電力牽引傳動與控制技術的現狀

時間：2025-12-27 08:20:35 電氣自動化畢業論文

電力牽引傳動與控制技術的現狀

　　電力牽引傳動與控制技術的現狀【1】

　　摘要電力電子與電力傳動技術在發展過程中伴隨著傳輸功率的交流傳動，本文回顧了電力牽引傳動控制技術歷史并揭示了這些技術的密切關系，重點在于研究我國目前的電力牽引發展情況和前景，旨在于讓同行們加強交流，讓電力牽引傳動技術更好的服務于車輛裝備和鐵路機車制造業。

　　【關鍵詞】電力牽引交流傳動控制電力電子器件

　　在很早的時候，電氣傳動技術系統剛剛引入牽引機車的技術領域，第一臺電力驅動的機車于1879年問世，兩年后也就是1881年成功實現了城市電動機車的大規模鋪開，西門子公司于1891發明了三相交流電源直接測試的電動機車，該機車使用的是線式轉子異步牽引電動機，直到今天，單相交流供電的電力牽引與控制技術仍然在飛速的發展中，測試車輛的規模也日益變大。

　　交流變換技術系統規模過于龐大，能量轉換效率低，電能轉換機械能過程中的影響因素非常多，這樣的電力牽引力不適用我國現有的鐵路運輸系統。

　　1955年，整流器的發明標志是機車電力牽引傳動技術開始進入實踐動態。

　　1957年可控硅整流器(即普通晶閘管)的發明，標志著電力牽引時代的出現，大功率電子硅整流技術廣泛應用于機械傳動系統，這個技術使機車傳動和電力傳動系統從內燃機-直流或直流電動機向交流電動機轉變。

　　1965年，晶閘管的機車牽引動力系統出現了，各國的鐵路運輸系統廣泛采用晶閘管電力傳動系統。

　　大功率可關斷晶閘管(GTO)的出現和發展推動了微機控制技術，在20世紀70年代，交流-直流-交流的傳動系統取代了交流-直流的傳輸模式，至今仍在不斷的進行迭代更新。

　　1 科學技術的發展，交流電動機作為牽引電機具有獨特的優勢

　　(1)交流電機體積小，重量輕，功率大，小體積解決了安裝時占用空間過大的問題，電動機的重量輕，減少地面設備的體積，有利于提高機車輪軌力，以滿足大功率、高轉速的高速動態要求。

　　(2)交流電機的速度和保持恒功率范圍比較大，有利于實現通用式的機車以滿足運輸乘客和貨物的需求。

　　(3)交流電動機沒有換向器、電刷磨損和清除器等易損設備，提高了整個電力牽引傳動系統的可靠性，降低制造成本和維護成本。

　　(4)交流感應電動機具有牽引性能優良的自然特征，有助于提高在復雜地形的利用率，更好地發揮電力牽引力的控制作用。

　　雖然交流電動機，特別是異步電動機具有特殊的優點，但在上世紀70年代之前，通過簡單的控制的直流電機得到了廣泛的使用，電力電子開關與晶閘管整流裝置工藝的改進致使直流傳動系統更加普及。

　　隨著快速晶閘管基礎的牽引電機出現，以快速晶閘管變流器為單元的內燃機滑動車組DE-2500內燃機車問世了，交流傳動控制技術領域開啟機車車輛設備的新紀元。

　　2 交流傳輸線控制優勢

　　1983年，5臺大功率BR120交流傳輸線控制的電力機車誕生于德國聯邦鐵路，BR120機車的總體布置、系統設計和參數選擇更加優化，電路結構和材料的主要成分都有所更新，如臥式水平主變壓器、牽引變流器、牽引電機空心軸和萬向節等，在外觀設計和輔助變流器上都成功地進行了嘗試，建立了機車電力牽引設計和運行的基本模式，交流傳動不僅優于直流電機，采用新技術后帶來了更多的優勢：

　　(1)機車廣泛使用四象限脈沖變流器，大大降低電流諧波分量的電源網絡，提高供電質量，提升通信信號的抗干擾能力。

　　(2)交流傳動可以實現電網功率的高效能量轉換，降低電網能量損耗，多方向的反饋結果是網絡質量好，節能效果也很優異。

　　(3)前后機車牽引制動操作無需轉換，開關位置的變化可以通過主電路控制，整個系統簡單可靠。

　　發達國家已經進入大規模的軌道交通系統，交流傳動的研究和開發，以及評估技術更新都完成的比較徹底，交流傳動車輛取代了直流驅動產業，形成了自己的新干線，已經成為鐵路運輸的現代化符號，鐵路管理實現高速發展。

