動試驗，使用晶閘管逆變器，因換流技術(shù)不過關(guān)而失敗。美國在克里夫蘭鐵路上成功地試驗了交流電傳動的動車，由于沒有充分認(rèn)識這項技術(shù)的潛在能力，這項技術(shù)沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。

早在1971年，原聯(lián)邦德國設(shè)計出了第一臺實用的交流傳動(交直交傳動)內(nèi)燃機車，型號為DE2500[15]，柴油機功率2 500 hp，牽引電機總功率1 500 kW，電機為抱軸式懸掛，最高速度為140 km/h。交直交變流系統(tǒng)是三相同步發(fā)電機、硅整流器、電容中間回路、三相逆變器，采用脈寬調(diào)制，異步牽引電機采用變頻調(diào)壓和轉(zhuǎn)差控制。DE2500型機車一共制造了三臺，在線路上進(jìn)行了長期的運行試驗，試驗結(jié)果顯示這種新型傳動方式的優(yōu)越性，屬于新一代的交直交牽引傳動方式受到各方面的重視，其主要優(yōu)點有：

(1)黏著利用好，有自然防空轉(zhuǎn)性能，單軸不會飛車；發(fā)揮起動牽引力不受時間限制；

(2)牽引電機容量大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維修少；

(3)起動階段柴油機發(fā)揮功率小，節(jié)能效果好；

(4)簧下重量小，走行性能好，抱軸懸掛最高速度可達(dá)140 km/h。

交流傳動的優(yōu)點對工礦和調(diào)車作業(yè)來說，其牽引和節(jié)能效果尤為明顯，所以在工礦運輸中得到了推廣應(yīng)用。

在以后的發(fā)展中電流源逆變器主要用于城市交通的動車組。干線機車上也進(jìn)行了應(yīng)用，但為數(shù)極少，其主要優(yōu)點是對器件要求低，從而造價低，保護(hù)簡單，缺點是起動性能不理想，能量反饋質(zhì)量差，如果用脈沖整流器改善功率因數(shù)，則造價也相對較高。

在優(yōu)化過程中，認(rèn)識到由于異步電機本身的特點與黏著機制的相互作用，如果采用目前常用的以轉(zhuǎn)向架為單位的控制方式則難以充分利用機車的黏著，應(yīng)該以單軸傳動來取代，在當(dāng)時要實施單軸控制方式在技術(shù)上和經(jīng)濟上均不具備條件。

交流傳動電力機車還在高速客運領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。尤其是在西歐高速客運網(wǎng)已普遍采用動力集中式高速動車。其牽引動力均采用了交流傳動方式。

目前，采用交流傳動方式的機車車輛多以三相交流籠式轉(zhuǎn)子異步電動機作為牽引電動機，可以很好地解決直流牽引電動機存在的問題，能滿足現(xiàn)代列車牽引對于高速、大功率的要求。交流異步牽引電動機單機設(shè)計制造水平已超過2 000 kW，運行轉(zhuǎn)速超過4 000 r/min，最高試驗轉(zhuǎn)速可達(dá)到7 100 r/min，已裝車最大軸功率達(dá)到1 840 kW。從功率、轉(zhuǎn)速上看，交流異步牽引電動機完全能夠滿足現(xiàn)代列車對速度及牽引力的需求；但從調(diào)速性能方面來看，交流異步牽引電動機實現(xiàn)平滑調(diào)速比較困難。交流異步電動機屬于單端勵磁的電動機，其工作所需的磁場及作功能量均需由定子繞組上輸入，建立磁場的無功電流與對外輸出機械功率的有功電流都來自定子同一電流，相互耦合在一起，不能對勵磁電流與有功電流進(jìn)行獨立控制，使得平滑調(diào)速異常困難，為此需要一套高性能的變頻電源，即交流異步牽引電動機實現(xiàn)平滑調(diào)速的關(guān)鍵是變頻電源，這也是交流電傳動技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

根據(jù)供電電源性質(zhì)及變流方式的不同，交流電傳動系統(tǒng)主要可分為交一交流傳動、交一直一交流傳動和直一交流傳動三種形式。

4.2 交一交流傳動系統(tǒng)

