电力牵引传动与控制的发展状况

电力牵引传动与控制技术

的发展状况

交通设备与信息工程1001班

陈群 1104101014

李涛 1104100903

赵龙飞 1104101003

何富军 1104100412

1电力牵引传动与控制技术的发展状况

陈群李涛赵龙飞何富军

（中南大学交通运输工程学院湖南长沙 410075）

摘要：综述了我国机车电传动技术各个发展阶段的技术特点，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，重点阐述了我国新型机车交流传动系统的技术特点和发展趋势，并对我国第一、二、三代电力机车控制技术的发展过程及技术特点进行了介绍。

关键字：电力机车交流传动控制技术

The Development of Electric Drive And Control Technology for

Locomotive

CHEN qun LI tao ZHAO long-fei HE fu-jun (School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University

,Changsha, Hunan 410075)

Abstract: It was summarized the technical characteristic of electric drive technology for locomotive each development stage. The close relationship between power electronic and electric drive technology is revealed. It was especially illustrated technical characteristic and developing trend of new style locomotive AC drive system, and the development process and technical features of the electric locomotive control technologies of the first, second and third generations were introduced.

Key words: electric locomotive, AC drive,control technology

0 引言

铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。自上世纪50年代末，我国第1台干线电力机车问世至今，我国机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第1代SS1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2代的SS3型电力机车调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3代的SS4～SS9型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。近20年来, 随着微电子技术和计算机应用技术的迅猛发展, 国际上从事电力机车制造业的各大公司纷纷加大对电力机车控制技术的投入,

作者简介：陈群（1991~），男，大学本科，从事于交通设备控制工程机车车辆方向

使这一称之为机车“大脑”和“神经”的技术不断得到更新、优化。我国在这一领域的研究起步较晚, 但通过走独立自主研究开发与引进国外先进技术相结合的技术路线, 已成功地在技术上走过了第一代模拟控制、第二代数模混合控制阶段, 进入了以计算机技术为主体的第三代控制技术阶段。

1 直流电力传动

采用直流牵引发电机和直流牵引电动机，又称直一直流电力传动，是早期采用的电传动形式，见图1。电机直接驱动一台直流牵引发电机G，向数台直流牵引电动机M供电，牵引电动机通过传动齿轮箱驱动机车动轮。

图1 直流电力转动

直流传动的特点是调速方法比较简便，通常用改变直流电动机端电压的方法即可达到调速的目的。由于直流串励牵引电动机具有软特性，起动转矩大，调速范围宽，适合于机车牵引，因此在直流电传动系统中被广泛采用。这种传动方式沿用了很长一段时间，例如中国的东风型、东风2型、东风3型以及进口的ND1型、ND2型等机车都采用这种传动形式。

从20世纪60年代以来，机车不断向大功率发展，功率和转速不断提高，而直流牵引发电机的功率受到电机换向条件和机车内限界尺寸以及机车轴重的限制，使单机组直流电力传动内燃机车的功率几乎限制在2200 kW以下。

2 交直电力传动

2.1 第1代电力机车的传动技术

1958年底，我国试制出第1台干线电力机车，即6Y1电力机车。6Y1型电力机车是以前苏联H60型干线交直流传动电力机车为样板，按照中国铁路规范进行研制的。由于当时大功率电力电子器件尚未成熟，可用的整流器件是引燃管。 6Y1型电力机车经铁科院环形铁道运行试验后，于1962年前后共试制了5台样车投入宝凤线试运行。但是，由于一些重要设备（调压开关、牵引电机等）一直存在技术和质量问题，尤其是引燃管整流器难以达到实际运用要求，因此6Y1型电力机车未能投入批量生产。随着我国电力电子工业的发展，大功率整流二极管开始进入到工程实用阶段，为机车电传动技术的发展提供了必要条件。正是在这样的技术背景下，在6Y1型电力机车基础上，我国第1代有级调压、交直传动电力机车——SS1型电力机车于1968年试制成功，1969年开始批量生产，到1988年止，共生

产826台，使我机车电传动技术进入到交直传动时期。SS1型机车电传动系统由牵引变压器、调压开关、主整流器、平波电抗器和脉流牵引电机组成，电传动技术主要特点如下：

（1）牵引变压器采用强迫油循环风冷方式，牵引绕组有基本绕组和调压绕组，共4组，22个抽头。

（2）调压开关用于切换牵引变压器牵引绕组电压，实现低压侧调压，供机车启动和调速用。调压开关有33个调压级位。

（3）主整流器采用中抽式全波整流电路，额定输出直流电压为1500 V，额定输出直流电流为3000 A，整流元件采用功率二极管。

（4）脉流牵引电动机为4极串励电机，有补偿绕组，小时功率700 kW，持续功率为630 kW，额定电压为直流1500 V，持续电流为450 A，固定磁场削弱95%，三级磁场削弱分别为70%、54%和45%,6台牵引电机并联运行。

2.2 第2代电力机车的传动技术

可控型器件——晶闸管的出现，使机车电传动技术跨上了一个新台阶。SS3 型电力机车正是作为我国机车电传动技术由二极管整流有级调压到相控无级调压的第2代交直传动客货用电力机车。1978年底，由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所共同研制成功。SS3型电力机车主电路采用牵引变压器低压侧调压开关分级与晶闸管级间相控调压相结合的平滑调压调速技术，使机车获得良好的调速性能。电传动技术主要特点是：

（1）牵引变压器额定容量为6925 kVA，牵引绕组由电压为1111 V+277.8 V ×4的基本绕组和调压绕组二者组成，冷却方式为强迫油循环风冷。

（2）调压开关与SS1型电力机车用调压开关结构相似，由于级间要与晶闸管相控配合，因此对触头的开闭角度及相应零部件制造和开关组装精度要求较高。

（3）变流装置采用整流二极管和晶闸管构成的桥式整流电路，只需要少量晶闸管即可达到级间平滑调压的效果，从而提高机车的调速平稳性和功率因数。

（4）脉流牵引电动机为4极串励电机，具有补偿绕组，小时制功率为800 kW，额定电压为直流1550 V，持续制电流为495 A。

（5）采用2级电阻制动改善了机车低速工况下的制动能力。

2.3 第3代电力机车的传动技术

随着大功率晶闸管性能的提高，相控技术成熟应用到机车电传动领域，其代表车型为SS4型电力机车。SS4 型机车是1985年开发的相控无级调压、交直传动8轴重载货运电力机车，我国相控机车的“代表作”，与后续开发的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车一起，构成我国晶闸管相控调压、交直传动的系列产品。该型机车由2节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成，每节车为一个完整系统，经过实际应用和吸收消化国外8K、6K、8G型等车的先进技术，做过几次重大改进，使机车性能和质量得到显著提高，成为我国干线货运主型机车。SS4型机车电传动技术主要特点是：

（1）采用架控方式有利于实现机车的轴重电气补偿，而不等分三段半控桥整流电路实现了相控无级调压，提高了机车的功率因数。

（2）改善机车低速时的电制动性能，采用了加馈电阻制动。

（3）机车主电路中交流侧设有功率因数补偿装置，进一步提高了机车功率因数，减小了谐波等效干扰电流。