交流电力传动技术的现状和发展.doc

1、交流电力传动技术的现状和发展内容 摘要为了资源能效并保护环境，实现高速和重载运输，促进国民经济的可持续发展，在轨道交通运输领域，具有优异运行性能和显著节能效果的电力牵引交流传动系统应用越来越普遍，而交流传动传动控制技术是高速和重载车辆必须的技术配置，是高速铁路和重载货运发展的基础，也已成为衡量一个国家铁路技术水平的重要标志。本论文从电力牵引交流传动系统的基本结构出发，大致介绍了国内外交流电力传动技术的发展历程，详细分析了系统核心部件牵引变压器、变流器、牵引电动机以及对之进行控制的控制系统的的研究现状和发展历程，最后研究了我国的交流传动控制技术发展及未来展望。关键词：交流传动与控制 结构与原理

2、现状与发展 ABSTRACTIn order to improve the efficiency of resource，protect the environment，realize the high-speed and heavy transportation，and promote the sustainable development of domestic economy，in the area of rail transportation， the electric traction AC drive system， which has excellent core compone

3、nt and eminent effect of energy-saving， is being increasingly prevalent applied in practical condition .Meanwhile， AC drive control technology，a imperative technology about high-speed and heavy transportation and a fundamental of high-speed train and heavy freight transportation， becomes a significa

4、nt sign to judge a countrys ability of transportation.This essay is base on the basic structure of electric traction AC drive system，and， roughly，introduces the development about electric traction AC drive system all over the world . also，it explicitly analyses the core components，including transfor

5、mer, converter, and traction motor，and the related current research and development about its control system. At last，it discusses the development and prospect about AC drive control technology in our country.KEY WORDS: AC drive and control structure and principle current status and development目 录2引

6、言 .4一、电力传动控制系统的基本结构和工作原理 .4二、牵引变压器 52.1 发展历程 .52.2 变压器铁心及绕组结构的技术现状 62.3 发展展望 .7三、变流器 .83.1 变流器的发展 83.2 交流传动牵引变流器的技术现状 93.3 发展展望 .9四、牵引电动机 104.1 发展背景 .104.2 发展历程 .104.2 未来展望 .12五、控制系统 135.1 机车交流传动控制系统的发展 .135.2 机车交流传动系统的现状 14六、我国交流电力传动的展望 15交流电力传动技术的现状和发展3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

7、，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SS4SS9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

8、对电力机车控制技术的投入, 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。国内外在发展机车传动控制的过程中，机车传动方式从液力传动发展至以电力传动为主，并且电力传动形式也在人类的探索中不断改变，从直流直流到交流直流，再到交流直流交流。为了满足对效率的追求，而逐渐演变成了对交流传动机车的研究。一、电力传动控制系统的基本结构和工作原理电力机车牵引传动系统主要由受电弓（包括高压电气设备

9、） 、牵引变压器、脉冲整流器、牵引逆变器和牵引电机等组成。1.1 牵引变流器采用新型大功率半导体器件，从最早的晶体管发展到 GTO、IGBT、IPM，以至于 IGCT。牵引变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。随着变流器的模块化、系列化和小型化，出现了将牵引变流器与辅助变流器和列车供电变流器统筹考虑、集成设计、制造的新态势。牵引变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却效率高、体积小、易于维修、不污染环境，4目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水冷、沸腾冷却和热管冷却。1.2 主变压器是牵引系统中质量、体积最大、耗能最多的部件。尤其在动力分散式高速列车组中，由于要求启动加速功

10、率和再生制动功率大，而安装空间又有限，所以主变压器损耗占到总损耗的 30%。因此，减轻质量、减小体积、降低损耗一直是主变压器技术发展的目标。近代，随着电子技术的发展和高温超导线材性能的提高，出现了两种新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器它们与传统的工频变压器完全不同，具有质量轻、体积小、效率高的特点。1.3 牵引电动机现代高速动车组大多采用三相交流异步牵引电动机，与直流电动机相比，它具有质量轻、功率大、机构简单、运用可靠、寿命长、维修简便的特点。近代开发的永磁多极同步牵引电动机由于可实现很高的转矩密度，从而有可能实现无传动齿轮的直接驱动，与带传动装置的异步牵引电动机相比，它具有损耗低、质量

