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摘要：近年來, 為了適應(yīng)“提速、重載”的要求, 功率大、性能技術(shù)先進的新型國產(chǎn)內(nèi)燃、電力機車的投人運用, 成為我國鐵路運輸?shù)闹饕獱恳齽恿?。?995年以來, 我國鐵路機車迅速更新?lián)Q代, 不僅蒸汽機車迅速退出歷史舞臺, 而且國產(chǎn)第一代內(nèi)燃機車和第二代內(nèi)燃機車的早期產(chǎn)品也批量報廢, 國產(chǎn)第一代電力機車早期產(chǎn)品已開始批量報廢, 第二代國產(chǎn)電力機車正通過大修改造為第三代相控電力機車。近年來, 大批量生產(chǎn)的是適應(yīng)“ 提速、重載” 的第三代內(nèi)燃、電力機車, 并在積極研制第四代新型內(nèi)燃、電力機車。本文簡要介紹了機車電力傳動形式的轉(zhuǎn)變歷程，回顧了交流傳動的發(fā)展歷史，揭示出電力電子技術(shù)與電傳動技術(shù)的密切關(guān)系，重點闡述了我國電力牽引技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，并展望了以交流傳動技術(shù)為方向的我國鐵路機車車輛裝備制造業(yè)的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：電力機車傳動，控制技術(shù)，發(fā)展與現(xiàn)狀。 目錄 1.電力傳動形式的轉(zhuǎn)變 3 2.交流傳動技術(shù) 3 2.1 交流傳動技術(shù)的發(fā)展 3 2.2交流傳動技術(shù)的原理簡介 5 3.我國機車電傳動技術(shù)的發(fā)展 6 3.1 第一代電力機車控制技術(shù) 6 3.2 第二代電力機車控制技術(shù) 7 3.3 第三代電力機車控制技術(shù) 8 4.展望 10 參考文獻： 11 1.電力傳動形式的轉(zhuǎn)變 從很早的年代開始,人們就一直努力探索機車牽引動力系統(tǒng)的電傳動技術(shù)。1879年的世界第一臺電力機車和1881年的第一臺城市電車都在嘗試直流供電牽引方式。1891年西門子試驗了三相交流直接供電、繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機牽引的機車, 1917年德國又試制了采用“劈相機”將單相交流供電進行旋轉(zhuǎn)、變換為三相交流電的試驗車。這些技術(shù)探索終因系統(tǒng)龐大、能量轉(zhuǎn)換效率低、電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)換能量小等因素,未能成為牽引動力的適用模式。 1955年,水銀整流器機車問世,標(biāo)志著牽引動力電傳動技術(shù)實用化的開始。1957年,硅可控整流器( 即普通晶閘管) 的發(fā)明, 標(biāo)志著電力牽引跨入了電力電子時代。大功率硅整流技術(shù)的出現(xiàn)，使電傳動內(nèi)燃機車和電力機車的傳動型式從直-直傳動(直流發(fā)電機或直流供電-直流電動機)，很自然地被更優(yōu)越的交-直傳動(交流發(fā)電機或交流供電-硅整流-直流電動機)所取代。1965年,晶閘管整流器機車問世, 使?fàn)恳齽恿﹄妭鲃酉到y(tǒng)發(fā)生了根本性的技術(shù)變革, 全球興起了單相工頻交流電網(wǎng)電氣化的高潮。隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)的出現(xiàn)和微機控制技術(shù)等的發(fā)展，20世紀(jì)70年代以后出現(xiàn)了交-直-交傳動(交流發(fā)電機或交流供電-硅整流-逆變器-交流電動機)，即所謂的交流傳動，又很自然地取代了交-直傳動。 2.交流傳動技術(shù) 2.1 交流傳動技術(shù)的發(fā)展 交流電動機作為牽引電動機使用, 具有獨特的優(yōu)越性： (1)交流電動機體積小、質(zhì)量輕、功率大。體積小, 解決了安裝空間的限制問題；質(zhì)量輕, 減小了機車轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量,改善了輪軌作用力,適應(yīng)了高速的需要；功率大, 解決了高速所必需的動力問題。 (2)交流電動機保持恒定大功率的速度范圍寬,有利于實現(xiàn)客貨通用型機車。 (3)交流電動機無換向器,消除了電刷與換向器磨耗,提高了可靠性,也降低了制造和維修成本。 (4)異步交流電動機具有優(yōu)異的牽引性能,陡峭的自然特性有利于提高粘著利用,能更好地發(fā)揮牽引力。 雖然交流電動機,尤其是異步電動機具有上述優(yōu)勢, 但在上世紀(jì)70年前,由于直流電機控制的簡便性,以及電力電子技術(shù)僅具備整流晶閘管器件和完善的整流技術(shù),交流傳動無法與直流傳動相媲美。隨著快速晶閘管的出現(xiàn),采用異步牽引電機、快速晶閘管變流機組、電流--滑差控制方法的交流傳動系統(tǒng)的DE-2500內(nèi)燃機車問世了，交流傳動在牽引領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的活力。從此,機車車輛裝備進人了新時代。 1983年,世界首批5臺BR120型大功率干線交流傳動電力機車,贏得了德國聯(lián)邦鐵路的認可。BR120機車在系統(tǒng)設(shè)計、總體布置、參數(shù)選擇與優(yōu)化規(guī)則、電路結(jié)構(gòu)方面以及在主要部件,如臥式主變壓器、牽引變流器、牽引電動機、空心軸萬向節(jié)傳動裝置、輔助變流器等的設(shè)計和制造方面, 成功地進行了嘗試, 奠定了當(dāng)代交流機車設(shè)計和運行的基本模式。交流傳動系統(tǒng)不僅能充分發(fā)揮了交流電動機的優(yōu)越性,而且采用新技術(shù)后,帶來了新的優(yōu)勢： (1)機車采用四象限脈沖變流器,大大減少了供電網(wǎng)的電流諧波分量, 改善了供電品質(zhì),解除了對通信、信號的干擾； (2)交流傳動機車可使供電網(wǎng)獲得近似于1的功率因數(shù), 從而減小了供電網(wǎng)損耗,再生制動時還可以向電網(wǎng)反饋品質(zhì)良好的電能,節(jié)能效果顯著； (3)機車向前/向后、牽引/制動操縱無需位置轉(zhuǎn)換開關(guān)即可進行主電路的轉(zhuǎn)換, 電路簡單, 可靠性高。 西方發(fā)達國家投入巨資研發(fā)軌道交通交流傳動系統(tǒng), 經(jīng)過30年的研發(fā)、考核、技術(shù)更新, 已完成了機車車輛直流傳動向交流傳動的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)換。TGV、新干線、ICE已經(jīng)成為鐵路現(xiàn)代化和國家綜合實力的標(biāo)志之一。交流傳動成為鐵路實現(xiàn)高速和重載的唯一選擇和發(fā)展方向。 在這發(fā)展過程中,電力電子器件的發(fā)展是交流傳動技術(shù)進步的物質(zhì)基礎(chǔ)。第一代機車采用快速晶閘管,變流機組復(fù)雜、效率較低、可靠性和可維修性等均不理想。隨著大功率GTO器件的誕生, 上世紀(jì)80 年代中后期被迅速應(yīng)用于大功率交流傳動機車動車, 技術(shù)性能又有新的提高。進入上世紀(jì)90年代,中高壓IGBT相繼問世,器件品質(zhì)進一步提高,變流機組又開始更新?lián)Q代。 與此同時, 控制策略的發(fā)展是交流傳動技術(shù)進步的理論基礎(chǔ)。先后研究、應(yīng)用了晶閘管移相整流控制、PWM控制、四象限脈沖整流控制、磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方法。 微電子、信息技術(shù)等為交流傳動技術(shù)進步提供了現(xiàn)代控制手段。從過去復(fù)雜的模擬--數(shù)字電路實現(xiàn)簡單的控制功能,進人現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化控制、小型化及模塊化結(jié)構(gòu)。微計算機和微處理器品質(zhì)不斷提升,由8位進步到32位、64位,由定點運算進步到浮點運算,處理能力大幅提升,構(gòu)筑了以高速數(shù)字信號處理器為核心的實時控制器。 由此可見,電力電子技術(shù)這門綜合學(xué)科對牽引動力交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了強大的推動力。 