电力牵引传动与控制技术的现状

电力牵引传动与控制技术的现状

　　电力牵引传动与控制技术的现状【1】

　　摘 要电力电子与电力传动技术在发展过程中伴随着传输功率的交流传动，本文回顾了电力牵引传动控制技术历史并揭示了这些技术的密切关系，重点在于研究我国目前的电力牵引发展情况和前景，旨在于让同行们加强交流，让电力牵引传动技术更好的服务于车辆装备和铁路机车制造业。

　　【关键词】电力牵引 交流传动 控制 电力 电子器件

　　在很早的时候，电气传动技术系统刚刚引入牵引机车的技术领域，第一台电力驱动的机车于1879年问世，两年后也就是1881年成功实现了城市电动机车的大规模铺开，西门子公司于1891发明了三相交流电源直接测试的电动机车，该机车使用的是线式转子异步牵引电动机，直到今天，单相交流供电的电力牵引与控制技术仍然在飞速的发展中，测试车辆的规模也日益变大。

　　交流变换技术系统规模过于庞大，能量转换效率低，电能转换机械能过程中的影响因素非常多，这样的电力牵引力不适用我国现有的铁路运输系统。

　　1955年，整流器的发明标志是机车电力牵引传动技术开始进入实践动态。

　　1957年可控硅整流器(即普通晶闸管)的发明，标志着电力牵引时代的出现，大功率电子硅整流技术广泛应用于机械传动系统，这个技术使机车传动和电力传动系统从内燃机-直流或直流电动机向交流电动机转变。

　　1965年，晶闸管的机车牵引动力系统出现了，各国的铁路运输系统广泛采用晶闸管电力传动系统。

　　大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和发展推动了微机控制技术，在20世纪70年代，交流-直流-交流的传动系统取代了交流-直流的传输模式，至今仍在不断的进行迭代更新。

　　1 科学技术的发展，交流电动机作为牵引电机具有独特的优势

　　(1)交流电机体积小，重量轻，功率大，小体积解决了安装时占用空间过大的问题，电动机的重量轻，减少地面设备的体积，有利于提高机车轮轨力，以满足大功率、高转速的高速动态要求。

　　(2)交流电机的速度和保持恒功率范围比较大，有利于实现通用式的机车以满足运输乘客和货物的需求。

　　(3)交流电动机没有换向器、电刷磨损和清除器等易损设备，提高了整个电力牵引传动系统的可靠性，降低制造成本和维护成本。

　　(4)交流感应电动机具有牵引性能优良的自然特征，有助于提高在复杂地形的利用率，更好地发挥电力牵引力的控制作用。

　　虽然交流电动机，特别是异步电动机具有特殊的优点，但在上世纪70年代之前，通过简单的控制的直流电机得到了广泛的使用，电力电子开关与晶闸管整流装置工艺的改进致使直流传动系统更加普及。

　　随着快速晶闸管基础的牵引电机出现，以快速晶闸管变流器为单元的内燃机滑动车组DE-2500内燃机车问世了，交流传动控制技术领域开启机车车辆设备的新纪元。

　　2 交流传输线控制优势

　　1983年，5台大功率BR120交流传输线控制的电力机车诞生于德国联邦铁路，BR120机车的总体布置、系统设计和参数选择更加优化，电路结构和材料的主要成分都有所更新，如卧式水平主变压器、牵引变流器、牵引电机空心轴和万向节等，在外观设计和辅助变流器上都成功地进行了尝试，建立了机车电力牵引设计和运行的基本模式，交流传动不仅优于直流电机，采用新技术后带来了更多的优势：

　　(1)机车广泛使用四象限脉冲变流器，大大降低电流谐波分量的电源网络，提高供电质量，提升通信信号的抗干扰能力。

　　(2)交流传动可以实现电网功率的高效能量转换，降低电网能量损耗，多方向的反馈结果是网络质量好，节能效果也很优异。

　　(3)前后机车牵引制动操作无需转换，开关位置的变化可以通过主电路控制，整个系统简单可靠。

　　发达国家已经进入大规模的轨道交通系统，交流传动的研究和开发，以及评估技术更新都完成的比较彻底，交流传动车辆取代了直流驱动产业，形成了自己的新干线，已经成为铁路运输的现代化符号，铁路管理实现高速发展。