交一交流傳動系統(tǒng)是將某一頻率的交流電源直接經(jīng)逆變器變換以后，獲得頻率可調(diào)的三相交流電源，供給交流牽引電動機[16-17]。對于采用單相交流供電的系統(tǒng)，變頻器只能改變頻率提供單相變頻電源，不能向三相交流牽引電動機供電，所以此交流傳動方式不適合作為電力機車的傳動。對于三相交流電源而言，經(jīng)過變頻器可直接改變輸出頻率，為交流牽引電動機供電，從工作原理上看適合內(nèi)燃機車的交流傳動。

在交一交流傳動中，變頻器的輸入頻率與輸出頻率之間有著直接的關(guān)系，變頻器的輸出頻率一般僅為輸入頻率的1/3。對于自備發(fā)電系統(tǒng)的牽引動力裝置而言，當(dāng)原動機的轉(zhuǎn)速足夠高時，交流同步發(fā)電機將可輸出頻率較高的三相交流電，經(jīng)直接變頻后可獲得調(diào)速所需的頻率范圍，滿足牽引調(diào)速需要。因此，交一交流傳動系統(tǒng)適合于由高速原動機驅(qū)動的動力系統(tǒng)，如燃?xì)廨啓C驅(qū)動的牽引動力系統(tǒng)一燃?xì)廨啓C車等[18-19]。以柴油機作為原動機的傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，因柴油機額定轉(zhuǎn)速較低，三相交流同步發(fā)電機的輸出電壓頻率很有限，使?fàn)恳妱訖C的最高運行轉(zhuǎn)速很低，因此不能滿足機車調(diào)速要求。也就是說，交一交流傳動系統(tǒng)不適合作為當(dāng)前內(nèi)燃機車的傳動系統(tǒng)，至今也沒有應(yīng)用的范例。

4.3 交一直一交流傳動系統(tǒng)

交一直一交流傳動系統(tǒng)是具有中間直流環(huán)節(jié)的間接變流系統(tǒng)，輸入的交流電源與輸出的交流電源之間完全獨立，在頻率上沒有任何關(guān)系，其變流過程由交一直流變換和直一交流變換兩部分組成[20-21]。

交一直一交流傳動的電力機車、EMU以及內(nèi)燃機車都具有動力制動能力。電力機車、EMU采用再生回饋制動，將列車的慣性能量最終變換為電能，回送到接觸網(wǎng)以供再利用；內(nèi)燃機車只能采用電阻制動，將列車的慣性能量變換為直流電能，輸入到車載制動電阻被消耗掉。交一直一交流傳動的電力機車、EMU以及內(nèi)燃機車一般采用架控方式或軸控方式供電。

4.4 直一交流傳動系統(tǒng)

直一交流傳動系統(tǒng)是指采用直流電網(wǎng)供電的交流傳動系統(tǒng)，主要應(yīng)用于地鐵、輕軌列車和中低速磁懸浮列車。直流電源通過受電弓或第三軌從電網(wǎng)引入，經(jīng)高速斷路器、濾波電抗器等高壓電器再接入逆變器。在傳動控制單元的控制下，逆變器將輸入的直流電能變換成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電，供給異步牽引電動機[22-23]，完成機電能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生牽引動力，實現(xiàn)對異步牽引電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制。交流傳動機車在技術(shù)上正在不斷發(fā)展并日趨完善，發(fā)展的主要方向如下所示。

4.3.1 向更大功率的通用型機車發(fā)展

目標(biāo)是只使用一種通用型機車來滿足各種運輸?shù)囊蟆Ｄ康氖菍碇挥靡环N機車以減少機車保有量，得到更高的經(jīng)濟效益。

4.3.2 使用高阻斷能力的大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)元件的變流裝置

目前越來越多的交流傳動機車采用GTO變流裝置。普遍使用的GTO晶閘管的水平是4 500 V電壓等級，3 000 A的元件。為了能適應(yīng)直流3 kV電網(wǎng)和更大功率的通用型機車的要求，GTO器件的電壓和電流容量都將提高，與此有關(guān)的一項技術(shù)是大功率器件的油浸強迫循環(huán)冷卻技術(shù)。使用這一冷卻技術(shù)可以提高功率模塊的集成度。