2.2交流傳動技術(shù)的原理簡介 交直流傳動電力機車是采用直流供電,，由直流或脈流串勵電動機牽引的機車。其優(yōu)點是串勵電動機具有“ 軟特性” ， 在電源電壓一定時, 電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩中隨著負載阻力的變化而自行調(diào)節(jié)， 特別適合機車牽引特性的要求。其缺點是電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 用銅多、重量大、維修不便，且由于換向器能力限制, 負載大時易環(huán)火，故無法進一步提高電機功率。交流傳動電力機車是采用交流供電，交流異步電動機牽引的機車，其優(yōu)點是交流異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、功率大，而且粘著利用率高，電機恒功區(qū)寬，特別適合大功率機車采用。其難點是交流異步電動機必須采用變頻調(diào)整，且大功率變頻器不僅技術(shù)難度大，而且需要大功率高性能的電力電子元件。 國產(chǎn)電力機車交流傳動裝置，基本上均采用架控供電方式的交直交電傳動系統(tǒng)。電力機車的供電方式分為集中供電、架控供電和軸控供電三種。由一臺大功率牽引逆變器向機車所有電機供電，稱為集中供電方式由一臺牽引逆變器向一個轉(zhuǎn)向架的幾個電機供電，稱為架控供電方式；由一臺牽引逆變器向一個動軸上的一個電機供電，稱為軸控供電方式。因架控供電的逆便變器功率和數(shù)量適中，并且于實施軸重轉(zhuǎn)移電氣補償，因此，國產(chǎn)交傳動電力機車均采用架控供電方式。 交直交電傳動機車的關(guān)鍵部件是牽引逆變器，它承擔(dān)著將電壓穩(wěn)定的中間直流電轉(zhuǎn)換為電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電的任務(wù)，目前已經(jīng)歷了三代逆變器的發(fā)展過程。第三代牽引逆變器以智能功率模塊為元件，它性能更好，關(guān)斷電流大，開關(guān)頻率很高。 3.我國機車電傳動技術(shù)的發(fā)展 3.1 第一代電力機車控制技術(shù) 我國電力機車控制技術(shù)的發(fā)展歷史可追塑到本世紀(jì)60年代末、70年代初。期間,株洲電力機車研究所的科技人員對SS2型試驗用電力機車成功地進行了相控改造,為我國電力機車電傳動控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 電子控制技術(shù)真正用于國產(chǎn)電力機車始于1978年竣工的6軸SS3型電力機車。由于晶閘管應(yīng)用技術(shù)的推廣,該車采用了8級調(diào)壓開關(guān)有級轉(zhuǎn)換和級間相控平滑調(diào)壓的主電路結(jié)構(gòu),因此電子控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜。其主要功能有： (1) 牽引工況恒電樞電流控制,具有最高電機電壓限制功能； (2) 制動工況恒勵磁電流控制,具有最大制動電流限制功能; (3) 具有超壓、二次側(cè)短路、電機過流等保護功能; (4) 具有調(diào)壓開關(guān)進、退級與相控調(diào)壓有關(guān)邏輯聯(lián)鎖、監(jiān)控及保護電路。 在電路系統(tǒng)設(shè)計上,為提高裝置的可靠性,采用了A、B兩組相同的控制系統(tǒng),當(dāng)一組出現(xiàn)故障時,可人工切換至另一組,從而不影響機車運行。這一設(shè)計思想為后續(xù)各型機車控制系統(tǒng)所借鑒。經(jīng)過不斷地改進、完善,該車型電子控制裝置成為最早批量裝車,技術(shù)比較成熟的第一代產(chǎn)品。 3.2 第二代電力機車控制技術(shù) 80年代我國采用技貿(mào)結(jié)合的方式從歐洲50Hz集團采購了150臺8K型電力機車,其中2臺機車在株洲合作生產(chǎn)。株洲電力機車研究所在此期間承擔(dān)了電子控制裝置的合作生產(chǎn)和技術(shù)國產(chǎn)化工作,并在此基礎(chǔ)上,在“七五”、“八五”期間成功地開發(fā)出了SS5、SS6、SS3B、SS4改進型、SS6B、SS7等不同車型的電力機車電子控制裝置。