11、轻、噪声小、无油泄露等优点。很有发展前途。列车受电弓从接触网获得 AC25000/50Hz 电源，为了满足列车牵引特性的需要，牵引电机需要电压频率均可调节的三相交流电源。受电弓将接触网的AC25kV 单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压输出 1500V 单相交流电共给脉冲整流器，脉冲整流器将单向交流电变成直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压 0V-2300V，频率 0Hz-220Hz 可控的三相交流电供给牵引电动机。二、牵引变压器2.1 发展历程自 1958 年试制成功我国第一台 SS1 型干线电力机车牵引变压器以来 , 国内企业先后研制成功 SS3SS9, TM1,DDJ1 等

12、 12 种交直传动电力机车用牵引变压器。并在近十年内相继开发研制了 AC4000,DJ,“蓝箭”, “奥星”, “先锋号”,“中原之星”, “中华之星”,“天梭”, “SSJ3”等 10 余种交流传动机车及动车组用牵引变压器。通过国内相关工程技术人员的努力,牵引变压器设计、制造技术取得了较大发展, 满足了电力牵引总体线路对牵引变压器的要求, 满足了我国电力机车及动车组用户的要求, 为我国电气化铁路的发展作出了重大贡献。我5国电力牵引变压器设计及工艺技术起源于 20 世 纪 50 年代从前苏联引进的 6Y2 机车牵引变压器技术, 代表产品为 SS1 型电力机车用 TBQ1 型牵引变压器。该变压器

13、为立式结构, 采用铜管冷却、车内进风等技术。经过不断的技术改进, 基本上形成了一个初步技术平台。20 世纪 70 年代后期经过自主创新及技术升级等艰难过程, 完成了 SS2,SS3 型机车牵引变压器的研制, 此阶段为牵引变压器发展的初始期。80 年代, 随着我国改革开放, 铁路发展加快, 市场需求增加, 牵引变压器技术进入了其发展壮大期, 国内相继研制成功 SS4 系列货运机车用 TBQ4 系列变压器、SS5 型机车用 TBQ5 型变压器及 SS7 系列机车牵引变压器。90 年代完成了交直牵引系列牵引变压器研制, 包含 SS6,SS7,SS8,SS9 等型机车系列牵 引变压器产品。 90 年代

14、中期开始了交流传动牵引变压器 产品的研制, 先后研制成功 AC4000,DJ,DJJ 等机车用 10 种交流传动牵引变压器。21 世纪初期我国引进了 DJ1 型 机车及 ABB 公司的技术, 牵引变压器设计及制造技术得到快速发展, 平均每年有两个以上新品种面世。2.2 变压器铁心及绕组结构的技术现状近几年电传动技术不断发展, 牵引变压器作为电传动 系统关键部件日益向轻量化、小型化、高可靠性方向发展。目前我国牵引变压器铁心及绕组有以下 4 种典型结构:(1) 心式铁心 + 混合线圈结构 ( 层式线圈 + 饼式线 圈) 。这种变压器结构比较新颖, 综合了层式线圈和饼式线圈的优点, 解决了饼式线圈空

15、间漏磁屏蔽问题及层式 线圈的绝缘强度问题, 加上合理的内部结构布置, 具有重量轻、尺寸小的特点。我们曾经用饼式线圈、层式线圈、混合式线圈对 SS9 独立通风型机车变压器进行过优化求解, 采用穷举法, 对所有方案进行优化筛选, 发现混合式线圈结构在重量上有 5%10%的优势; 在尺寸方面有 2050mm 的高度优势。(2) 心式铁心 + 饼式线圈结构。从 20 世纪 90 年代末期开始, 国内尝试采用饼式线圈结构, 从 AC4000 交流传动车开始设计了 5 种以上型号的饼式线圈变压器。其主要特点为: 采用心式铁心和饼式线圈。该变压器有阻抗大, 冷却效果好、制造简单的优点, 如线圈只需一种垫块。