　　在发展的过程中，发展电力电子器件的基本技术就是交流传动技术。

　　第一代机车采用快速晶闸管变流器单元结构复杂，效率较低，可靠性和可维护性都不突出。

　　GTO在80年代问世，之后大功率交流传动系统迅速应用于机车组，并且伴随着性能的改进。

　　在上世纪90年代，IGBT高压装置提高了电源转换器和更新的效果。

　　同时，控制发展进步的基础还是对交流传动的控制技术，目前有可控硅移相开关控制，脉冲PWM控制和四象限整流控制，还有磁场定向控制和直接转矩控制等。

　　微电子技术、信息技术和通信传输技术的进步也使控制装置从模拟数字电路转向复杂控制，并逐步使其操作简单化，现代网络控制的模块也在单片机和微处理器质量提升的推动下不断提高，发展为8位，32位和64位的浮点运算程序，每一点科技的进步都会大大提高电力牵引传动控制技术的处理能力。

　　这个庞大系统得益于电力电子技术的发展水平，牵引力的交流传动系统依赖于技术的革新。

　　3 我国机车电力牵引系统的发展与现状

　　1958年年底，我国生产的电力机车主表，即机车电力机车是前苏联的直流型电力机车为模型，根据中国铁路的规范研制而成，当时大功率电子器件还不成熟，整流器件是电力机车运行试验后通过环形铁路客车车辆。

　　1962年，前后共5个单元投入到宝凤线试运行，由于主要设备(调压开关、牵引电机等)技术和质量问题仍然存在，特别是引燃管整流难以达到实际使用的要求，因此电力机车不能大规模生产。

　　随后中国的发展工业、电力电子整流二极管的高功率开始进入实用阶段，机车电力牵引技术在该技术的基础上形成了新型电力机车，交流-直流电力机车大规模使用，从1969年开始直到1988年停产，共计826台，我国机车交流-直流电传技术在这个周期内广泛应用。

　　可控硅式装置使机车电力牵引传动技术上了一个新台阶，通过二极管整流级压力控制形成了最新型的电力牵引传动技术，在SS3型电力电路中使用调压变压器，在低压侧之间的牵引开关和相控晶闸管调压相结合的平滑调速技术，使机车获得更好的调速性能。

　　无级调压和交流-直流传动轴重载货运电力机车构成一个相控晶闸管的一系列产品，该型机车由2部分相同的4轴电力机车重新连接每个部分，使机车的性能和质量大大提高，成为我们的主要干线运输机车。

　　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，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

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　　[2]张波，杨万坤，李杰波.世界铁路牵引发展50年. 铁道机车车辆，2015(12).

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　　[4]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，2015(04).

