動車組交流傳動技術及其應用探討

申志鋒

摘 要：鐵路系統(tǒng)的高速發(fā)展是鐵路電氣化的結果，列車的運行依賴于電力機車的牽引。隨著時代的變化，人們早已不滿足于鐵路牽引系統(tǒng)的基本功能，即能夠帶動列車的運轉。人們將關注的矛頭轉向了電機牽引功能的好壞，列車運行的成本和受到電磁影響的強弱等新課題。交流傳動系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)的應用是文章主要研究的課題。

關鍵詞：動車組；電機牽引；交流傳動；技術應用

上世紀90年代初，交流電動機牽引開始逐漸代替動力牽引和直流電牽引模式應用于高速鐵路的驅動系統(tǒng)當中。交流電動機可分為同步電動機和異步電動機。同步電動機最早應用于法國，其特點是機器運轉穩(wěn)定性較高，但是其必須在定子和轉子的同步轉速下才能實現(xiàn)轉矩，這就使它的適用性大大降低。在此基礎上異步電動機應運而生。異步電動機的結構簡單，轉矩條件也相對較低，并且運行效能較高，彌補了同步電動機的不足。此外異步電動機還可以根據運行環(huán)境的不同衍生出所需產品，實用性極高。時至今日，異步電動機仍為電動機產品的首選。

1 動車組交流傳動系統(tǒng)的構成

在全世界范圍內，各國高鐵及動車組的牽引控制系統(tǒng)都采用交流方式進行動力的傳送。其構造部件如下：

1.1 交流牽引電機

鐵路列車和動車組系統(tǒng)中多使用三相交流電機。三相交流電機是異步交流電機的一種，它的構造最為簡單，轉速極高，黏著性好，牽引力強，具有較好的制動性，是同步直流電機所不可比擬的。目前各個國家還在進一步提高交流電動機的性能和技術研發(fā)水準，我國也在不斷加大研發(fā)力度，以求開創(chuàng)交流電機在我國應用的新局面。

1.2 變流裝置

在工業(yè)領域，三相交流電機的應用十分廣泛，高鐵和動車組上就是用三相交流電機作為機車的牽引裝置。為了配合三相交流電機的使用，最大程度的發(fā)揮牽引效能，就需要配備專門的交流裝置。這種裝置結構較為繁復，所需功率極大，是專門應用于鐵路運輸系統(tǒng)的，它的作用就是將原有的單向交流電轉化為系統(tǒng)需要的三相交流電。其特點具體歸納如下：（1）與直流電相比，交流電動勢圖呈正弦波的趨勢，可有效減輕在變矩過程中電流諧波對轉矩的干擾。（2）承載力和適應性強?？梢詰獙Χ喾N突發(fā)狀況，如電壓不穩(wěn)，車輪側滑等，保持電機牽引的穩(wěn)定和可靠性，進而實現(xiàn)動車車體運行狀態(tài)在可控范圍。（3）操控特點不同于直流裝置，牽引效能的好壞受制于多種因素，如轉矩需要達到一定標準才可啟動等等。（4）變頻幅度大，可根據實際情況不同進行頻率的隨時調整，最低點為0.4Hz，最高可達200Hz。在此過程中，變化的穩(wěn)定性高，不會產生較大的起伏。（5）動車供電系統(tǒng)在供電時，輸出功率要盡可能平穩(wěn)，不要產生太大波動，功率參數(shù)保持在1左右最好，以最大限度緩解對整個控制系統(tǒng)的負面影響。（6）變流裝置的牽引效能較直流裝置好，對材料的浪費率低，穩(wěn)定性高。（7）系統(tǒng)在檢測，調試，安裝和故障修理時更容易。（8）交流設備體積小巧，抗震性強，適用于動車組的運行環(huán)境。9）可進行能量和動力的雙向轉換。

2 交流傳動技術在動車運行過程中的控制策略

2.1 交流傳動控制策略

交流機車一般可分為兩類，其中單項工頻機車的控制系統(tǒng)多采用交-直-交的方式進行電流的傳輸和控制。這種方式又包含兩種控制方法：網側變流器控制和電機側逆變器控制。