16、中华之星等车上使用的牵引变压器使用的就是这种结构。但是, 该变压器重量指标不是很优越, 而且空间6漏磁大, 屏蔽问题不好解决, 会增加变压器的损耗和重量。(3) 心式铁心+ 层式线圈结构。1986 年我国从欧洲引进的 8K 型机车用变压器采用这种结构, 在国内 DDJ1 等机车变压器采用该方案。该种变压器有冷却效果好, 制造简单, 重量指标优越的特点。但是, 该变压器存在层间电压过高, 变压器高压线圈电气强度差, 端部涡流损耗偏大的缺点, 在我国大同西机务段使用的 8K 型机车变压器曾多次发生层间击穿故障。如果能够正确处理高压线圈层间绝缘问题, 可以将该种牵引变压器推广应用。(4) 壳式变压器

17、结构。该变压器采用壳式铁心, 饼式线圈 , 具有高度小、尺寸小的特点, 空间漏磁问题容易解决, 结构紧凑, 重量也较轻。以 SS7 型机车、200km/h 电动 车组变压器为代表, 其重量指标小于 1kg/kVA。该技术在日本应用比较早, 而且比较成熟。该技术适应于牵引绕组 比较少的电路, 否则退耦问题不易解决。2.3 发展展望 (1) 轻量化、小型化 对于高速客运牵引机车, 车体底架相对轨道的高度受到严格限制, 重量指标非常重要, 而且在长度及宽度方面也存在许多技术约束, 所以其牵引变压器面临的主要问题是如何缩小体积, 减轻重量。目前须就如何减少体积及重量进行研究, 不断地进行优化设计, 尽

18、量满足总体技术要求。(2) 一体化结构现在的牵引变压器内部安装各种电抗器等电磁部件, 甚至还有各种互感器存在, 所以牵引变压器是一个集成的概念 , 内部需要解决安装空间、电磁兼容、联结等许 多系统集成问题。这就需要采取较好的一体化设计思路。(3) 大容量化 交流传动技术经过几十年发展已经非常成熟。 20 世 纪 80 年代初, 一台轴式为 BO-BO、质量为 84t 的三相交流机车功率为 5600kW, 单轴功率 1400kW, 机车单位质 量功率达 67 kW/t; 现在研制出的 BO-BO 轴式、质量 86 t、 持续功率达 6400kW 的异步牵引传动电力机车, 其单轴功率达 1600k

19、W, 机车单位质量功率接近 75kW/t。这时摆在牵引变压器研究者面前的任务就是如何进一步提高牵引绕组容量或者整个变压器容量。所以, 在满足要求的前提下提高变压器容量是变压器进一步发展的方向。(4) 高可靠性牵引变压器可靠性影响到整车及铁路系统运行, 所以将来在如何提高可靠性方面要开展进一步研究, 其主要内容包括部件可靠性 , 结构可靠性, 7材料可靠性, 安装可靠性等。旅客捷运系统将是国内第一套无人驾驶全自动运营的城市轨道交通系统。(5) 环保化 随着社会不断进步 , 环境保护越来越受到关注 , 变压器环境保护方面的问题主要有三个: 第一为噪声控制, 第二是变压器油的污染问题, 第三为电磁污

20、染问题。所以在将来如何降低噪声污染是一个大的研究课题, 在变压器油方面将采用可以降解的变压器油为主线, 同时还必须采取措施解决电磁污染问题。(6) 智能化 以往牵引变压器保护环节少 , 监控困难 , 给使用及检查带来一定困难。随着计算机技术的发展, 使复杂的变压器数据采集及处理问题变得越来越容易实现, 从而大大促进了牵引变压器监控技术的成熟与发展。大量的电子技术及数控技术将得到广泛应用, 实现多渠道对变压器 数据现场监控, 保证牵引变压器安全、稳定运行, 并且达到节能的目的。三、变流器3.1 变流器的发展1971 年，德国 BBC 公司研制成功世界上第 1 台交流传动机车 采用 晶闸管电压型逆

