電力牽引傳動與控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

摘 要

電力電子與電力傳動技術(shù)在發(fā)展過程中伴隨著傳輸功率的交流傳動，本文回顧了電力牽引傳動控制技術(shù)歷史并揭示了這些技術(shù)的密切關(guān)系，重點(diǎn)在于研究我國目前的電力牽引發(fā)展情況和前景，旨在于讓同行們加強(qiáng)交流，讓電力牽引傳動技術(shù)更好的服務(wù)于車輛裝備和鐵路機(jī)車制造業(yè)。

【關(guān)鍵詞】電力牽引 交流傳動 控制 電力 電子器件

在很早的時(shí)候，電氣傳動技術(shù)系統(tǒng)剛剛引入牽引機(jī)車的技術(shù)領(lǐng)域，第一臺電力驅(qū)動的機(jī)車于1879年問世，兩年后也就是1881年成功實(shí)現(xiàn)了城市電動機(jī)車的大規(guī)模鋪開，西門子公司于1891發(fā)明了三相交流電源直接測試的電動機(jī)車，該機(jī)車使用的是線式轉(zhuǎn)子異步牽引電動機(jī)，直到今天，單相交流供電的電力牽引與控制技術(shù)仍然在飛速的發(fā)展中，測試車輛的規(guī)模也日益變大。交流變換技術(shù)系統(tǒng)規(guī)模過于龐大，能量轉(zhuǎn)換效率低，電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能過程中的影響因素非常多，這樣的電力牽引力不適用我國現(xiàn)有的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。

1955年，整流器的發(fā)明標(biāo)志是機(jī)車電力牽引傳動技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)踐動態(tài)。1957年可控硅整流器（即普通晶閘管）的發(fā)明，標(biāo)志著電力牽引時(shí)代的出現(xiàn)，大功率電子硅整流技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動系統(tǒng)，這個技術(shù)使機(jī)車傳動和電力傳動系統(tǒng)從內(nèi)燃機(jī)-直流或直流電動機(jī)向交流電動機(jī)轉(zhuǎn)變。1965年，晶閘管的機(jī)車牽引動力系統(tǒng)出現(xiàn)了，各國的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)廣泛采用晶閘管電力傳動系統(tǒng)。大功率可關(guān)斷晶閘管（GTO）的出現(xiàn)和發(fā)展推動了微機(jī)控制技術(shù)，在20世紀(jì)70年代，交流-直流-交流的傳動系統(tǒng)取代了交流-直流的傳輸模式，至今仍在不斷的進(jìn)行迭代更新。

1 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電動機(jī)作為牽引電機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢

（1）交流電機(jī)體積小，重量輕，功率大，小體積解決了安裝時(shí)占用空間過大的問題，電動機(jī)的重量輕，減少地面設(shè)備的體積，有利于提高機(jī)車輪軌力，以滿足大功率、高轉(zhuǎn)速的高速動態(tài)要求。

（2）交流電機(jī)的速度和保持恒功率范圍比較大，有利于實(shí)現(xiàn)通用式的機(jī)車以滿足運(yùn)輸乘客和貨物的需求。

（3）交流電動機(jī)沒有換向器、電刷磨損和清除器等易損設(shè)備，提高了整個電力牽引傳動系統(tǒng)的可靠性，降低制造成本和維護(hù)成本。

（4）交流感應(yīng)電動機(jī)具有牽引性能優(yōu)良的自然特征，有助于提高在復(fù)雜地形的利用率，更好地發(fā)揮電力牽引力的控制作用。

雖然交流電動機(jī)，特別是異步電動機(jī)具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，但在上世紀(jì)70年代之前，通過簡單的控制的直流電機(jī)得到了廣泛的使用，電力電子開關(guān)與晶閘管整流裝置工藝的改進(jìn)致使直流傳動系統(tǒng)更加普及。隨著快速晶閘管基礎(chǔ)的牽引電機(jī)出現(xiàn)，以快速晶閘管變流器為單元的內(nèi)燃機(jī)滑動車組DE-2500內(nèi)燃機(jī)車問世了，交流傳動控制技術(shù)領(lǐng)域開啟機(jī)車車輛設(shè)備的新紀(jì)元。

2 交流傳輸線控制優(yōu)勢

1983年，5臺大功率BR120交流傳輸線控制的電力機(jī)車誕生于德國聯(lián)邦鐵路，BR120機(jī)車的總體布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇更加優(yōu)化，電路結(jié)構(gòu)和材料的主要成分都有所更新，如臥式水平主變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)空心軸和萬向節(jié)等，在外觀設(shè)計(jì)和輔助變流器上都成功地進(jìn)行了嘗試，建立了機(jī)車電力牽引設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基本模式，交流傳動不僅優(yōu)于直流電機(jī)，采用新技術(shù)后帶來了更多的優(yōu)勢：

（1）機(jī)車廣泛使用四象限脈沖變流器，大大降低電流諧波分量的電源網(wǎng)絡(luò)，提高供電質(zhì)量，提升通信信號的抗干擾能力。

（2）交流傳動可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率的高效能量轉(zhuǎn)換，降低電網(wǎng)能量損耗，多方向的反饋結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好，節(jié)能效果也很優(yōu)異。