（1） 網側變流器控制。網側變流器是動車組電機傳動系統(tǒng)的主要部件，它的工作原理為通過調節(jié)變流器的輸出電壓來實現(xiàn)對電流大小的控制，是將交流電轉化為直流電的設備。相對其他變流器，其優(yōu)點是在列車運行時可以有效減少電諧波對周邊所帶來的影響。另外，由于動車組的順利運行需要穩(wěn)定的電壓作為前提保障，網側變流控制器可以變交流電為直流電的特性正符合了動車運行時對電壓的要求。所以電機網側變流器適用于以單項交流電位主控制系統(tǒng)的動車組，要根據需要合理配備網側變流器。（2）電機逆變器控制。電機側逆變器是將直流電轉化為交流電的電機設備，與變流器對電流的控制方向正好相反，分為正弦波逆變器和方波逆變器。動車電機牽引設備中包含有異步牽引電機，其要和配套的電機逆變器結合使用。動車的牽引控制具有特殊性，牽引系統(tǒng)是通過三相交流電的傳動得以實現(xiàn)的。

2.2 交流異步電機控制技術

異步電動機較傳統(tǒng)的交流電動機而言更具有動態(tài)性，它可以將交流電傳動系統(tǒng)轉化為直流電傳動系統(tǒng)，易于操控，擴大交流電系統(tǒng)的使用范圍。異步電動機可通過調整電壓和電頻生成動車組系統(tǒng)中的三相交流電。它通過調控定子電流和定子電壓使之發(fā)生變化，進而改變轉子磁鏈和電磁轉矩?，F(xiàn)階段異步電機有如下幾種操控手段：（1）矢量控制方法，是將定子電流分解達到矢量變換的目的。（2）自適應控制方法，能夠克服參數(shù)的變化自動適應電流的轉變。（3）直接轉矩控制方法。

3 交流電動機的運行原理及實際運用

交流電動機對于日常生活的意義十分重大，它覆蓋了工農業(yè)機械設備，科技國防等各個領域，尤其在與人們生活息息相關的家用電器領域，其應用更為廣泛。交流電動機包括同步電動機和異步電動機兩大類。同步電動機的調速靠改變供電電壓的頻率來改變同步轉速。由于中間環(huán)節(jié)是直流電壓，在電壓型逆變器中電力半導體器件始終保持正向偏置，由于采用了晶閘管器件，就必須進行某種形式的強迫換流。根據換流方式的不同，電壓型逆變器的種類很多，其中帶有輔助晶閘管單獨關斷的并聯(lián)逆變電路，即著名的麥克墨萊電路在機車傳動中有一定的代表意義。麥氏電路是借助輔助晶閘管接通L、C振蕩換流電路，使導通的晶閘管中的負載電流降到零并承受一定時間的反向電壓的一種強迫換流電路。交流調速系統(tǒng)主要是針對異步電動機而言，它是交流傳動與控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。對于鐵路牽引，要求傳動系統(tǒng)按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率） 運行，同時又不斷地迅速地加速或減速。

動車機車牽引系統(tǒng)多為閉環(huán)的傳動方式，這樣可以更好的保持動車在運行過程中牽引系統(tǒng)控制的有效性和平穩(wěn)性。傳動裝置通過變矩器進行變速變矩，達到機車動力的傳動效果。一般情況下，傳動過程中可以采用以下方法進行變矩：第一種方法是直接控制轉矩。通過比對實測的轉矩與原有的轉矩之間的信號差異，進而導入新的轉矩信號，實現(xiàn)轉矩的目的。還有一種方法是參考其他的系統(tǒng)信號值，將這些相關值進行檢測對比，生成轉矩信號，間接實現(xiàn)系統(tǒng)的轉矩。這兩種轉矩方式的應用范圍都較為廣泛，適用于各種類型的列車。尤其是直接轉矩的方式更加受到人們的稱贊。科技的進步使得近年來交-直-交變頻調速系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)新的調速方式，如電壓、頻率協(xié)調控制的變頻調速系統(tǒng)，轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)，諧振型變頻調速系統(tǒng)，矢量控制的變頻調速系統(tǒng)和直接轉矩控制的變頻調速系統(tǒng)等。

4 結束語

上文系統(tǒng)闡述了動車組動力傳動技術和傳動系統(tǒng)的運行原理。迄今為止，越來越多的國家在發(fā)展高鐵項目時都采用交流傳動技術，該項技術能夠更快的實現(xiàn)電流的變矩，牽引功率高，有利于提高電機的牽引效能，實現(xiàn)運輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展。

參考文獻

[1]李芾，安琪，王華.高速動車組概論[M].西南交大出版社，2008.

[2]鐵路職工崗位培訓教材編審委員會.CRH1型動車組機械師[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]李曉村.機車新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009.