21、变器 DE2500 型交流传动内燃机车，其优越的牵引性能很 快被铁路运输部门认可。随后，由 1 台 DE2500 型机车加挂 1 节控制车，对采用四象限变流器供电的电力机车的电气性能加以确认，进而研制出第一代交流传动电力机车 采用晶闸管牵引变流器 (包括四象限变流器和 PWM 逆变器)的 E120型机车，奠定了当代交流牵引传动系统的技术基础。从此，轨道车辆电传动系统进入了从直流传动到交流传动的产业升级换代时期，并经历了晶闸管牵引变流器、G TO 牵引变流器、 IGBT( IPM)牵引变流器三个发展阶段。随着微电子技术和计算机控制技术的发展,牵引变流器控制装置也由最初采用数模电子电路发展到采用

22、16 位微机控制系统和 32 位微机控制系统，且控制性能不断得到改进和完善。我国发展交流传动机车起步较晚，但 10 年来研制步伐有所加快, AC4000 交流传动电力机车的研制成功，使我国交流传动机车实现了零的突破，奠定了我国发展交流传动牵引变流器的技术基础。特别是 1998 年铁道部提出并实施“十年转换”工程以来，先后研制出采用 IGBT 牵引变流器的 DWA 型地铁工程维护车、采用 IPM 牵引变流器的 NJ1 型内燃机车和 DJ 型高速交流电力机车，8使我国交流传动机车技术跨上了一个新台阶。3.2 交流传动牵引变流器的技术现状 交流供电的电力机车、电动车组主变流器基本电路原理由四象限变流

23、器和 PWM 逆变器组成的电压型牵引变流器已成为交流供电的电力机车、电动车组主变流器的基本电路形式,通常至少包括 5 个相构件和支撑电容。四象限变流器的主要作用是将单相交流电压变换为中间直流电压,且控制中间直流电压保持恒定，同时使输入电压和输入电流相位近似同相 (制动工况下近似反相 ),变流器输入功率因数接近 1,改善电网功率因数。逆变器的作用是把中间直流电压变换成三相交流 电压，为异步牵引电动机提供可调频率和可调幅值的三相交流电源，同时通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩。因此,异步牵引电动机的驱动性能除了取决于自身的电气、机械性能以外还取决于逆变器。提高逆变器的开关频率,实现

24、高动态性能控制技术(如磁场定向控制和直接转矩控制 )，有利于异步牵引电动机表现其优秀的牵引性能。为便于模块化、标准化生产，同一台牵引变流器的 四象限变流器 PWM 逆变器采用相同的相构件,因此,相构件参数的设计应综合考虑四象限变流器和 PWM 逆变器的设计要求。四象限变流器的交流输入电压变化范围不大且直流输出电压基本恒定,其容量主要由输出功率决定，设计时应考虑牵引变压器与逆变器之间的参数匹配;而逆变器的容量除了与输出功 率有关之外,还与牵引电动机的启动转矩 (电流 )、恒功区宽度有关，设计时应考虑逆变器与牵引电动机之间的参数匹配。3.3 发展展望目前，机车电力牵引用 GTO 变流器仍采用 DS

25、C 方案，而 IGBT 和 IPM 等，除了仍可采用 DSC 方案外，一些发达国家的机车已采用了 ISC 方案。该方案是 DSC 的新发展，它建立在圆形磁场的基础上，充分利用了开关器件的高开关频率，减小了电流谐波，提高了控制性能，典型代表有 ADtranz 的 MICAS-S2(采用 DSC 方案 )和 MITRAC(采用 ISC 方案 )。为了改善谐波， DSC 还发展出了磁链轨迹的异步折角控制和同步调制两种补充方案，它可有效地消 除谐波对接触网和异步牵引电机的影响。DSC 具有广泛的适应性，即使就通用变频器而言，采用普通的 DSC,引入低速磁链补偿，即可满足应用要求。其方案比 V /f 控

