机车电传动技术发展趋势概述

伍赛特

1 电传动技术的发展趋势

电传动技术诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中。受当时科学技术的制约，直流电传动应用于高性能的可调速传动系统，而交流传动多用于不需要平滑调速的传动系统。

自1879年世界上出现第一条电气化铁路以来，电力牵引经历了将近60年交流传动的初期探索，20世纪50年代初整流器电力机车的诞生，使交流传动的研究暂告一段落。至此，直流传动成为电力牵引无可争辩的主体。长期以来，轨道列车电传动系统以直流牵引电动机作为驱动电动机。尽管直流传动系统具有理想的牵引性能，但直流牵引电动机由于电枢结构复杂、惯量较大、存在着复杂的换向问题，在一定程度上降低了电动机运行可靠性，进一步提高单机功率、转速面临着很多困难，限制了直流传动系统的发展，直流传动已不能满足现代铁路高速、重载的需要。

随着电力电子技术的发展、控制理论的不断完善以及微型计算机技术的广泛应用，变频电源技术取得了突破性进展，为交流电动机的平滑调速提供了可靠支撑。交流传动技术性能完全可以和直流传动相媲美，在铁路高速、重载运输中发挥着巨大作用。

2 交流传动技术是重要发展方向

交流传动技术是一门跨学科的综合技术，涉及电力电子器件、变流器电路、交流牵引电动机、控制理论及计算机网络等诸多学科领域。电力电子器件是交流传动技术发展的基础与支柱，传动技术的发展总是随着新型器件的应用而发展。20世纪下半叶，高性能电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为交流传动技术提供了重要的物质基础。交流传动系统是一个多变量、非线性且强耦合的系统，输入量与输出量之间以及与气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部变量之间都是非线性耦合，使得系统模型非常复杂，而且在运行中又不可能准确测定。传统控制理论都是基于反馈来实现对传动系统的控制，只能保证系统的静态性能，并不能保证其动态性能。现代控制理论解决了传统控制理论所不能解决的问题，矢量控制、直接转矩控制都是建立在现代控制理论基础上的很有发展前景的控制方法，因此控制策略的发展，为交流传动技术提供了坚实的理论基础。微型计算机不仅能够实现对控制参数的检测、处理、存储等一般控制，而且能够快速、精确地对建立在现代控制理论基础上的复杂控制算法及方案进行优化。微型计算机及网络控制技术的广泛应用，为交流传动技术发展提供了技术保证，推动并加速了交流牵引电动机在广调速领域的应用。

20世纪70年代初，德国DE2500型交流传动内燃机车的研制成功，揭开现代交流传动技术发展的新篇章，开创了交流传动技术应用的先河。20世纪80年代，以德国E120型电力机车、法国TGV列车的成功应用为起点，交流传动技术开始在全球范围内广泛应用。90年代以来，发达国家已经全面实现了交流传动，采用交流传动系统的机车、动车组已成为主型牵引动力。

交流牵引传动技术在不断完善性能的基础上，向着结构简单、运行可靠和轻量化的方向发展，已在无速度传感器控制技术、软开关技术、永磁同步电动机直接驱动技术、变压器小型化和轻量化技术、无变压器技术等方面取得一定的进步。

迄今为止，三相交流异步笼式电动机是唯一仍在得以继续拓展中的牵引电动机，其性能将会更加优良。随着稀土永磁材料技术的突破和产业化，采用新型永磁材料钴制成的交流同步永磁电动机，性能更好。永磁同步牵引电动机相对于交流异步异步电动机，具有极对数多、转矩密度高的特点，在同等条件下，其体积、质量可减小约1/3。永磁电动机没有励磁电流，功率因数较高，特别在低速时尤为突出；在稳态运行时无转子铜耗，总损耗较低，其效率可提高2%～8%，同时在25%～120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数与效率，在宽负载范围持续运行时节能效果显著。永磁同步牵引电动机将会挑战异步笼式电动机，引领交流传动技术发展潮流。法国新一代高速列车AGV已采用永磁同步牵引电动机，节能15%，效果明显，技术经济性能优越。

3 电力机车、内燃机车平台通用化

采用新技术、新工艺改进控制系统，使电传动装置趋向小型化、微型化及组件模块化，提高其工作可靠性及性价比。同时，融合电力机车、内燃机车结构平台，将电力机车与内燃机车结构平台通用，通过更换牵引变压器或柴油机一发电机组，就可在同一平台上实现电力机车与内燃机车的相互转换。将各种功率等级以及不同类型的机车采用统一、通用的零部件，实行集中规模化生产，充分利用先进工艺设备，提高产品质量。在电力机车与内燃机车上实现主要零部件完全通用，诸如牵引电动机、牵引变流器、控制及通信系统、辅助系统、制动系统、转向架、司机室等，降低运营及维修成本。

4 内电型双动力通用机车

电气化铁路与非电气化铁路之间由于能源供给形式不同，不能实现一种机车贯通牵引，需要更换适合的机车来完成牵引任务，需要配置大量的电力机车、内燃机车，从机务管理、运输组织上来看都是不经济的。如何实现机车在电气化铁路与非电气化铁路间的通用问题，采用双动力机车就是一个很好的解决方案。所谓双动力机车，就是在一台机车上同时设置柴油发电机组和牵引变压器，在不同的线路区段进行切换，既可作为内燃机车使用，也可作为电力机车使用，实现真正意义上的通用。

5 结论与展望

纵观交流传动技术的发展以及寿命周期成本、可靠性、可维护性等新的设计理念的应用，将进一步提高轨道列车传动系统性价比，将会有更多、更先进的交流传动系统不断出现，满足轨道交通发展的需要。

参考文献

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