交流传动的优越性及发展概况

一．交流传动的优越性
交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。

交流传动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。

和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。

1．构造简单，转速高，可靠性高，维修简便
三相异步电动机结构中无换向器、无电刷装置；所以相同功率的电机，异步电动机的重量轻，体积小，可使机车转向架簧下部分重量相应减少，在机车通过曲线时，轮轨之间侧向压力也就相应减少，这对高速行车尤为重要；同时，由于电动机体积减少，便能选择更为合适的悬挂方式，从而简化了转向架结构；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。

因此故障率低，可靠性高。

控制装置是模块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。

据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公司直流电动机的大修期一般在4
万公里至48万公里之间，而交流牵引电动机的大修期可高达120~160万公里。

另外，交流传动机车有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。

由此可知交流传动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。

加拿大CP4744型交流传动机车的应用实践表明：不仅延长了计划修间隔，而且减少了计划外修理次数，每台机车每年可减少计划外修6次。

2，功率大，牵引力大，机车可以发挥较高的输出功率
异步牵引电动机不存在换向的问题，所以高速行车时电的效率也就较高；同时，牵引电动机因无换向器，空间利用好，使机车功率得以进一步提高，再生制动时亦能输出较大的电功率。

而串激直流电动机结构复杂。

定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，磨擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。

而交流异步电动机转速可达4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min，这是直流电机所忘尘莫急的。

3．粘着性能好
（1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。

空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。

串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就有很大的变化。

（2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。

根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。

（3）可实现各轴单独控制。

当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。

在交—直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。

由于上述特性和良好的控制功能，交—直流传动系统的粘着系数可以利用得很高。

1992年美国铁路协会（AAR）在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数45%，全天候牵引粘着系数是32%。

如此之高的粘着利用，正是得益于交流机传动机车良好的粘着控制性能，这对于交直传动系统是不可能达到的。

4．简化了机车主电路
异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过机车控制电路就能实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两位置转换开关可省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。

5．动力性能和制动性能较好
异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小；可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。

其中部分电制动的能量可用于其它辅助设备。

6．效率高，利用率高，使用灵活性强
交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。

对E120型传动机车的长期应用对比中发现，客运作业时可节能3％一6%，货运作业时可节能8％一10％。

由于其可靠性、耐久性和易于维修，使交流传动机车的利用率显著提高。

与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10％。

对铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。

交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。

综上所述，交流传动机车具有起动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。

新的铁路技术政策也明确指出，我国牵引动力将在十年之内，实现由直流传动向交流传动的转变。

二．交流传动的基本原理
交流传动机车由各种变流器供电，机车和动车组采用三相交流同步或异步电动机作牵引动力。

机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送入整流环节，将交流电转换为直流电，经中间直流环节消除脉动，送入逆变环节，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经平波电抗器供给牵引传动环节三相异步牵引电动机，实现牵引运行。

在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。

机车主电路中整流电路的作用是将交流电转换为直流电，具体电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器，目前交流传动机车主要采用四象限脉冲变流器作为整流电路。

三．交流传动在国内外的发展概况
1．德国
1971年德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型交流传动内燃机车，功率为1840kW，从此开始了现代交流机车的时代。

自1970年起，交流传动机车的产量逐年增加。

以DE2500型机车为先驱的交流传动机车可视为第一代交流传动机车。

受当时技术发展的限制，主电路开关元件采用的是关断速度较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采用微机，属于这一代的还有荷兰的DE6400、土耳其的ME07、伊朗的ME10等各型机车。

1987年世界上出现第一台应用GTO元件的交流机车—3200kW的Re4/4型机车，应用GTO元件的交流机车称为第二代交流传动机车；1989年Krupp MaK公司和ABB公司开发出GTO晶闸管逆变器的第二代交流传动的DE1024型内燃机车。

1996年11月，德国Adtranz公司和美国GE公司合作开发出第一台“蓝虎”系列交流传动内燃机车，功率范围从1640kW到3280kW，货运机车最高速度为120km/h，客运机车最高速度为200km/h和240km/h。

2．美国
从80年代中期开始，美国GM公司便与德国西门子公司合作，共同开发新一代交流传动大功率内燃机车。

1993年美国伯灵顿北方圣菲铁路（BNSF）一次就向GM公司订购350台4000英制马力的SD70MAC型交流传动内燃机车，随后该公司的订货增加到535台。

这种新型交流传动内燃机车显示出了良好的技术经济性能，又适应了美国各大铁路公司机车老化而将更新换代的需要。

对GM公司大批交流传动内燃机车的订货，刺激并推动了GE公司加速开发自己的大功率交流传动内燃机车。

这样在北美两大机车制造厂家之间，便掀起了开发大功率交流传动内燃机车的竞争热潮。

至目前，GM和GE公司的大功率交流传动内燃机车的订货总数估计已超过3000台。

GM公司和西门子公司合作，1998年开始向印度提供30台4000英制马力的GT46MAC 型交流传动内燃机车，同时将对印度作技术转让，使印度DLW工厂能生产这种机车。