26、制还简单，而性能远优于 V /f 控制和矢量控制。无速度传感器的 DSC 虽比无速9度传感器矢量控制起步晚，但其研究进程远快于矢量控制，正在向产品 化方向发展，无需太长时间，即可应用于电力牵引领域。各种 DSC 的新老方案都紧紧围绕着电机的定子磁场定向和电机转矩这一核心提升控制性能，DSC 在 电力牵引领域表现出的发展态势是其他控制方法无可相比的。基于 DSC 的电力牵引交流传动系统将越来越广泛地应用于铁路机车车辆。四、牵引电动机4.1 发展背景我国铁路交流传动技术的发展，经历了由同步牵 引到异步牵引，从 22 kW 小功率到 1 224 kW 大功率， 从模拟试验到交流传动机车问世这样一个不

27、断探索的 过程，整整两代人为之付出了艰苦的努力。如今，我们 基本上掌握了中大功率异步牵引电动机设计、制造、试 验的一整套技术，终于拥有了具有自主知识产权的交 流传动的电力、内燃机车。这是我们应当引以为荣的。4.2 发展历程4.2.1 早期发展阶段（19 世纪 90 年代至 20 世纪 50 年代初） 18911892 年德国西门子公司试验成功了三相交流 电源直接供电的最早的绕线式转子异步牵引电动机。1898 年德国西门子公司在一台两轴车上安装了变 压器，并由三根架空线提供 10 kV、 50 Hz 的三相交流电。该车采用了三相绕线式异步牵引电动机。1903 年德国试验线上交流传动车辆的最大速度

28、达到 210 km/h，采用的是绕线式异步牵引电动机。1917 年 德国试制成功采用 “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，采用的是三相异步 牵引电动机。1943 年匈牙利国铁定购的机车和 1955 年法国国营 铁路的一台样车上都装有旋转变频机组，但由于系统 结构复杂、机组体积庞大，这 2 种机车都没有继续发展 下去。1955 年水银整流器机车问世，标志着电力牵引电 传动交直技术实用化的开始，使电力牵引交流传动技 术的早期发展阶段终告结束，用于交流传动的牵引电 动机的研制也告一段落。4.2.2 近代发展阶段（20 世纪 60 年代以来） 1964 年分谐波控制的逆变器（

29、即现在的脉宽调制 逆变器）的出现使电力牵10引系统发生了根本性的技术 革命，交流传动技术发展进入了一个新的时代。1971 年德国研制成功第 1 台交流传动内燃机车 （DE2500） ， 采用三相异步电动机。19801987 年间研制了 4 台 DE2500 交流传动内燃机 车（德国） ， 改装了12001 交流传动电力机车（瑞士） ， 对不同供电方式下的 PWM 逆变器异步牵引电机系统 在转差电流控制下的机车性能进行了多方面的试 验，结果向世人展示了交流传动系统的意想不到的优 越性，这些机车采用的是三相异步牵引电动机。1983 年研制成功 BR120 型交流传动干线电力机车， 这是交流传动机车

30、发展史上的一个重要里程碑，标志 着交流传动技术走向成熟阶段，其采用了三相异步牵 引电动机。1988 年德国西门子 ICEV 动车创造了 407 km/h 的世 界第一速，采用的是三相异步电动机。80 年代至今，随着磁场定向控制和直接转矩控制 等交流传动控制技术的发展，德国、法国、日本、美国 等各国已研制出多种型号的交流传动电力机车、交流 电传动内燃机车和高速电动车组。4.2.3 我国交流牵引电动机的发展 我国交流牵引电机伴随着交流传动技术的研究始 于上世纪 70 年代初，当时只进行一些理论研究和地面 试验，采用过交流异步电动机和同步电动机。上世纪 90 年代我国由南车株洲电力机车研究所有 限公

31、司和铁道部科学研究院共同研制的、功率达 1 000 kW 的电力牵引交流传动系统获得成功，采用的 是交流异步电动机。在此基础上，由南车株洲电力机车有限公司和南 车株洲电力机车研究所有限公司于 1996 年共同研制的 我国第 1 台 4 轴 4 000 kW 交流传动电力机车（原型车）诞 生。该车以 AC4000 命名，采用 JD103 型三相异步电动机， 标志着我国电力机车进入交流传动时代。1999 年 9 月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，采用 JD108 型交流异步牵引电 动机，标志着我国内燃机车进入交流传动时代。2000 年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最