4.3.3 充分發(fā)揮機車的黏著牽引力

為了在軸重轉(zhuǎn)移情況下仍能充分發(fā)揮機車的黏著牽引力，必須采用單軸控制的控制方式，使每根軸都能發(fā)揮與當(dāng)時軸重相應(yīng)的功率。這樣對逆變器和牽引電動機的容量應(yīng)按照可能出現(xiàn)的最大軸重時的功率參數(shù)來設(shè)計，所以更大功率的逆變器也是實施單軸驅(qū)動的基本條件之一。單軸控制要增加某些控制單元，因此電子控制系統(tǒng)也應(yīng)有相應(yīng)的發(fā)展。除此之外，尚需提高電機控制的動態(tài)性能，交流傳動的牽引電機控制初期普遍采用轉(zhuǎn)差控制。這種控制存在的缺點是響應(yīng)速度慢，而且需要很精確的轉(zhuǎn)速測量。以后漸漸采用磁場矢量控制。近年來出現(xiàn)一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法。這種控制方法的優(yōu)點是轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)快，即使在中間回路波動時轉(zhuǎn)矩也很平穩(wěn)，在受電弓離線干擾時轉(zhuǎn)矩也能平穩(wěn)控制。在異步調(diào)制區(qū)能充分利用開關(guān)頻率，減小諧波含量可取消電機濾波電抗器。轉(zhuǎn)矩控制塊可使防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)更有效。這種方法為了在低轉(zhuǎn)速時為計算磁場還需要測量轉(zhuǎn)速。目前正在研究取消轉(zhuǎn)速測量。直接的轉(zhuǎn)矩控制將在交流傳動機車中大有發(fā)展前途。

4.3.4 使用微機自動化系統(tǒng)

隨著電子器件的發(fā)展，微機自動化系統(tǒng)越來越多地用于交流傳動機車。除了機車控制、傳動控制以外，還擴大到故障診斷和預(yù)診，以及高速客運的列車信息系統(tǒng)等，使用的器件集成規(guī)模和功能均有大幅度的提高。

目前使用GTO變流裝置的轉(zhuǎn)向架傳動控制僅有5塊插件板即：電機轉(zhuǎn)速處理、電機控制、GTO元件觸發(fā)、GTO元件保護(hù)以及電子信號——光纜——轉(zhuǎn)換等功能插件板。電子柜的輸入輸出使用分散的輸入即模塊，分別安裝在車內(nèi)有利的位置，從而使布線大量減少。從微機自動化系統(tǒng)的功能來看，幾乎是無所不能，所以有著廣闊的前途。

從1971年第一臺交流傳動機車問世以來，迄今已有五十載。五十年來的發(fā)展充分顯示了這種傳動技術(shù)的優(yōu)越性和生命力。這種傳動方式已被各國鐵路所接受，部分國家如德國已經(jīng)明確規(guī)定今后只生產(chǎn)交流傳動機車。從總體來看，交流傳動技術(shù)必將作為整個牽引領(lǐng)域的主流發(fā)展趨勢。

5 機車電傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、控制理論的不斷完善以及微型計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻電源技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，為交流電動機的平滑調(diào)速提供了可靠支撐。交流傳動技術(shù)性能完全可以和直流傳動相媲美，在鐵路高速、重載運輸中發(fā)揮著巨大作用。

5.1 交流傳動技術(shù)是重要發(fā)展方向

交流傳動技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)，涉及電力電子器件、變流器電路、交流牽引電動機、控制理論及計算機網(wǎng)絡(luò)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。電力電子器件是交流傳動技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與支柱，傳動技術(shù)的發(fā)展總是隨著新型器件的應(yīng)用而發(fā)展[24]。

交流牽引傳動技術(shù)在不斷完善性能的基礎(chǔ)上，向著結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和輕量化的方向發(fā)展，已在無速度傳感器控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、永磁同步電動機直接驅(qū)動技術(shù)、變壓器小型化和輕量化技術(shù)、無變壓器技術(shù)等方面取得一定的進(jìn)步。

