电力牵引传动与控制技术的现状与发展

摘 要

电力电子与电力传动技术在发展过程中伴随着传输功率的交流传动，本文回顾了电力牵引传动控制技术历史并揭示了这些技术的密切关系，重点在于研究我国目前的电力牵引发展情况和前景，旨在于让同行们加强交流，让电力牵引传动技术更好的服务于车辆装备和铁路机车制造业。

【关键词】电力牵引 交流传动 控制 电力 电子器件

在很早的时候，电气传动技术系统刚刚引入牵引机车的技术领域，第一台电力驱动的机车于1879年问世，两年后也就是1881年成功实现了城市电动机车的大规模铺开，西门子公司于1891发明了三相交流电源直接测试的电动机车，该机车使用的是线式转子异步牵引电动机，直到今天，单相交流供电的电力牵引与控制技术仍然在飞速的发展中，测试车辆的规模也日益变大。交流变换技术系统规模过于庞大，能量转换效率低，电能转换机械能过程中的影响因素非常多，这样的电力牵引力不适用我国现有的铁路运输系统。

1955年，整流器的发明标志是机车电力牵引传动技术开始进入实践动态。1957年可控硅整流器（即普通晶闸管）的发明，标志着电力牵引时代的出现，大功率电子硅整流技术广泛应用于机械传动系统，这个技术使机车传动和电力传动系统从内燃机-直流或直流电动机向交流电动机转变。1965年，晶闸管的机车牵引动力系统出现了，各国的铁路运输系统广泛采用晶闸管电力传动系统。大功率可关断晶闸管（GTO）的出现和发展推动了微机控制技术，在20世纪70年代，交流-直流-交流的传动系统取代了交流-直流的传输模式，至今仍在不断的进行迭代更新。

1 科学技术的发展，交流电动机作为牵引电机具有独特的优势

（1）交流电机体积小，重量轻，功率大，小体积解决了安装时占用空间过大的问题，电动机的重量轻，减少地面设备的体积，有利于提高机车轮轨力，以满足大功率、高转速的高速动态要求。

（2）交流电机的速度和保持恒功率范围比较大，有利于实现通用式的机车以满足运输乘客和货物的需求。

（3）交流电动机没有换向器、电刷磨损和清除器等易损设备，提高了整个电力牵引传动系统的可靠性，降低制造成本和维护成本。

（4）交流感应电动机具有牵引性能优良的自然特征，有助于提高在复杂地形的利用率，更好地发挥电力牵引力的控制作用。

虽然交流电动机，特别是异步电动机具有特殊的优点，但在上世纪70年代之前，通过简单的控制的直流电机得到了广泛的使用，电力电子开关与晶闸管整流装置工艺的改进致使直流传动系统更加普及。随着快速晶闸管基础的牵引电机出现，以快速晶闸管变流器为单元的内燃机滑动车组DE-2500内燃机车问世了，交流传动控制技术领域开启机车车辆设备的新纪元。

2 交流传输线控制优势

1983年，5台大功率BR120交流传输线控制的电力机车诞生于德国联邦铁路，BR120机车的总体布置、系统设计和参数选择更加优化，电路结构和材料的主要成分都有所更新，如卧式水平主变压器、牵引变流器、牵引电机空心轴和万向节等，在外观设计和辅助变流器上都成功地进行了尝试，建立了机车电力牵引设计和运行的基本模式，交流传动不仅优于直流电机，采用新技术后带来了更多的优势：

（1）机车广泛使用四象限脉冲变流器，大大降低电流谐波分量的电源网络，提高供电质量，提升通信信号的抗干扰能力。

（2）交流传动可以实现电网功率的高效能量转换，降低电网能量损耗，多方向的反馈结果是网络质量好，节能效果也很优异。

（3）前后机车牵引制动操作无需转换，开关位置的变化可以通过主电路控制，整个系统简单可靠。

发达国家已经进入大规模的轨道交通系统，交流传动的研究和开发，以及评估技术更新都完成的比较彻底，交流传动车辆取代了直流驱动产业，形成了自己的新干线，已经成为铁路运输的现代化符号，铁路管理实现高速发展。在发展的过程中，发展电力电子器件的基本技术就是交流传动技术。第一代机车采用快速晶闸管变流器单元结构复杂，效率较低，可靠性和可维护性都不突出。GTO在80年代问世，之后大功率交流传动系统迅速应用于机车组，并且伴随着性能的改进。在上世纪90年代，IGBT高压装置提高了电源转换器和更新的效果。同时，控制发展进步的基础还是对交流传动的控制技术，目前有可控硅移相开关控制，脉冲PWM控制和四象限整流控制，还有磁场定向控制和直接转矩控制等。

微电子技术、信息技术和通信传输技术的进步也使控制装置从模拟数字电路转向复杂控制，并逐步使其操作简单化，现代网络控制的模块也在单片机和微处理器质量提升的推动下不断提高，发展为8位，32位和64位的浮点运算程序，每一点科技的进步都会大大提高电力牵引传动控制技术的处理能力。这个庞大系统得益于电力电子技术的发展水平，牵引力的交流传动系统依赖于技术的革新。

3 我国机车电力牵引系统的发展与现状

1958年年底，我国生产的电力机车主表，即机车电力机车是前苏联的直流型电力机车为模型，根据中国铁路的规范研制而成，当时大功率电子器件还不成熟，整流器件是电力机车运行试验后通过环形铁路客车车辆。1962年，前后共5个单元投入到宝凤线试运行，由于主要设备（调压开关、牵引电机等）技术和质量问题仍然存在，特别是引燃管整流难以达到实际使用的要求，因此电力机车不能大规模生产。随后中国的发展工业、电力电子整流二极管的高功率开始进入实用阶段，机车电力牵引技术在该技术的基础上形成了新型电力机车，交流-直流电力机车大规模使用，从1969年开始直到1988年停产，共计826台，我国机车交流-直流电传技术在这个周期内广泛应用。

可控硅式装置使机车电力牵引传动技术上了一个新台阶，通过二极管整流级压力控制形成了最新型的电力牵引传动技术，在SS3型电力电路中使用调压变压器，在低压侧之间的牵引开关和相控晶闸管调压相结合的平滑调速技术，使机车获得更好的调速性能。无级调压和交流-直流传动轴重载货运电力机车构成一个相控晶闸管的一系列产品，该型机车由2部分相同的4轴电力机车重新连接每个部分，使机车的性能和质量大大提高，成为我们的主要干线运输机车。

我国机车电传动技术已走过50余年的发展里程，取得了巨大进步，铁路运输从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段，但这项技术的创新和开拓是永无止境的，它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上，为我国的社会主义现代化建设做出贡献，进而走向世界，在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进企业同台竞争。

参考文献

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[4]张莹，杨利军.交流传动电力机车发展的重要因素——新型电力电子器件[J].电气开关，2015（04）.

作者简介

王森（1983-），男。现为哈尔滨铁路局供电处工程师。主要研究方向为牵引供电。

作者单位

哈尔滨铁路局供电处 黑龙江省哈尔滨市 150006

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