32、大、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 “蓝箭号”诞生，它们采用11的是 三相异步电动机。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 2 台 DF4D AC型交流传动内燃机车落成，该车 与后来的 SSJ3 型电力机车均采用交流异步电动机。2001 年 5 月由浦镇车辆厂研制的“先锋号”动力分 散型动车组，采用JD106S 异步牵引电动机。2003 年戚墅堰机车车辆厂研制的 2 台 DF8CJ 交流内 燃机车采用 JD123 交流异步牵引电动机。2004 年以来通过引进国外高速重载、高速动车的 先进技术，立足国内，自主创新，已取得了实质性的成

33、 果，将我国交流传动技术和交流牵引电机技术提升到 国际一流的水平，我国交流牵引电机研发与发达国家的差距 大大缩小，使我国交流牵引电机研制真正进入一个新 时代。4.3 未来展望4.3.1 异步牵引电动机 异步电动机正在向大功率、高效率、高精度动态化控制方向发展。异步电动机单位质量功率密度向大于 1 kW/kg 方向发展。驱动系统向采用新型驱动系统方向发展，即带齿式联轴节无 抱轴箱结构、带齿式联轴节有抱轴箱结构、带抱轴箱 无齿式联轴节结构。目前的 CHR3 高速动车电机驱动系 统就是采用弧形齿联轴节无抱轴箱的结构。另外据资料介绍采用非晶体金属钢片可以降低电机损耗 60%，这也是牵引电机磁性材料研究

34、发展的方向。电机控制技术正在向无速度传感器方向发展，这 样可减少电机的体积和传感器的故障率，降低购买昂 贵传感器的费用，节约电机成本，大大提高电机控制 精度和控制单元的可靠性。目前无速度传感器异步电 机控制已成为交流控制的热点，国际上和我国南车株洲电力机车研究所有限公司已攻克技术上难题，正在 进行工程化应用研究。永磁同步牵引电机驱动的直接传动技术 这种方式采用永磁同步电动机作为牵引电机，利用无齿轮传动的交流传动取代目前复杂的机械传动，这是目前交流传动领域牵引电机一个发展方向。4.3.2 永磁同步电机与异步电机相比，永磁同步电机体积小、重量轻、 功率密度大、效率高、12功率因数高，转速平稳、过载

35、能 力强、可靠性高等优点满足直驱电机转速低、电机极 数较多的要求。永磁同步牵引电机采用全封闭自冷的结构，可提 高电机防护等级，降低故障维修，降低电机噪声，使用 寿命长。永磁同步牵引电机在直接传动上的优点：直接传动的创新是将轮对轴承和牵引电机的轴承集成为一个 共用轴承。这种共用轴承是适合于较大圆周速度的滚 动轴承，可减少易损件数量而提高可靠性，减轻了车 辆总体重量并提高传动效率，也是对传动轮对轴承的 进一步发展。永磁同步牵引电机不需要传动齿轮、联轴节和机 械制动装置，旋转重量减轻，也就避免了传递损耗、噪声、维修等问题。不需要齿轮润滑液，无油直接传动系 统减小了转向架和钢轨的维护。这些优点及特点，

36、有助于保证 车辆的制动安全，而且绿色环保，非常适合于轨道交通领域。五、控制系统5.1 机车交流传动控制系统的发展现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器 件不断问世，为交流传动奠定了坚实的物质基础;控制 理论 (交流传动系统的重要武器 )的逐步完善大大提高 了交流传动系统性能;现代信息技术日新月异的发展， 为控制系统技术的进步提供了保障;交流电机自身无 可争辩的优势，是拓展交流传动系统的良好基础。在机 车车辆行业，交流传动的优越性得到了充分的体现。在 历经技术准备期 ( 1970 1979 年 )，技术成熟期 ( 1980 1987 年 )，品质提升期 ( 1988 年以后 )之后，西方发达

