电力机车的传动控制技术

摘要：近年来, 为了适应“提速、重载”的要求, 功率大、性能技术先进的新型国产内燃、电力机车的投人运用, 成为我国铁路运输的主要牵引动力。

自1995年以来, 我国铁路机车迅速更新换代, 不仅蒸汽机车迅速退出历史舞台, 而且
国产第一代内燃机车和第二代内燃机车的早期产品也批量报废, 国产第一代电
力机车早期产品已开始批量报废, 第二代国产电力机车正通过大修改造为第三
代相控电力机车。

近年来, 大批量生产的是适应“提速、重载”的第三代内燃、电力机车, 并在积极研制第四代新型内燃、电力机车。

本文简要介绍了机车电力传动形式的转变历程，回顾了交流传动的发展历史，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，重点阐述了我国电力牵引技术的发展与现状，并展望了以交流传动技术为方向的我国铁路机车车辆装备制造业的发展前景。

关键词：电力机车传动，控制技术，发展与现状。

目录
1.电力传动形式的转变 (3)
2.交流传动技术 (3)
2.1 交流传动技术的发展 (3)
2.2交流传动技术的原理简介 (5)
3.我国机车电传动技术的发展 (6)
3.1 第一代电力机车控制技术 (6)
3.2 第二代电力机车控制技术 (7)
3.3 第三代电力机车控制技术 (8)
4.展望 (10)
参考文献： (11)
1.电力传动形式的转变
从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。

1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。

1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。

这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模式。

1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。

1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。

大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。

1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。

随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。

2.交流传动技术
2.1 交流传动技术的发展
交流电动机作为牵引电动机使用, 具有独特的优越性：
(1)交流电动机体积小、质量轻、功率大。

体积小, 解决了安装空间的限制问题；质量轻, 减小了机车转向架的簧下质量,改善了轮轨作用力,适应了高速的需要；功率大, 解决了高速所必需的动力问题。

(2)交流电动机保持恒定大功率的速度范围宽,有利于实现客货通用型机车。

(3)交流电动机无换向器,消除了电刷与换向器磨耗,提高了可靠性,也降低了制造和维修成本。

(4)异步交流电动机具有优异的牵引性能,陡峭的自然特性有利于提高粘着利用,能更好地发挥牵引力。

虽然交流电动机,尤其是异步电动机具有上述优势, 但在上世纪70年前,由于直流电机控制的简便性,以及电力电子技术仅具备整流晶闸管器件和完善的整流技术,交流传动无法与直流传动相媲美。

随着快速晶闸管的出现,采用异步牵引电机、快速晶闸管变流机组、电流--滑差控制方法的交流传动系统的DE-2500内燃机车问世了，交流传动在牵引领域展现出前所未有的活力。

从此,机车车辆装备进人了新时代。

1983年,世界首批5台BR120型大功率干线交流传动电力机车,赢得了德国联邦铁路的认可。

BR120机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面以及在主要部件,如卧式主变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等的设计和制造方面, 成功地进行了尝试, 奠定了当代交流机车设计和运行的基本模式。

交流传动系统不仅能充分发挥了交流电动机的优越性,而且采用新技术后,带来了新的优势：
(1)机车采用四象限脉冲变流器,大大减少了供电网的电流谐波分量, 改善了供电品质,解除了对通信、信号的干扰；
(2)交流传动机车可使供电网获得近似于1的功率因数, 从而减小了供电网损耗,再生制动时还可以向电网反馈品质良好的电能,节能效果显著；
(3)机车向前/向后、牵引/制动操纵无需位置转换开关即可进行主电路的转换, 电路简单, 可靠性高。

西方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统, 经过30年的研发、考核、技术更新, 已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。

TGV、新干
线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。

交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。

在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。

第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。

随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。

进入上世纪90年代,中高压IGBT 相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。

与此同时, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。

先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。

微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。

从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。

微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。

由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。

2.2交流传动技术的原理简介
交直流传动电力机车是采用直流供电,，由直流或脉流串励电动机牵引的机车。

其优点是串励电动机具有“软特性”，在电源电压一定时, 电动机的转速和转矩中随着负载阻力的变化而自行调节，特别适合机车牵引特性的要求。

其缺点是电机结构复杂，用铜多、重量大、维修不便，且由于换向器能力限制, 负载大时易环火，故无法进一步提高电机功率。

交流传动电力机车是采用交流供电，交流异步电动机牵引的机车，其优点是交流异步电动机结构简单、维修方便、体积小、重量轻、功率大，而且粘着利用率高，电机恒功区宽，特别适合大功率
机车采用。