（3）前后機(jī)車牽引制動操作無需轉(zhuǎn)換，開關(guān)位置的變化可以通過主電路控制，整個系統(tǒng)簡單可靠。

發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模的軌道交通系統(tǒng)，交流傳動的研究和開發(fā)，以及評估技術(shù)更新都完成的比較徹底，交流傳動車輛取代了直流驅(qū)動產(chǎn)業(yè)，形成了自己的新干線，已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化符號，鐵路管理實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展。在發(fā)展的過程中，發(fā)展電力電子器件的基本技術(shù)就是交流傳動技術(shù)。第一代機(jī)車采用快速晶閘管變流器單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率較低，可靠性和可維護(hù)性都不突出。GTO在80年代問世，之后大功率交流傳動系統(tǒng)迅速應(yīng)用于機(jī)車組，并且伴隨著性能的改進(jìn)。在上世紀(jì)90年代，IGBT高壓裝置提高了電源轉(zhuǎn)換器和更新的效果。同時(shí)，控制發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)還是對交流傳動的控制技術(shù)，目前有可控硅移相開關(guān)控制，脈沖PWM控制和四象限整流控制，還有磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。

微電子技術(shù)、信息技術(shù)和通信傳輸技術(shù)的進(jìn)步也使控制裝置從模擬數(shù)字電路轉(zhuǎn)向復(fù)雜控制，并逐步使其操作簡單化，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制的模塊也在單片機(jī)和微處理器質(zhì)量提升的推動下不斷提高，發(fā)展為8位，32位和64位的浮點(diǎn)運(yùn)算程序，每一點(diǎn)科技的進(jìn)步都會大大提高電力牽引傳動控制技術(shù)的處理能力。這個龐大系統(tǒng)得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展水平，牽引力的交流傳動系統(tǒng)依賴于技術(shù)的革新。

3 我國機(jī)車電力牽引系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1958年年底，我國生產(chǎn)的電力機(jī)車主表，即機(jī)車電力機(jī)車是前蘇聯(lián)的直流型電力機(jī)車為模型，根據(jù)中國鐵路的規(guī)范研制而成，當(dāng)時(shí)大功率電子器件還不成熟，整流器件是電力機(jī)車運(yùn)行試驗(yàn)后通過環(huán)形鐵路客車車輛。1962年，前后共5個單元投入到寶鳳線試運(yùn)行，由于主要設(shè)備（調(diào)壓開關(guān)、牽引電機(jī)等）技術(shù)和質(zhì)量問題仍然存在，特別是引燃管整流難以達(dá)到實(shí)際使用的要求，因此電力機(jī)車不能大規(guī)模生產(chǎn)。隨后中國的發(fā)展工業(yè)、電力電子整流二極管的高功率開始進(jìn)入實(shí)用階段，機(jī)車電力牽引技術(shù)在該技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了新型電力機(jī)車，交流-直流電力機(jī)車大規(guī)模使用，從1969年開始直到1988年停產(chǎn)，共計(jì)826臺，我國機(jī)車交流-直流電傳技術(shù)在這個周期內(nèi)廣泛應(yīng)用。

可控硅式裝置使機(jī)車電力牽引傳動技術(shù)上了一個新臺階，通過二極管整流級壓力控制形成了最新型的電力牽引傳動技術(shù)，在SS3型電力電路中使用調(diào)壓變壓器，在低壓側(cè)之間的牽引開關(guān)和相控晶閘管調(diào)壓相結(jié)合的平滑調(diào)速技術(shù)，使機(jī)車獲得更好的調(diào)速性能。無級調(diào)壓和交流-直流傳動軸重載貨運(yùn)電力機(jī)車構(gòu)成一個相控晶閘管的一系列產(chǎn)品，該型機(jī)車由2部分相同的4軸電力機(jī)車重新連接每個部分，使機(jī)車的性能和質(zhì)量大大提高，成為我們的主要干線運(yùn)輸機(jī)車。

我國機(jī)車電傳動技術(shù)已走過50余年的發(fā)展里程，取得了巨大進(jìn)步，鐵路運(yùn)輸從速度和功率已被用到技術(shù)極限的交-直傳動邁入速度更快、功率更高的交流傳動的階段，但這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新和開拓是永無止境的，它必將隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷提高到更新的水平上，為我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻(xiàn)，進(jìn)而走向世界，在高速、重載鐵路牽引設(shè)備領(lǐng)域與世界先進(jìn)企業(yè)同臺競爭。

參考文獻(xiàn)

[1]Ruge W.從GTO變流器到IGBT變流器看傳動技術(shù)的發(fā)展（二）[J].變流技術(shù)與電力牽引，2016（01）.

[2]張波，楊萬坤，李杰波.世界鐵路牽引發(fā)展50年. 鐵道機(jī)車車輛，2015（12）.

[3]張大勇.我國機(jī)車電傳動技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)車電傳動，2011（05）.

[4]張瑩，楊利軍.交流傳動電力機(jī)車發(fā)展的重要因素——新型電力電子器件[J].電氣開關(guān)，2015（04）.

作者簡介

王森（1983-），男?，F(xiàn)為哈爾濱鐵路局供電處工程師。主要研究方向?yàn)闋恳╇姟?/p>

作者單位

哈爾濱鐵路局供電處 黑龍江省哈爾濱市 150006