　　高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真【2】

　　摘要：近年来，高速动车组的发展一方面适应了社会快速发展的新形势，另一方面也加快了人们的生活节奏。

　　为不断适应发展变化着的新形势，满足人们不断增长的新需求，需要对高速动车组牵引传动控制系统进行优化，从而推动我国交通运输事业的发展，促进国民经济稳步提升。

　　关键词：动车组;牵引传动;控制系统;仿真设计

　　高速铁路的快速发展，使得对高速列车的需求也在逐渐增长，并对其提出了更多、更高的要求。

　　虽然高速动车组在促进国民经济发展、社会进步和加快人民生活节奏方面发挥了重要作用，但在很多技术方面刚刚起步，尚未成熟，因此需要技术上的提升和系统优化。

　　对于高速动车组这一复杂系统，建立合理有效的高速动车组牵引传动控制系统显得至关重要。

　　本文主要分析了我国高速动车组牵引传动控制系统的发展现状以及高速动车组牵引传动控制系统的仿真方案。

　　1 我国高速动车组牵引传动控制系统的发展现状

　　1.1 牵引动力配置方式以动力集中方式为主

　　我国高速动车组的牵引动力配置方式主要有动力分散方式和动力集中方式。

　　动力集中方式是一种较为传统的电力牵引模式，使用历史久，技术相对成熟，而且使用的范围广泛，动力集中型动车组是由日本首创，近年在欧洲得到广泛推广与应用。

　　随着科学技术的发展进步，我国在动力分散型动车组的设计上取得了一定成就。

　　例如“中原之星”动车组、“先锋号”动车组以及CRH系列动车组。

　　“和谐号”CRH系列动车组，是由十六台三相异步牵引电动机均匀地安置在四辆动车的地板下，由每台电机驱动一根车轴，十六台电机共同合作就让整个动车组高速运行起来了。

　　但是动力分散型的技术仍不够成熟，还处在起步阶段，而且资金投入大、技术要求高，因此，我国高速动车组的牵引动力配置方式仍以动力集中方式为主。

　　1.2 我国高速动车组以直流传动制式为主

　　直流传动制式和交流传动制式是高速动车组牵引传动制式的两种方式。

　　在我国，主要铁路上的高速动车组，多数采用直流传动制式，对交流传动制式的使用较少。

　　相比，在国外，先进的科学技术使得交流传动制式的高速动车组具有显著优越性，市场前景广阔。

　　因此，多数生产厂商也已经停止了对直流传动机车的生产，多采用交流传动方式的牵引技术。

　　我国高速电动车组的发展由于技术的不成熟，缺乏创造性，对于交流传动技术的应用也才刚刚起步。

　　1.3 普遍采用微机牵引控制系统

　　我国铁路机车普遍采用微机牵引传动系统，但在较为传统的直流传动机车上仍然有大量的模拟电子控制系统。

　　随着科技的进步、网络的发展，网络技术对于交通运输事业也在发挥着越来越大的作用。

　　在列车通信网络快速发展进步的新形势下，我国的高速动车组也开始使用通信网络进行控制和信息的传递，例如，司机对列车的各种控制命令都可以通过列车通信网络传送到列车的各个部位，执行的结果也可以通过网络再反馈给司机，从而使司机更加全面、系统地掌控列车的运行，促进列车协调、稳定运行。