其难点是交流异步电动机必须采用变频调整，且大功率变频器不仅技术难度大，而且需要大功率高性能的电力电子元件。

国产电力机车交流传动装置，基本上均采用架控供电方式的交直交电传动系统。

电力机车的供电方式分为集中供电、架控供电和轴控供电三种。

由一台大功率牵引逆变器向机车所有电机供电，称为集中供电方式由一台牵引逆变器向一个转向架的几个电机供电，称为架控供电方式；由一台牵引逆变器向一个动轴上的一个电机供电，称为轴控供电方式。

因架控供电的逆便变器功率和数量适中，并且于实施轴重转移电气补偿，因此，国产交传动电力机车均采用架控供电方式。

交直交电传动机车的关键部件是牵引逆变器，它承担着将电压稳定的中间直流电转换为电压和频率均可调的三相交流电的任务，目前已经历了三代逆变器的发展过程。

第三代牵引逆变器以智能功率模块为元件，它性能更好，关断电流大，开关频率很高。

3.我国机车电传动技术的发展
3.1 第一代电力机车控制技术
我国电力机车控制技术的发展历史可追塑到本世纪60年代末、70年代初。

期间,株洲电力机车研究所的科技人员对SS2型试验用电力机车成功地进行了相控改造,为我国电力机车电传动控制技术的发展奠定了基础。

电子控制技术真正用于国产电力机车始于1978年竣工的6轴SS3型电力机车。

由于晶闸管应用技术的推广,该车采用了8级调压开关有级转换和级间相控平滑调压的主电路结构,因此电子控制系统相对比较复杂。

其主要功能有：
(1)牵引工况恒电枢电流控制,具有最高电机电压限制功能；
(2)制动工况恒励磁电流控制,具有最大制动电流限制功能;
(3)具有超压、二次侧短路、电机过流等保护功能;
(4)具有调压开关进、退级与相控调压有关逻辑联锁、监控及保护电路。

在电路系统设计上,为提高装置的可靠性,采用了A、B两组相同的控制系统,
当一组出现故障时,可人工切换至另一组,从而不影响机车运行。

这一设计思想为后续各型机车控制系统所借鉴。

经过不断地改进、完善,该车型电子控制装置成为最早批量装车,技术比较成熟的第一代产品。

3.2 第二代电力机车控制技术
80年代我国采用技贸结合的方式从欧洲50Hz集团采购了150台8K型电力机车,其中2台机车在株洲合作生产。

株洲电力机车研究所在此期间承担了电子控制装置的合作生产和技术国产化工作,并在此基础上,在“七五”、“八五”期间成功地开发出了SS5、SS6、SS3B、SS4改进型、SS6B、SS7等不同车型的电力机车电子控制装置。

这一代控制系统功能完善,技术上达到国际80年代初水平,并实现了标准化、模块化,从而实现了我国电力机车控制技术的一次更新换代。

第二代控制技术的特点有:
（1) 电路组成单元主要以LM124、LM139、74HC系列IC等新一代数、模集成电路为主构成。

部分电路如功率因数补偿、空电联合制动控制电路采用单板机技术；
（2) 采用了符合IEC有关标准的电路板、机箱结构和法拉第箱概念设计的机柜,具有良好的防尘、防潮、防震和电磁屏蔽性能；
（3) 在系统设计上,较完整地考虑了电位隔离、滤波、屏蔽等抗干扰措施。

如对数字I O信号采用光耦和继电器进行电位隔离,对模拟I O信号采用电磁变换原理进行电位隔离等；
（4) 系统电路设计上采用了高精度霍耳电流、电压传感器、0.5%精密电阻等措施,可保证电路板精度,系统精度达2%；
（5) 各型控制装置电路板标准化、通用化程度高(12种电路板中有9种是通用电路板)；
（6) 系统充分考虑了各种控制需要,功能模块齐全,可满足特性控制,防空转 滑行控制,功率因数补偿控制,空电联合制动控制,加馈或再生制动控制,重联控制以及各种保护的功能要求；
（7) 工艺上采用绕接、压接布线,自动波峰焊接,全自动功能测试等新工艺,提高了产品质量；
3.3 第三代电力机车控制技术
第三代电力机车控制技术是以微型计算机技术为核心的新一代控制技术。

我国电力机车微机控制技术1987年开始起步,并于1991年底首次在SS438号车上装车运行考核,目前已成功地推广应用于SS8准高速客运电力机车、SS4B重载货运电力机车和首次出口伊朗的电动车组头车(TM1)。

从机械结构上来看,微机控制装置沿用了第二代控制系统一样的柜、插件箱、板三层结构,但增加了司机室诊断显示功能。

在系统上采用三级分层结构，即: （1) 人机对话级。

本级由显示屏、键盘及显示控制装置组成。

它除具有替代原机车模拟仪表显示机车工况及参数的功能外,还具有日历、时针显示,机车累计运行参数统计,机车轮径设置,故障记录查询,自检项选择和自检结果及参数显示等功能。