這一代控制系統(tǒng)功能完善,技術(shù)上達到國際80年代初水平,并實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化,從而實現(xiàn)了我國電力機車控制技術(shù)的一次更新?lián)Q代。第二代控制技術(shù)的特點有: （1) 電路組成單元主要以LM124、LM139、74HC系列IC等新一代數(shù)、模集成電路為主構(gòu)成。部分電路如功率因數(shù)補償、空電聯(lián)合制動控制電路采用單板機技術(shù)； （2) 采用了符合IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電路板、機箱結(jié)構(gòu)和法拉第箱概念設(shè)計的機柜,具有良好的防塵、防潮、防震和電磁屏蔽性能； （3) 在系統(tǒng)設(shè)計上,較完整地考慮了電位隔離、濾波、屏蔽等抗干擾措施。如對數(shù)字I??O信號采用光耦和繼電器進行電位隔離,對模擬I??O信號采用電磁變換原理進行電位隔離等； （4) 系統(tǒng)電路設(shè)計上采用了高精度霍耳電流、電壓傳感器、0.5%精密電阻等措施,可保證電路板精度,系統(tǒng)精度達2%； （5) 各型控制裝置電路板標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度高(12種電路板中有9種是通用電路板)； （6) 系統(tǒng)充分考慮了各種控制需要,功能模塊齊全,可滿足特性控制,防空轉(zhuǎn)??滑行控制,功率因數(shù)補償控制,空電聯(lián)合制動控制,加饋或再生制動控制,重聯(lián)控制以及各種保護的功能要求； （7) 工藝上采用繞接、壓接布線,自動波峰焊接,全自動功能測試等新工藝,提高了產(chǎn)品質(zhì)量； 3.3 第三代電力機車控制技術(shù) 第三代電力機車控制技術(shù)是以微型計算機技術(shù)為核心的新一代控制技術(shù)。我國電力機車微機控制技術(shù)1987年開始起步,并于1991年底首次在SS438號車上 裝車運行考核,目前已成功地推廣應(yīng)用于SS8準(zhǔn)高速客運電力機車、SS4B重載貨運電力機車和首次出口伊朗的電動車組頭車(TM1)。 從機械結(jié)構(gòu)上來看,微機控制裝置沿用了第二代控制系統(tǒng)一樣的柜、插件箱、板三層結(jié)構(gòu),但增加了司機室診斷顯示功能。在系統(tǒng)上采用三級分層結(jié)構(gòu)，即: （1) 人機對話級。本級由顯示屏、鍵盤及顯示控制裝置組成。它除具有替代原機車模擬儀表顯示機車工況及參數(shù)的功能外,還具有日歷、時針顯示,機車?yán)塾嬤\行參數(shù)統(tǒng)計,機車輪徑設(shè)置,故障記錄查詢,自檢項選擇和自檢結(jié)果及參數(shù)顯示等功能。早期為等離子體顯示屏,主CPU為8088,采用匯編語言編程以提高漢字圖形方式下的屏幕響應(yīng)速度,現(xiàn)采用TFT彩色液晶屏,并將顯示控制裝置與顯示屏融為一體,主機為486,PC104總線,并采用C語言編程； （2) 特性控制級。主CPU為80186,采用功能塊圖形語言編程(FUPLA),以便提高編程效率,便于移植,它擔(dān)負著機車級機車特性控制及各種保護和診斷功能； （3) 變流器控制級。CPU為8097,采用匯編語言編程以滿足脈沖觸發(fā)部分實時快速的要求； 經(jīng)過近6年的考核、改進以及1年的批量裝車運行表明,電力機車微機控制系統(tǒng)經(jīng)受住了考驗,其優(yōu)越性已為大多數(shù)用戶所認可,概括其特點主要有: (1) 硬件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度高,不同的特性、參數(shù)和控制功能只需在軟件上區(qū)別,硬件可做到通用,因而系統(tǒng)的靈活性高； (2) 裝置的可靠性提高。經(jīng)SS8型電力機車鄭武線近期運行考核表明,微機控制系統(tǒng)平均無故障工作時間(MTBF)近1萬小時,遠遠高于以前系統(tǒng)4000小時的水平； (3) 微機系統(tǒng)智能化程度高,其故障診斷、顯示功能實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要部件,便于確認系統(tǒng)狀態(tài),查找分析故障原因； (4) 便于功能的擴展和升級,如與其他部件或系統(tǒng)(輔助變流器、PLC、制動單元、速度分級控制系統(tǒng))通過串行通信方式建立聯(lián)系、交換信息。 