　　在發展的過程中，發展電力電子器件的基本技術就是交流傳動技術。

　　第一代機車采用快速晶閘管變流器單元結構復雜，效率較低，可靠性和可維護性都不突出。

　　GTO在80年代問世，之后大功率交流傳動系統迅速應用于機車組，并且伴隨著性能的改進。

　　在上世紀90年代，IGBT高壓裝置提高了電源轉換器和更新的效果。

　　同時，控制發展進步的基礎還是對交流傳動的控制技術，目前有可控硅移相開關控制，脈沖PWM控制和四象限整流控制，還有磁場定向控制和直接轉矩控制等。

　　微電子技術、信息技術和通信傳輸技術的進步也使控制裝置從模擬數字電路轉向復雜控制，并逐步使其操作簡單化，現代網絡控制的模塊也在單片機和微處理器質量提升的推動下不斷提高，發展為8位，32位和64位的浮點運算程序，每一點科技的進步都會大大提高電力牽引傳動控制技術的處理能力。

　　這個龐大系統得益于電力電子技術的發展水平，牽引力的交流傳動系統依賴于技術的革新。

　　3 我國機車電力牽引系統的發展與現狀

　　1958年年底，我國生產的電力機車主表，即機車電力機車是前蘇聯的直流型電力機車為模型，根據中國鐵路的規范研制而成，當時大功率電子器件還不成熟，整流器件是電力機車運行試驗后通過環形鐵路客車車輛。

　　1962年，前后共5個單元投入到寶鳳線試運行，由于主要設備(調壓開關、牽引電機等)技術和質量問題仍然存在，特別是引燃管整流難以達到實際使用的要求，因此電力機車不能大規模生產。

　　隨后中國的發展工業、電力電子整流二極管的高功率開始進入實用階段，機車電力牽引技術在該技術的基礎上形成了新型電力機車，交流-直流電力機車大規模使用，從1969年開始直到1988年停產，共計826臺，我國機車交流-直流電傳技術在這個周期內廣泛應用。

　　可控硅式裝置使機車電力牽引傳動技術上了一個新臺階，通過二極管整流級壓力控制形成了最新型的電力牽引傳動技術，在SS3型電力電路中使用調壓變壓器，在低壓側之間的牽引開關和相控晶閘管調壓相結合的平滑調速技術，使機車獲得更好的調速性能。

　　無級調壓和交流-直流傳動軸重載貨運電力機車構成一個相控晶閘管的一系列產品，該型機車由2部分相同的4軸電力機車重新連接每個部分，使機車的性能和質量大大提高，成為我們的主要干線運輸機車。

　　我國機車電傳動技術已走過50余年的發展里程，取得了巨大進步，鐵路運輸從速度和功率已被用到技術極限的交-直傳動邁入速度更快、功率更高的交流傳動的階段，但這項技術的創新和開拓是永無止境的，它必將隨著相關技術的發展而不斷提高到更新的水平上，為我國的社會主義現代化建設做出貢獻，進而走向世界，在高速、重載鐵路牽引設備領域與世界先進企業同臺競爭。

　　參考文獻

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　　[4]張瑩，楊利軍.交流傳動電力機車發展的重要因素――新型電力電子器件[J].電氣開關，2015(04).