迄今為止，三相交流異步籠式電動機是唯一仍在得以繼續(xù)拓展中的牽引電動機，其性能將會更加優(yōu)良。隨著稀土永磁材料技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化，采用新型永磁材料鈷、釤制成的交流同步永磁電動機，性能更好。永磁同步牽引電動機相對于交流異步電動機，具有極對數(shù)多、轉(zhuǎn)矩密度高的特點[25]，在同等條件下，其體積、質(zhì)量可減小約1/3。永磁電動機沒有勵磁電流，功率因數(shù)較高，特別在低速時尤為突出；在穩(wěn)態(tài)運行時無轉(zhuǎn)子銅耗，總損耗較低，其效率可提高2%～8%，同時在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)與效率，在寬負(fù)載范圍持續(xù)運行時節(jié)能效果顯著[26-27]。永磁同步牽引電動機將會挑戰(zhàn)異步籠式電動機，引領(lǐng)交流傳動技術(shù)發(fā)展潮流。以法國高速列車AGV為例，其已采用永磁同步牽引電動機，節(jié)能15%，效果明顯，技術(shù)經(jīng)濟性能優(yōu)越。

5.2 機車電傳動的發(fā)展特點

從目前國內(nèi)外情況來看，機車電傳動發(fā)展的特點主要有以下幾個方面。

5.2.1 采用交流傳動方式

隨著交流傳動技術(shù)的發(fā)展成熟和生產(chǎn)成本的合理解決，交流傳動無疑是機車傳動方式的主要發(fā)展方向。目前發(fā)達(dá)國家普遍采用交流傳動方式，歐洲的阿爾斯通公司、龐巴迪公司、西門子公司、美國的GE公司和EMD公司等世界幾大機車制造商已批量生產(chǎn)交流傳動電力機車和內(nèi)燃機車，并向許多國家出售。近幾年來，我國通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新，開始批量生產(chǎn)交流傳動電力機車和內(nèi)燃機車。

5.2.2 采用新型電力電子技術(shù)和車載微機控制技術(shù)

機車電傳動系統(tǒng)是由各種復(fù)雜的牽引設(shè)備、輔助設(shè)備、連接線路及其控制裝置構(gòu)成的，它的性能先進(jìn)與否決定了機車的牽引運行性能。應(yīng)用新型的電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)可以優(yōu)化電傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確、迅速、可靠地實現(xiàn)機車牽引運行的控制調(diào)節(jié)，滿足機車調(diào)速和制動的要求。隨著機車控制功能的復(fù)雜化和多樣化，單臺微機已難以完成任務(wù)，而是需要多臺微機并行工作，一般通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)分布式的多級控制。微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能綜合各種信號進(jìn)行機車牽引與制動的控制，實現(xiàn)各種自動保護(hù)，如機車防空轉(zhuǎn)、防滑行保護(hù)，接地保護(hù)，過流過壓保護(hù)等。此外微機系統(tǒng)還可以實施故障監(jiān)測、診斷、處理、顯示和記錄等功能，以便迅速發(fā)現(xiàn)故障和查找故障點。

5.2.3 建立機車技術(shù)開發(fā)平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化

國外幾大機車制造商面向市場都利用各自的技術(shù)平臺開發(fā)多品種、多系列的機車。在各種不同功率乃至不同類型的機車上盡量采用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，硬件、軟件及控制系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，以便優(yōu)化制造過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，而且還可大大簡化運用部門和檢修部門的工作，降低運用和維修費用，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟效果。

6 總結(jié)與展望

鐵道運輸及城市軌道運輸作為我國國內(nèi)重要的陸用運輸方式，其在國民經(jīng)濟建設(shè)及工業(yè)技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域扮演著重要角色。電傳動作為機車及其他軌道車輛的重要動力傳動方式，在其技術(shù)優(yōu)化過程中同樣起著舉足輕重的作用。由此，針對電傳動而開展的相關(guān)技術(shù)研究及工程試驗同樣必不可少，其將有力推動我國未來機車車輛技術(shù)的發(fā)展。