為追蹤世界新型“交-直-交”電力機車新技術(shù)，更為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的要求, 推動軌道交通裝備技術(shù)進步, 我國研究、應(yīng)用交流傳動技術(shù), 經(jīng)歷了技術(shù)探索( 理論認識與基礎(chǔ)開發(fā))、引進應(yīng)用( X2000動車組)、合作研制(“藍箭”動車組和NJ1內(nèi)燃調(diào)車等)、自主開發(fā)幾個階段。上世紀(jì)70年代,我國開始研究交流電傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)；80年代完成了中等功率交流電傳動系統(tǒng)的試驗研究；90年代初研制了1Mw大功率變流系統(tǒng)并促進AC4000原型機車的研制與組裝；90年代中期相繼啟動高性能交流傳動控制技術(shù)、大功率GTO牽引變流器工程化、中大功率IGBT牽引變流器、大功率異步牽引電機等一系列核心技術(shù)的攻關(guān)工程, 取得了豐碩成果, 并于本世紀(jì)初開始裝車應(yīng)用。 2001年9月我國自行研制成功200km/h“奧星”交流傳動電力機車，同年10月時速200km/h的“藍箭”號在廣深線投入使用；2001年又研制成功采用交流傳動技術(shù)的200km/h的“先鋒”號及160km/h的“中原之星”動力分散型電動車組。從2006年開始，我國分別從日本、德國、法國等國引進先進技術(shù)，并消化吸收及國產(chǎn)化，成為“具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)”的動車組產(chǎn)品系列-CRH系列動車組，它們均屬于強動力分散系動車組，這些均預(yù)示著機車性能的深刻變革，因而成為今后我國電力機車的發(fā)展方向。 我國自主研發(fā)的交流傳動產(chǎn)品還有：國防科技大學(xué)磁浮列車、DF8BJ型“西部之光”內(nèi)燃機車、DJJ2型“中華之星”高速動車組、DJ7CJ型內(nèi)燃機車、“天梭”電力機車、KZ4A型哈薩克斯坦電力機車、國產(chǎn)化地鐵列車、自主知識產(chǎn)權(quán)北京地鐵客車等,共計50多臺套。 4.展望 我國機車電傳動技術(shù)已走過50余年的發(fā)展里程，取得了巨大進步，鐵路運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。通過貫徹“引進先進技術(shù)，聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)，打造中國品牌”的總體要求進行技術(shù)引進和合作，我國機車車輛制造業(yè)的骨干企業(yè)開始批量生產(chǎn)交流傳動電力、內(nèi)燃機車和電動車組。在技術(shù)引進的基礎(chǔ)上，進行消化吸收和再創(chuàng)新研究，軌道交通裝備核心、關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)平臺和體系初步形成，在滿足國內(nèi)鐵路運輸市場需求的同時，促進鐵路機車車輛制造行業(yè)走向成熟，實現(xiàn)交流傳動機車車輛的國內(nèi)開發(fā)和制造，徹底解決鐵路運力不能滿足改革開放以來國民經(jīng)濟日益發(fā)展要求的矛盾，為我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻，進而走向世界，在高速、重載鐵路牽引設(shè)備領(lǐng)域與世界先進企業(yè)同臺競爭。 參考文獻： [1]劉友梅．我國電力機車四十年技術(shù)發(fā)展綜述[J]．機車電傳動，1998(11)． [2]黃濟榮．電力牽引交流傳動與控制[M]．北京：機械工業(yè)出版社．1998． [3]馮江華．機車交流傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展[J]．機車電傳動，2001(4). 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