　　通过采用微机牵引控制系统逐渐形成对列车的分布式控制，是我国高速动车组牵引控制系统的现状。

　　2 高速动车组牵引传动控制系统的仿真方案

　　2.1 进行高速列车内外部环境仿真

　　列车的内部环境不仅包括牵引传动控制系统，还包括网络系统等，外部环境包括牵引供电系统、线路的地理条件和轨道等。

　　通过对内外部环境的仿真模拟，能够对列车在运行过程中可能出现的问题进行预测，并提前找到解决方案，避免实际运行过程出现差错，减少损失。

　　以青藏铁路为例，高原缺氧、低温、强烈的紫外线以及高原冻土是铁路运输所面临的外部环境，这些对列车的控制系统提出了更高要求，因此内外部环境的仿真有其必要性。

　　内外部环境的仿真模拟可以为牵引传动控制系统的优化提供保障。

　　2.2 进行三维视景仿真

　　随着数字化进程的发展，各行业信息化建设也加紧了步伐，铁路业也应紧跟时代步伐，为驾驶司机提供三维视景。

　　传统的二维视景数据单一、抽象，只能展现宏观的景象概况，在细节上有局限性。

　　而司机室三维视景仿真，能给司机提供丰富的环境信息，使司机更加清楚地了解在目前操作下，牵引传动系统的整体工作状态。

　　当三维视景达到最佳效果，司机的临场感也会大大增强，从而集中司机注意力，调动其积极性，提高工作效率。

　　2.3 高速动车组牵引变压器热仿真

　　牵引变压器是高速动车组牵引传动系统中的关键部件，列车运行过程中的安全性与其密切相关。

　　因此，为保障列车运行的安全性，需要研究高速列车牵引变压器的温度随列车实际运行发生的变化，对其进行冷却降温处理。

　　由于变压器具有复杂的结构，并且涉及对热学、电磁学等多门科学的同时运用，因此研究模拟较为困难。

　　但是预算和控制变压器内部的温升对于牵引变压器的研究具有重要意义。

　　为此，国内外的众多专家也做了很多研究。

　　变压器作为一个复杂的系统，各个参数之间的关系也非常复杂。

　　要想在列车运行中准确地计算出各个点的温度是很困难的，因此需要简化后再计算。

　　铁芯和绕组产生的损耗是变压器的主要热源，热量会由变压器内部传导到表面。

　　可以通过变压器内部油的对流，把来自铁芯和绕组的热量传给油箱壁，被加热的油箱壁通过周围的空气对流把热量散走，从而达到冷却变压器的目的。

　　做一个具有特殊形状、容易散热的冷却器，把变压器中的油利用油泵，打入油冷却器，冷却后再返回到油箱中，从而带走热量，为牵引变压器降温。

　　3 结语

　　伴随着经济的发展和科技的进步，我国的高速动车组取得了巨大进步。

　　但仍不够成熟，需不断开拓创新，引进国外先进技术，发现其中存在的问题，对牵引传动控制系统进行不断优化。

　　从而使我国铁路运输走向成熟，保障交通运输事业的健康、稳定和可持续发展，满足国民经济发展需求，为我国社会主义现代化建设做贡献，推动时代的进步。

　　参考文献

　　[1] 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).

　　[2] 曙光.铁路高速列车应用基础理论与工程技术

　　[M].北京：科学出版社，2007.

　　[3] 黄济荣.电力牵引交流传动与控制[M].北京：机械工业出版社，2009.

　　[4] 刘友梅.我国电力机车四十年技术发展综述[J].机车电传动，2006，(11).

　　铁路电力牵引供电接触网技术体系的研究【3】

　　[摘 要]从建国以来，我国铁路建设取得了飞速发展，近年来，动车、高铁的相继投入使用，更将我国轨道交通事业推上了高峰。

　　在电气化铁路发展的道路中，电力问题一直是困扰铁路安全运行的最重要因素。

　　随着技术的不断进步，电力牵引供电已经成为了目前电气化铁路的最重要供电方式，本文就电力牵引供电接触网展开探讨，将供电网技术体系中存在的安全隐患加以说明，并就当前电力牵引供电的安全性能进行相关分析。

　　[关键词]铁路;电力牵引供电;接触网

　　目前的电气化铁路建设，属电力供应是不可缺少的因素，但是如何保证安全有效的对列车的行驶进行电力牵引，一直是轨道交通研究人员急需解决的难题。

　　目前，电力牵引作为列车行驶的主要动力，其安全性能虽然较以往有了很大的提高，但是依然存在着一些问题，使我们在利用电力牵引为列车提供前行的能量时不得不小心应对。

　　一、 电力牵引供电

　　电力牵引供电系统指的是由牵引变电所和接触网两部分组成的供电系统。

　　这两部分中的牵引变电所将电力系统通过高压输送电线输送过来的电能进行降压和变流后处理再输送给接触网，以此来供给沿线路行驶的电力机车。

　　电力牵引之所以在轨道交通中被广泛的使用，是因为其有着突出的优点。

　　首先是电力牵引本身并不自带燃料，而是使用的二次能源，这在列车的行进过程中，能源可以得到充分的保障;其次是电力机车的总功率非常大，而且具有启动快、加速快、运输能力大、过载能力强等特点，而这些特点正好满足现代交通的需要，电力牵引供电在电气化铁路中广泛使用;除此之外电力牵引还有噪音小、污染少、节能高等突出的优势。

　　二、 电力牵引供电接触网存在的安全隐患

　　(一) 牵引变压器故障

　　牵引变压器故障是电力牵引供电接触网中存在的最为主要的安全隐患之一。

　　一般的牵引变压器故障主要发生在烧心、绕组绝缘套管等方面。

　　一般出现牵引变压器故障，会出现一些不正常的现象，比如噪音明显增大、音响发生异常等。

　　一般根据不正常的现象，可以大致判断是什么情况。

　　要是发生严重音响不正常以及噪音强烈等现象，一般都是牵引变压器发生了严重异常，这时候要及时做好处理。

　　要是牵引变压器发生着火现象，很容易引发爆炸，所以这时候一定要以最快的速度做出判断，先进行灭火处理，然后在施以相应的措施进行牵引变压器的接电处理。

　　(二) 高压短路器故障

　　在电力牵引供电接触网中，还会经常发生高压断路器事故，这种事故的发生一般有两种情况。

　　一种是电气回路不同造成的故障，还有一种就是机器部分的故障。

　　一般来说，电气回路造成的故障主要是因为电压过低、回路元件接触不良等原因，使得整个电力牵引供电接触网的电路不能进行流通，从而使得整个线路发生流通不畅的现象。

　　面对这样的情况，一方面要对回路进行检查，另外还要对回路元件进行检修。

　　机器部分造成的故障主要是指由于内部机械的运作问题而产生了回路不畅，解决这类问题的关键在于对机械设备要进行时常的维护和检修，确保整个机械能在电力牵引环境中正常运作。

