电力牵引传动系统

目录

1. 概述 (1)

1.1 电力牵引的特点 (1)

2. 电力机车的传动方式 (2)

2.1 直-直流传动 (2)

2.2 交-直流传动 (3)

2.3 直-交流传动 (3)

2.4 交-直-交流传动 (4)

3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4)

3.1 交-直传动技术的发展 (4)

3.2 交流传动技术的发展 (5)

4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6)

5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)

1.概述

1.1电力牵引的特点

电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面：

1、电力机车的功率大

内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。

2、电力机车的效率高

由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。

3、电力机车的过载能力强

机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。

4、电力机车的运营费用较低

（1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑；

（2）整备距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率；

（3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。

一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。

此外，由于电力机车运行过程中不污染环境，对于大型铁路枢纽站及隧道长

而多的线路而言，其意义重大。

缺点：

（1）对通讯方面所带来的谐波干扰问题；

（2）相控调压所引起的功率因数较低的问题；

（3）离不开牵引变电所和接触网等沿线的供电设备，使其机动性较差，且线路电气化投资较大。

一般在客货运输特别繁忙的主要铁干线，线路坡道陡、隧道多又长的山区铁路干线，大运量的集中运煤专线，适宜采用电力牵引。

2.电力机车的传动方式

电力牵引传动系统基本原理如图2-1所示，电力机车通过受电弓与接触网相接触来获取电能，直接从接触网获取的电能是电压为25KV，频率50Hz的工频单相交流电，此电压等级和频率等还不能满足电力机车牵引传动的需要。电力机车上还安装有主变压器将高压电变换为中压电再传送给牵引传动调速系统（动车组牵引传动调速设备主要为牵引变流器），牵引传动调速系统通过改变电压大小（直流传动时）或者交流电频率（交流传动时）来改变牵引电机的转速。

图2-1

轨道交通车辆电力传动方式按接触网和牵引电动机所采用的电流制进行分类，分为：（1）直-直流传动；（2）交-直流传动；（3）直-交流传动；（4）交-直-交流传动。

2.1直-直流传动

由直流接触网供电，机车采用直流牵引电机。直流电经直流变换器（DC-DC）向直（脉）流牵引电机供电。

2.2交-直流传动

由交流接触网供电，机车采用直流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电，向直（脉）流牵引电机供电。

2.3直-交流传动

由直流接触网供电，机车采用交流牵引电机。直流电经晶闸管或其他新型电力电子器件构成的逆变器将直流电转换为可调压、变频的三相交流电，再向交流牵引电机供电。

2.4交-直-交流传动

由交流接触网供电，车辆采用交流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电（中间直流环节），再经逆变器将直流电转换为可调压、变频的三相交流电，向交流牵引电机供电。

3.我国机车电传动技术的发展与现状

3.1交-直传动技术的发展

1958年底，我国试制出第1台干线电力机车，即6Y1型电力机车。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型电力机车未能投人批量生产。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——SSl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，使我国机车电传动技术进入到交-直传动时期。

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。

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，是我国相控机车的“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型等机车的先进技术，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。

3.2交流传动技术的发展

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A C4000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。

铁路运输作为我国中长距离，大运量、安全、低耗、环保、快捷的运输形式已成为交通运输体系中的重要组成部分，在国民经济中占有非常重要的地位。尤其是铁路客运，运能不足的矛盾已经非常突出，铁路旅客运输现状己成为制约国民经济发展的瓶颈。我国引进国外动车组:CRHI,CRH2,CRH3和CRH5;为了我国高速铁路事业实现跨越式发展，按照“全面引进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的原则引进国外先进、成一熟、经济、适用、可靠的设计、制造技术，为满足我国铁路客运专线和既有线提速旅客运输要求，实现我国铁路动车组制造业的现代化。

4.动车组的牵引传动系统的现状

牵引技术的现状可从以下五个方面来看：

（1）牵引传动制式。牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上都是采用交流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。

（2）动力配置方式。按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。

欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。

（3）运行速度等级。我国已经有了120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级以及300km／h的电力机车或动力分散型动车组。160km／h及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250km／h及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。

（4）车载牵引功率。车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW(SS4型机车)，单轴功率最大为900kW(SS8型机车)；交流传动机车的车载总功率最大为7200kw(SSJ3型机车)，单轴功率最大为1200kW(“中华之星”动车组)。作为单轴1200kW的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。

（5）牵引控制系统。我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统，但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。

以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。根据上述分析，可以说我国铁路在牵引的技术方面已经基本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度和产品的可靠性方面需要进一步提高。总的来说目前在牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组——和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。

交流传动电力机车具有如下优势

(1)良好的牵引性能:合理的利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，另外调节调频特性能使机车和动车组启动时发出较大启动转矩。

(2)电网功率因数高、谐波干扰小:在交直交电力机车和动车组上，其电源侧变流器可以采用四象限脉冲整流器，它通过PWM控制方法，可以调节电网输入

电流的相位，使所取电流接近正弦波形，并能在广泛的负载范围内使机车和动车组的功率因数接近于1，这在减少对通信信号的谐波干扰方面和充分利用电网的传输功率方面都有很大的意义。另外，四象限脉冲整流器能很方便地实现牵引和再生之间的能量转换，取得显著的节能效果。

(3)牵引系统功率大、体积小、重量轻、运行可靠:由于异步牵引电动机转速可达4000 r /min，利用了直流电动机换向器所占的空间，所以交流电动机能够做到功率大、重量轻，与带换向器的直流(脉流)电动机相比，其单位质量功率(kW/棺)是直流电动机的3倍。在列车车体提供的空间范围内，异步电动机的功率可以达到1400^-2000 kW。另外，交流电动机没有换向器和电刷装置，机车和动车组主电路系统又可以省去许多带触点电器，故障率低易于维护，进一步提高了机车和动车组运行中的可靠性。

(4)良好的牵引特性:由于交流异步电动机有较硬的机械特性，有自然防空转的性能。三相交流异步电机对瞬时过压和过流不敏感，不存在换向器和火花问题，在启动时能在更长的时间内发出更大的转矩。特别是牵引电机控制采用矢量控制或直接转矩控制策略，可以实现大范围平滑调速，适合当代动车组高速牵引、机车重载牵引的要求。

5.电力牵引传动系统网侧原理图

网侧原理电路图