早期为等离子体显示屏,主CPU为8088,采用汇编语言编程以提高汉字图形方式下的屏幕响应速度,现采用TFT彩色液晶屏,并将显示控制装置与显示屏融为一体,主机为486,PC104总线,并采用C语言编程；
（2) 特性控制级。

主CPU为80186,采用功能块图形语言编程(FUPLA),以便提高编程效率,便于移植,它担负着机车级机车特性控制及各种保护和诊断功能；
（3) 变流器控制级。

CPU为8097,采用汇编语言编程以满足脉冲触发部分实时快速的要求；
经过近6年的考核、改进以及1年的批量装车运行表明,电力机车微机控制系统经受住了考验,其优越性已为大多数用户所认可,概括其特点主要有:
(1)硬件标准化、通用化程度高,不同的特性、参数和控制功能只需在软
件上区别,硬件可做到通用,因而系统的灵活性高；
(2)装置的可靠性提高。

经SS8型电力机车郑武线近期运行考核表明,微
机控制系统平均无故障工作时间(MTBF)近1万小时,远远高于以前
系统4000小时的水平；
(3)微机系统智能化程度高,其故障诊断、显示功能实时监测系统的主要
部件,便于确认系统状态,查找分析故障原因；
(4)便于功能的扩展和升级,如与其他部件或系统(辅助变流器、PLC、制
动单元、速度分级控制系统)通过串行通信方式建立联系、交换信息。

为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的要求, 推动轨道交通装备技术进步, 我国研究、应用交流传动技术, 经历了技术探索( 理论认识与基础开发)、引进应用( X2000动车组)、合作研制(“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发几个阶段。

上世纪70年代,我国开始研究交流电传动系统的基础技术；80年代完成了中等功率交流电传动系统的试验研究；90年代初研制了1Mw大功率变流系统并促进AC4000原型机车的研制与组装；90年代中期相继启动高性能交流传动控制技术、大功率GTO牵引变流器工程化、中大功率IGBT牵引变流器、大功率异步牵引电机等一系列核心技术的攻关工程, 取得了丰硕成果, 并于本世纪初开始装车应用。

2001年9月我国自行研制成功200km/h“奥星”交流传动电力机车，同年10月时速200km/h的“蓝箭”号在广深线投入使用；2001年又研制成功采用交流传动技术的200km/h的“先锋”号及160km/h的“中原之星”动力分散型电动车组。

从2006年开始，我国分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列-CRH系列动车组，它们均属于强动力分散系动车组，这些均预示着机车性能的深刻变革，因而成为今后我国电力机车的发展方向。

我国自主研发的交流传动产品还有：国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西部之光”内燃机车、DJ J2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。

4.展望
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。

通过贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求进行技术引进和合作，我国机车车辆制造业的骨干企业开始批量生产交流传动电力、内燃机车和电动车组。

在技术引进的基础上，进行消化吸收和再创新研究，轨道交通装备核心、关键技术的相关平台和体系初步形成，在满足国内铁路运输市场需求的同时，促进铁路机车车辆制造行业走向成熟，实现交流传动机车车辆的国内开发和制造，彻底解决铁路运力不能满足改革开放以来国民经济日益发展要求的矛盾，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：
[1]刘友梅．我国电力机车四十年技术发展综述[J]．机车电传动，1998(11)．
[2]黄济荣．电力牵引交流传动与控制[M]．北京：机械工业出版社．1998．
[3]冯江华．机车交流传动控制系统的发展[J]．机车电传动，2001(4).
[4]Ruge W．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(一)[J]．变流技术与电力牵引，2006(5)．
[5]Ruge W．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(二)[J]．变流技术与电力牵引，2006(6)．
[6]张波，杨万坤，李杰波.世界铁路牵引发展50年.铁道机车车辆,2005(12).
[7]张大勇.我国机车电传动技术的发展[J].机车电传动,2007(5).
[8]丁荣军.快速控制原型技术的发展现状[J].机车电传动，2009(4).
[9]黄济荣．我国交流牵引传动技术的最新进展[J]．机车电传动，2001(1) .
[10]冯江华．电力电子技术与铁路机车牵引动力的发展[J].变流技术与电力牵引，2006(2).
[11]丁荣军.现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展[J]. 机车电传动,2010(9).
[12]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，2005(4).
[13]黄济荣．跨入21世纪的电力电子与传动技术[J].电力机车与城轨车辆,2004(3).
[14]W.D.Weigel.先进的交流电传动现状和展望[J].变流技术与电力牵引,2004(3).
[15]严云升.国产交直传动电力机车微机控制技术的发展[J].电力机车与城轨车辆,2003(1).
11。