3．中国
我国交流传动技术的研究始于70年代初，可以说起步不晚，但国际上80年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。

因此铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要跟在别人后面先KK，后GTO，再IGBT一步一步地走老路绕弯子，应跨过GTO阶段，直接发展IGBT技术，缩短我国与国际上当今先进技术的差距。

20世纪90年代我国由株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研制的，功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功。

在此基础上，由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究院于1996年共同研制的4轴4000kW，我国第一台交流传动电力机车（原形车）诞生。

以AC4000命名的交流传动机车的研制，标志着我国电力机车进入交流传动时代。

世纪之交的2000年是我国交流传动电力机车取得卓越成果的一年。

这一年可供商用的大功率交流传动电力机车研制成功，标志着我国交流传动电力机车的工程化进入新的阶段。

2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大、技术最先进、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组动力车“蓝箭号”的诞生，标志着我国铁路机车进入现代高科技时代。

2004年以来，我们与日本、德国，法国等合作，引进了世界一流大功率传动技术和动车组技术。

北车大连机车车辆有限公司与日本东芝、南车株洲与德国西门子、北车大同与法国阿尔斯通等外国公司合资研发生产我国新一代大功率传动电力机车、最大持续功率
、从（.'iJ时川
…………结｛扮井｛…………………
·）为！20k川的人功亨交流认」｝.
项关键技术将引领我国和世界的机车技术发展方向。

我国首列时速3ookm的CRH2型交流传动电动车组，于2006年12月下线，该动车组由南车集团青岛四方机车车辆厂生产，通过从日本、德法等国引进先进技术，已成功掌握了9项关键技术，制造出具有自主知识产权的动车组产品系列。

该动车组经过在北京的测试，目前已经在京津城际铁路和其它国内城际铁路运行。

首列国产化CRH3型大功率交流传动电动车组于2008年3月31日在唐山下线，该动车组设计时速不低于350km，率先在京津城际铁路投入运行。

cRH，的原型是德国ICE3，制造商是唐山机车车辆厂和德国西门子公司。

cRH，型动车组不但速度快，而且工艺精湛，在其内部，吧台等豪华设施应有尽有，几乎可以和高档轿车相媲美。

在“十一五”期间，我国不但要开发时速35okin的动车组，还要完成时速300一350km动车组的卧铺车、餐车、行李车等产品的开发，形成自主设计和制造能力，打造中国铁路动车组和大功率机车系列产品。

我国同时也在进行交流传动内燃机车的研制。

1999年9月8日，我国首台交流传动内燃机车“捷力”型调车内燃机车研制成功，它标志我国机车工业由直流传动向交流传动转换发展战略迈出了关键的一步。

交流传动内燃机车是以先进的交流传动技术替代传统的直流传动技术的新一代机车，是我国“九五”期间的重点科研攻关项目，这种交流传动机车比传统的直流传动内燃机车的起动牵引力提高了巧％，持续牵引力提高了20%，目前，只有美国、德国、日本等少数生产。

1999年11月30日，通过国际招标、投入商业运营的交流传动内燃机车“捷力”型调车内燃机车在山东青岛的南车四方机车车辆股份有限公司竣工出厂，标志着我国交流传动内燃机车已进入批量生产阶段。

交流传动内燃机车是我国本世纪铁路机车发展的方向和主流机车。

2000年6月，由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的DF4DAC型交流传动内燃机车落成，该机车为客货运两用，它的研制成功标志着我国大功率内燃机车跨入了将全面实现交流化的新时代。

2002年，我国又推出了DFscJ型机车，它是交流传动重载货运内燃机车，既可满足单机牵引5000t、最高时速90km重载货运的需要，也可满足最大速度12okm/h的快捷货运需，是为满足我国铁路货运重载、快捷需求而开发的功率大、速度高、维护工作量少的理想牵引动力设备。

机车装用16V280zJB型R16V28oZJ，具有功率大、粘着利用率高、牵引力大、恒功速度范围宽、维护方便等优点。

该机车采用了许多新技术、新结构，例如：进口IGBT交流传动牵引变流器及其控制系统、交流辅机电传动系统、计算机控制系统、交流异步牵引电动机、千式冷却系统、柴油机电子喷射控制系统、承载式燃油箱结构、具有全功率自负荷试验功能的电阻制动系统等。

2008年7月2日，由中国北车集团大连机车车辆公司与美国EMD内燃机车公司联合设计制造的首台和谐3型大功率交流传动内燃机车货运机车，在大连正式下线。

这是北车大连机车车辆公司继批量研制和谐2型电力机车后，推出的又一款具有世界先进水平的货运机车。

未来十年将是我国铁路机车交流传动技术“十年转换”工程的关键时期，交流传动电力机车和内燃机车牵引运载装备将成为牵引动力主流。

通过与国外合资研发生产、引进技术，200腼lh及以上交流传动电力机车、内燃机车和动车组要达到产业化，交流传动电力牵引摆式列车技术在工程化上将有所突破，构成具有自主知识产权的摆式列车技术，满足既有线路客运进一步提速的要求。