　　高速動車組牽引傳動控制系統的研究與仿真【2】

　　摘要：近年來，高速動車組的發展一方面適應了社會快速發展的新形勢，另一方面也加快了人們的生活節奏。

　　為不斷適應發展變化著的新形勢，滿足人們不斷增長的新需求，需要對高速動車組牽引傳動控制系統進行優化，從而推動我國交通運輸事業的發展，促進國民經濟穩步提升。

　　關鍵詞：動車組;牽引傳動;控制系統;仿真設計

　　高速鐵路的快速發展，使得對高速列車的需求也在逐漸增長，并對其提出了更多、更高的要求。

　　雖然高速動車組在促進國民經濟發展、社會進步和加快人民生活節奏方面發揮了重要作用，但在很多技術方面剛剛起步，尚未成熟，因此需要技術上的提升和系統優化。

　　對于高速動車組這一復雜系統，建立合理有效的高速動車組牽引傳動控制系統顯得至關重要。

　　本文主要分析了我國高速動車組牽引傳動控制系統的發展現狀以及高速動車組牽引傳動控制系統的仿真方案。

　　1 我國高速動車組牽引傳動控制系統的發展現狀

　　1.1 牽引動力配置方式以動力集中方式為主

　　我國高速動車組的牽引動力配置方式主要有動力分散方式和動力集中方式。

　　動力集中方式是一種較為傳統的電力牽引模式，使用歷史久，技術相對成熟，而且使用的范圍廣泛，動力集中型動車組是由日本首創，近年在歐洲得到廣泛推廣與應用。

　　隨著科學技術的發展進步，我國在動力分散型動車組的設計上取得了一定成就。

　　例如“中原之星”動車組、“先鋒號”動車組以及CRH系列動車組。

　　“和諧號”CRH系列動車組，是由十六臺三相異步牽引電動機均勻地安置在四輛動車的地板下，由每臺電機驅動一根車軸，十六臺電機共同合作就讓整個動車組高速運行起來了。

　　但是動力分散型的技術仍不夠成熟，還處在起步階段，而且資金投入大、技術要求高，因此，我國高速動車組的牽引動力配置方式仍以動力集中方式為主。

　　1.2 我國高速動車組以直流傳動制式為主

　　直流傳動制式和交流傳動制式是高速動車組牽引傳動制式的兩種方式。

　　在我國，主要鐵路上的高速動車組，多數采用直流傳動制式，對交流傳動制式的使用較少。

　　相比，在國外，先進的科學技術使得交流傳動制式的高速動車組具有顯著優越性，市場前景廣闊。

　　因此，多數生產廠商也已經停止了對直流傳動機車的生產，多采用交流傳動方式的牽引技術。

　　我國高速電動車組的發展由于技術的不成熟，缺乏創造性，對于交流傳動技術的應用也才剛剛起步。

　　1.3 普遍采用微機牽引控制系統

　　我國鐵路機車普遍采用微機牽引傳動系統，但在較為傳統的直流傳動機車上仍然有大量的模擬電子控制系統。

　　隨著科技的進步、網絡的發展，網絡技術對于交通運輸事業也在發揮著越來越大的作用。

　　在列車通信網絡快速發展進步的新形勢下，我國的高速動車組也開始使用通信網絡進行控制和信息的傳遞，例如，司機對列車的各種控制命令都可以通過列車通信網絡傳送到列車的各個部位，執行的結果也可以通過網絡再反饋給司機，從而使司機更加全面、系統地掌控列車的運行，促進列車協調、穩定運行。

