軌道車輛牽引傳動技術(shù)的發(fā)展

【摘要】牽引傳動技術(shù)是軌道車輛的核心技術(shù)之一，牽引傳送技術(shù)的發(fā)展推動了機(jī)車車輛技術(shù)的進(jìn)步，是衡量一個國家軌道車輛技術(shù)水平的重要標(biāo)志。本文對軌道車輛的牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，從電力電子器件的角度論述了軌道車輛牽引傳動系統(tǒng)的發(fā)展概況。

【關(guān)鍵詞】電力機(jī)車；牽引傳動系統(tǒng)；發(fā)展

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的提高，對軌道車輛的運(yùn)輸能力提出了更高的要求。軌道車輛的牽引傳動技術(shù)是軌道車輛的核心技術(shù)之一，是保證與提升軌道車輛的技術(shù)性能的重要基礎(chǔ)。牽引傳動技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了軌道車輛的技術(shù)總體進(jìn)步。擁有先進(jìn)、可靠的牽引傳動技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家的軌道車輛技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

一、軌道車輛牽引傳動系統(tǒng)的簡介

軌道車輛的牽引傳動系統(tǒng)的基本任務(wù)是通過電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)動裝置進(jìn)行調(diào)速或位置控制。牽引傳動技術(shù)的發(fā)展目的在于改善軌道車輛的牽引和制動性能，提高整個車輛系統(tǒng)工作可靠性和能源使用效率，降低能耗，盡量避免對電網(wǎng)的污染，有效的降低運(yùn)行成本，滿足運(yùn)營需求。

根據(jù)采用的驅(qū)動電機(jī)，牽引傳動系統(tǒng)可分為采用直流牽引電動機(jī)的直流傳動和采用交流牽引電動機(jī)的交流傳送。直流牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速易于控制，調(diào)節(jié)過程平緩，在變速傳動領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是，機(jī)械換向器和電刷等的存在，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，極大程度地限制了直流電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能、寬范圍的調(diào)速控制的難度很高。電力電子器件、微電子處理器以及相關(guān)控制理論的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）、矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，促進(jìn)了交流電動機(jī)在軌道車輛上的得到了推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)的交-直流傳動相比，交流傳動技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）交流傳動軌道列車的牽引功率比較高，目前輪周功率最大可達(dá)1600kw～1800kW，制動功率可以達(dá)到額定牽引功率的水平，粘著系數(shù)為0.35～0.45，恒功率范圍寬，能夠很好的適應(yīng)于高速、重載等困難牽引要求。

（2）四象限脈沖整流技術(shù)的采用，大大提高了電網(wǎng)側(cè)的的功率因數(shù)，有效的減少接觸網(wǎng)電流，提高資源利用效能，實(shí)現(xiàn)軌道車輛系統(tǒng)的綠色低碳化。

（3）交流傳動軌道車輛無換向器，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，維修保養(yǎng)也比較方便，維護(hù)維修費(fèi)用不到相控軌道車輛的一半，運(yùn)用成本也降低了30%。

（4）交流傳動系統(tǒng)減少諧波含量，等效干擾電流Jp值僅為2A，很大程度的減少了對通信信號的電磁干擾。

二、軌道車輛牽引傳動系統(tǒng)的發(fā)展

牽引傳動技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件的進(jìn)步密切相關(guān)。每當(dāng)新一代電力電子器件的誕生，牽引傳動技術(shù)往往都會掀起一場革命浪潮。

自從20世紀(jì)60年代器，電子開關(guān)器件得到了迅速的發(fā)展，由晶體管（SCR）、電力晶體管（GRT）、晶閘管（GTO）、集成門極換流晶閘管（IGCT）到絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。提高了電子開關(guān)的工作電壓、電流以及關(guān)斷頻率，降低了功耗，促進(jìn)了牽引傳動系統(tǒng)的發(fā)展。

在70年代末期之前，牽引傳動系統(tǒng)主要采用快速晶閘管。但是晶閘管存在著明顯的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：（1）關(guān)斷增益比較大，普遍在3～5之間，門極關(guān)斷電流大，門極驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動功率也比較高。（2）需要非常繁雜的開關(guān)吸收電路。（3）開關(guān)頻率比較低，只有200Hz～300Hz。這就導(dǎo)致了變流機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低下，可靠性較差，維修難度也比較高。

由于晶閘管的以上缺點(diǎn)，可以通過兩種創(chuàng)新途徑進(jìn)行改良。第一種是結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，制做出了集成門極換流晶閘管。集成門極換流晶閘管的性價(jià)比很高，可靠性也比較好，采用了強(qiáng)驅(qū)動的門極控制技術(shù)，顯著的提高了晶閘管的性能，也取消了開關(guān)吸收電路，簡化了結(jié)構(gòu)；加入了緩沖層，把原先的陽極短路結(jié)構(gòu)變?yōu)楸容^薄的透明發(fā)射極，減少了硅片厚度，也減少了通態(tài)、動態(tài)功耗和開關(guān)損耗。第二種是混合集成技術(shù)，可以把多種不同的器件相結(jié)合，相互彌補(bǔ)，獲得具有優(yōu)異綜合性能的新器件。絕緣柵雙極晶體管是將場效應(yīng)管和雙極型三極管混合集成，進(jìn)而獲得高達(dá)幾十千赫茲的開關(guān)頻率，避免了二次擊穿問題，也不需要吸收電流，具有電流飽和性等優(yōu)點(diǎn)。

隨著各種高性能電力電子器件的誕生，上世紀(jì)80年代中后期，集成門極換流晶閘管應(yīng)用于大功率交流傳動軌道列車，使得車輛的綜合性能得到了很大程度的提高。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，中高壓絕緣柵雙極晶體管的問世，使得變流傳動機(jī)組又得到了更新?lián)Q代。自2002年起，絕緣柵雙極晶體管應(yīng)用在輕型以及重型城市郊區(qū)軌道車輛的牽引傳動系統(tǒng)中，之后又在大功率電力機(jī)車得到了廣泛應(yīng)用。各種大功率電力電子器件及先進(jìn)的控制技術(shù)出現(xiàn)，確立了現(xiàn)代交流傳動技術(shù)的優(yōu)勢，使軌道車輛電傳動技術(shù)發(fā)生了根本變革，由直流傳動向交流傳動轉(zhuǎn)變。

三、結(jié)束語

軌道車輛以其客流量大、節(jié)能、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，是各大中型城市的交通問題有效解決措施。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的增長和城市化進(jìn)程的日益加快，軌道車輛的技術(shù)研究與應(yīng)用前景日益廣闊。為了滿足市場的需求，跟上世界牽引傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢，需要我們結(jié)合現(xiàn)狀，并進(jìn)行進(jìn)一步研究開發(fā)，輻射到電氣自動化、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高性能牽引傳動系統(tǒng)。

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