　　(三) 隔离开关故障

　　隔离开关事件的发生主要是因为列车在行进过程中接触部分过热而造成，这类故障在夏天发生的概率远远大于冬天。

　　产生这类故障主要表现在两个方面，首先是瓷瓶的损坏会非常严重。

　　瓷瓶损坏会造成瓷瓶表面出现裂纹或者瓷釉大面积脱落，这种现象会造成放电，非常危险。

　　一般如果出现这样的情况，应该立即进行停电处理，待放电问题得到彻底的解决后即可恢复电力供应。

　　其次就是开关拉不开或者合不上。

　　出现这样的故障多半是操作机出现了问题，应该通知检修部门进行及时的检修处理，以免带来不必要的麻烦。

　　(四) 电压、电流互感器故障

　　电压、电流互感器故障也是电力牵引供电接触网中的常见故障。

　　表现主要有两方面。

　　首先是电压方面，主要是电压互感器二次空气开光脱扣所致。

　　这种现象大多是电压负路或者短路造成的，一般都会发生明显的警报，在警报发生后做好处理即可。

　　其次就是电流方面，在电流方面主要出现的问题就是二次回路开路;发热冒烟是其主要表现形式，所以一旦有发热冒烟现象，一定要做好相应的处理工作。

　　三、 电力牵引供电接触网的技术创新

　　(一) 设计更加安全化

　　随着技术的进步，电力牵引供电接触网的设计在安全方面有了非常大的突破，首先表现在牵引变电子系统能够满足可靠、稳定的供电质量要求。

　　这与以往的电力牵引供电接触网相比，其安全性得到了进一步的提升，因为满足了更为稳定的供电质量需求，所以在使用中可以有效的避免一些因为供电不稳而造成的故障。

　　其次是供电调度子系统能够实现电力牵引供电系统的全方位的监控和信息化管理。

　　目前的社会信息化要求特别高，在电力牵引供电接触网中应用信息化管理手法进行全方位的监控，可以第一时间就轨道系统的供电情况进行了解，从而可以避免一些突发意外。

　　最后就是接触网子系统满足了受流良好的弓网关系要求。

　　因为在整个系统中，由于接触网的存在才能形成供电的回路，受流良好的接触网可以使得整个电力系统运行更加流畅。

　　(二) 坚持系统集成创新，满足我国现代化铁路需求

　　因为整个铁路电力牵引供电接触网是一个完整的系统，所以在进行整个系统的设计时，做好系统集成创新，可以有效的提高整个系统的运行功能。

　　在系统集成创新方面，为了满足我国现代化铁路的建设需求，在系统的接口设计中采用了高铁工程电力牵引供电设计的关键技术，使得电力牵引供电与铁路内部的路基、桥梁等各个接口，在避免原有工程遗漏、误差的基础上，进行全方位的整合，使得整个系统的接口严密而运行流畅。

　　系统的流畅性也进一步确保了整个系统运行的安全性。

　　结束语

　　铁路系统作为我国交通运输事业的重要组成部分，其运行安全和效率与我国人民的社会生活有着直接的联系。

　　铁路电力牵引供电接触网作为我国铁路运行的基本保障，其安全性受到社会各界的关注。

　　所以在铁路电力牵引供电接触网的设计上，积极改进，推陈出行，设计出安全性高、集成化好的接触网，避免系统运行中的故障，对于我国轨道交通乃至整个运输事业意义重大。

　　参考文献

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　　[3]王.高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究[D].西南交通大学，2007.

　　[4]郑学贤.高速铁路接触网ATP建模及防雷保护研究[D].华东交通大学，2013.

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