37、 国家已将牵引动力转向交流传动。我国历经 30 多年的 技术开发，取得重大进展。尤其是启动具有战略意义的 “十年转换”工程以来，技术开发获得突破性进展，技术 水平跃上新台阶，交流传动机车车辆产品日益增多。近 两年来，先后研制成功了 N J1 型内燃调车机车、 DWA 型地铁工程维护车、 D J 型高速客运电力机车、 DJJ1 型 高速电动车组等，形成了交流传动系统发展与应用的 热潮。机车控制系统作为交流传动系统的核心之一，对系统性能的保证和提升起着至关重要的作用。控制系统除了满足交流传动系统的基本特征要求外，不断提升技术性能、完善控制功能、优化拓扑结构是其发展的趋势。这从第 1 代交流传动机车

38、应用数-模电子控制装置、转差-电流控制方法，到现代微机数字化、模块化、网络化控制系统，以及高性能的磁场定向控制或直接转矩控制方法的实现便可看出。135.2 机车交流传动系统的现状 现代机车车辆要求交流传动系统有宽广的调速范围和较大的功率等级。机车、动车的典型牵引 /制动特性 ( F- V 曲线 )包含了恒转矩启动区和恒功率运行区。前者可以保证必要的机车车辆的启动加速度，满足旅客舒适和运输安全的要求;后者使设备容量得以充分利用。此外，为了更好地利用牵引电机的有效材料和提高电机动态响应能力，在启动阶段应采用恒磁通控制。经过前期的技术探索，由交直交 (或直交 )电压型变流装置和鼠笼式异步牵引电机构成

39、的交流传动系统已成为特定的技术方案，满足现代机车车辆的性能要求。在电力机车和电动车组中，电传动系统主电路主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、三相交流牵引电机等组成。该系统 3 个主要环节: 网侧四象限脉冲整流器实现功率调节， 电机侧逆变器实现频率变换，异步牵引电机和机械传 动部分实现机电能量转换。四象限脉冲整流器将交流电进行交直变换，输出直流电能，它一方面从电网有效地吸收或反馈所需能量，稳定中间直流环节电压;另一 方面，提高网侧功率因数，降低谐波电流。在异步牵引电机中，转矩和转速的输出与磁场空间矢量的幅值和 同步旋转角速度存在着必然的联系。因此为了在整个调速范围内，各运行转速下都能

40、输出所需的电磁转矩， 必须给牵引电机施加适当频率和幅值的端电压 这就是逆变器所完成的基本任务，实现变频调速功能。内燃机车主电路由柴油机、主发电机及整流器、电压型逆变器和牵引电动机组成。由闭环调节主发电机励磁电流实现中间环节电压的控制;逆变器同样完成直交能量转换和变频调速的基本功能。在直流供电的地铁车辆中，主要由电压型逆变器和牵引电动机构成交流传动系统。其基本任务与上相同。由此可见，不同的车型，交流传动系统的拓扑结构有所不同，系统特性和要求各具特色。因此其控制系统须采用相应的能量变换的控制方式。综合而言，控制系 统应以机车车辆的特性要求为目标，完成变流装置的 开关控制和交流电动机的闭环特性调节、

41、系统的故障诊断和保护等功能。控制系统应具备以下基本功能: 机车车辆的逻辑控制;牵引 /制动特性控制;四象限脉冲 整流器 (或主发电机 )控制;逆变器控制 ;牵引电动机闭 环特性控制;粘着控制;重联控制;系统故障诊断及保 护、智能显示。电能量转换，达到传动装置调速的目的。在该系统中， 实现机电能量转换的主体是电机，因此，电传动系统是通过采用电机14控制方法，实现变流装置能量变换的有序控制。六、我国交流电力传动的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

42、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。15参考文献1 陈

43、坚 . 交流电机数学模型及调速系统 M . 北京: 国防工业出版 社, 1989. 2 李 夙. 异步电动机直接转矩控制 M .北京: 机械工业出版社，1994. 3 沈本荫 . 现代交流传动及其控制系统 M . 北京: 中国铁道出版社， 1997. 4陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统 M . 北京: 机械工业出版社, 1998. 5 黄济荣. 电力牵引交流传动与控制 M . 北京: 机械工业出版社,19986 周庆瑞, 金 锋. 新型城市轨道交通M. 北京: 中国铁道出版社,2005. 7 俞展猷. 城市轨道交通中的新交通系统J. 中国铁路,2002,( 8) . 8 章 希. 全自动轨道交通

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