轨道车辆牵引传动技术的发展

【摘要】牵引传动技术是轨道车辆的核心技术之一，牵引传送技术的发展推动了机车车辆技术的进步，是衡量一个国家轨道车辆技术水平的重要标志。本文对轨道车辆的牵引传动系统进行了简单介绍，从电力电子器件的角度论述了轨道车辆牵引传动系统的发展概况。

【关键词】电力机车；牵引传动系统；发展

随着社会的进步和经济水平的提高，对轨道车辆的运输能力提出了更高的要求。轨道车辆的牵引传动技术是轨道车辆的核心技术之一，是保证与提升轨道车辆的技术性能的重要基础。牵引传动技术的发展，推进了轨道车辆的技术总体进步。拥有先进、可靠的牵引传动技术已经成为衡量一个国家的轨道车辆技术水平的重要标志之一。

一、轨道车辆牵引传动系统的简介

轨道车辆的牵引传动系统的基本任务是通过电能和机械能的相互转换，对转动装置进行调速或位置控制。牵引传动技术的发展目的在于改善轨道车辆的牵引和制动性能，提高整个车辆系统工作可靠性和能源使用效率，降低能耗，尽量避免对电网的污染，有效的降低运行成本，满足运营需求。

根据采用的驱动电机，牵引传动系统可分为采用直流牵引电动机的直流传动和采用交流牵引电动机的交流传送。直流牵引电动机的转速易于控制，调节过程平缓，在变速传动领域得到了较为广泛的应用。但是，机械换向器和电刷等的存在，结构比较复杂，极大程度地限制了直流电动机调速控制技术的发展，实现高性能、宽范围的调速控制的难度很高。电力电子器件、微电子处理器以及相关控制理论的发展，脉冲宽度调制技术（PWM）、矢量控制技术、直接转矩控制技术等一系列关键技术突破，促进了交流电动机在轨道车辆上的得到了推广应用。与传统的交-直流传动相比，交流传动技术具有以下优势：

（1）交流传动轨道列车的牵引功率比较高，目前轮周功率最大可达1600kw～1800kW，制动功率可以达到额定牵引功率的水平，粘着系数为0.35～0.45，恒功率范围宽，能够很好的适应于高速、重载等困难牵引要求。

（2）四象限脉冲整流技术的采用，大大提高了电网侧的的功率因数，有效的减少接触网电流，提高资源利用效能，实现轨道车辆系统的绿色低碳化。

（3）交流传动轨道车辆无换向器，结构简单，重量轻，维修保养也比较方便，维护维修费用不到相控轨道车辆的一半，运用成本也降低了30%。

（4）交流传动系统减少谐波含量，等效干扰电流Jp值仅为2A，很大程度的减少了对通信信号的电磁干扰。

二、轨道车辆牵引传动系统的发展

牵引传动技术的发展与电力电子器件的进步密切相关。每当新一代电力电子器件的诞生，牵引传动技术往往都会掀起一场革命浪潮。

自从20世纪60年代器，电子开关器件得到了迅速的发展，由晶体管（SCR）、电力晶体管（GRT）、晶闸管（GTO）、集成门极换流晶闸管（IGCT）到绝缘栅双极晶体管（IGBT）。提高了电子开关的工作电压、电流以及关断频率，降低了功耗，促进了牵引传动系统的发展。

在70年代末期之前，牵引传动系统主要采用快速晶闸管。但是晶闸管存在着明显的缺点，主要体现在：（1）关断增益比较大，普遍在3～5之间，门极关断电流大，门极驱动电路复杂，驱动功率也比较高。（2）需要非常繁杂的开关吸收电路。（3）开关频率比较低，只有200Hz～300Hz。这就导致了变流机组的结构复杂，效率低下，可靠性较差，维修难度也比较高。

由于晶闸管的以上缺点，可以通过两种创新途径进行改良。第一种是结构改进和工艺创新，制做出了集成门极换流晶闸管。集成门极换流晶闸管的性价比很高，可靠性也比较好，采用了强驱动的门极控制技术，显著的提高了晶闸管的性能，也取消了开关吸收电路，简化了结构；加入了缓冲层，把原先的阳极短路结构变为比较薄的透明发射极，减少了硅片厚度，也减少了通态、动态功耗和开关损耗。第二种是混合集成技术，可以把多种不同的器件相结合，相互弥补，获得具有优异综合性能的新器件。绝缘栅双极晶体管是将场效应管和双极型三极管混合集成，进而获得高达几十千赫兹的开关频率，避免了二次击穿问题，也不需要吸收电流，具有电流饱和性等优点。

随着各种高性能电力电子器件的诞生，上世纪80年代中后期，集成门极换流晶闸管应用于大功率交流传动轨道列车，使得车辆的综合性能得到了很大程度的提高。进入上世纪90年代，中高压绝缘栅双极晶体管的问世，使得变流传动机组又得到了更新换代。自2002年起，绝缘栅双极晶体管应用在轻型以及重型城市郊区轨道车辆的牵引传动系统中，之后又在大功率电力机车得到了广泛应用。各种大功率电力电子器件及先进的控制技术出现，确立了现代交流传动技术的优势，使轨道车辆电传动技术发生了根本变革，由直流传动向交流传动转变。

三、结束语

轨道车辆以其客流量大、节能、绿色环保等特点，是各大中型城市的交通问题有效解决措施。随着我国经济水平的增长和城市化进程的日益加快，轨道车辆的技术研究与应用前景日益广阔。为了满足市场的需求，跟上世界牵引传动技术的发展趋势，需要我们结合现状，并进行进一步研究开发，辐射到电气自动化、节能环保等领域，研发出具有自主知识产权的国产高性能牵引传动系统。

参考文献

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