　　通過采用微機牽引控制系統逐漸形成對列車的分布式控制，是我國高速動車組牽引控制系統的現狀。

　　2 高速動車組牽引傳動控制系統的仿真方案

　　2.1 進行高速列車內外部環境仿真

　　列車的內部環境不僅包括牽引傳動控制系統，還包括網絡系統等，外部環境包括牽引供電系統、線路的地理條件和軌道等。

　　通過對內外部環境的仿真模擬，能夠對列車在運行過程中可能出現的問題進行預測，并提前找到解決方案，避免實際運行過程出現差錯，減少損失。

　　以青藏鐵路為例，高原缺氧、低溫、強烈的紫外線以及高原凍土是鐵路運輸所面臨的外部環境，這些對列車的控制系統提出了更高要求，因此內外部環境的仿真有其必要性。

　　內外部環境的仿真模擬可以為牽引傳動控制系統的優化提供保障。

　　2.2 進行三維視景仿真

　　隨著數字化進程的發展，各行業信息化建設也加緊了步伐，鐵路業也應緊跟時代步伐，為駕駛司機提供三維視景。

　　傳統的二維視景數據單一、抽象，只能展現宏觀的景象概況，在細節上有局限性。

　　而司機室三維視景仿真，能給司機提供豐富的環境信息，使司機更加清楚地了解在目前操作下，牽引傳動系統的整體工作狀態。

　　當三維視景達到最佳效果，司機的臨場感也會大大增強，從而集中司機注意力，調動其積極性，提高工作效率。

　　2.3 高速動車組牽引變壓器熱仿真

　　牽引變壓器是高速動車組牽引傳動系統中的關鍵部件，列車運行過程中的安全性與其密切相關。

　　因此，為保障列車運行的安全性，需要研究高速列車牽引變壓器的溫度隨列車實際運行發生的變化，對其進行冷卻降溫處理。

　　由于變壓器具有復雜的結構，并且涉及對熱學、電磁學等多門科學的同時運用，因此研究模擬較為困難。

　　但是預算和控制變壓器內部的溫升對于牽引變壓器的研究具有重要意義。

　　為此，國內外的眾多專家也做了很多研究。

　　變壓器作為一個復雜的系統，各個參數之間的關系也非常復雜。

　　要想在列車運行中準確地計算出各個點的溫度是很困難的，因此需要簡化后再計算。

　　鐵芯和繞組產生的損耗是變壓器的主要熱源，熱量會由變壓器內部傳導到表面。

　　可以通過變壓器內部油的對流，把來自鐵芯和繞組的熱量傳給油箱壁，被加熱的油箱壁通過周圍的空氣對流把熱量散走，從而達到冷卻變壓器的目的。

　　做一個具有特殊形狀、容易散熱的冷卻器，把變壓器中的油利用油泵，打入油冷卻器，冷卻后再返回到油箱中，從而帶走熱量，為牽引變壓器降溫。

　　3 結語

　　伴隨著經濟的發展和科技的進步，我國的高速動車組取得了巨大進步。

　　但仍不夠成熟，需不斷開拓創新，引進國外先進技術，發現其中存在的問題，對牽引傳動控制系統進行不斷優化。

　　從而使我國鐵路運輸走向成熟，保障交通運輸事業的健康、穩定和可持續發展，滿足國民經濟發展需求，為我國社會主義現代化建設做貢獻，推動時代的進步。

　　參考文獻

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　　[4] 劉友梅.我國電力機車四十年技術發展綜述[J].機車電傳動，2006，(11).

　　鐵路電力牽引供電接觸網技術體系的研究【3】

　　[摘要]從建國以來，我國鐵路建設取得了飛速發展，近年來，動車、高鐵的相繼投入使用，更將我國軌道交通事業推上了高峰。

　　在電氣化鐵路發展的道路中，電力問題一直是困擾鐵路安全運行的最重要因素。

　　隨著技術的不斷進步，電力牽引供電已經成為了目前電氣化鐵路的最重要供電方式，本文就電力牽引供電接觸網展開探討，將供電網技術體系中存在的安全隱患加以說明，并就當前電力牽引供電的安全性能進行相關分析。

　　[關鍵詞]鐵路;電力牽引供電;接觸網

　　目前的電氣化鐵路建設，屬電力供應是不可缺少的因素，但是如何保證安全有效的對列車的行駛進行電力牽引，一直是軌道交通研究人員急需解決的難題。

　　目前，電力牽引作為列車行駛的主要動力，其安全性能雖然較以往有了很大的提高，但是依然存在著一些問題，使我們在利用電力牽引為列車提供前行的能量時不得不小心應對。

　　一、電力牽引供電

　　電力牽引供電系統指的是由牽引變電所和接觸網兩部分組成的供電系統。

　　這兩部分中的牽引變電所將電力系統通過高壓輸送電線輸送過來的電能進行降壓和變流后處理再輸送給接觸網，以此來供給沿線路行駛的電力機車。

　　電力牽引之所以在軌道交通中被廣泛的使用，是因為其有著突出的優點。

　　首先是電力牽引本身并不自帶燃料，而是使用的二次能源，這在列車的行進過程中，能源可以得到充分的保障;其次是電力機車的總功率非常大，而且具有啟動快、加速快、運輸能力大、過載能力強等特點，而這些特點正好滿足現代交通的需要，電力牽引供電在電氣化鐵路中廣泛使用;除此之外電力牽引還有噪音小、污染少、節能高等突出的優勢。

　　二、電力牽引供電接觸網存在的安全隱患

　　(一) 牽引變壓器故障

　　牽引變壓器故障是電力牽引供電接觸網中存在的最為主要的安全隱患之一。

　　一般的牽引變壓器故障主要發生在燒心、繞組絕緣套管等方面。

　　一般出現牽引變壓器故障，會出現一些不正常的現象，比如噪音明顯增大、音響發生異常等。

　　一般根據不正常的現象，可以大致判斷是什么情況。

　　要是發生嚴重音響不正常以及噪音強烈等現象，一般都是牽引變壓器發生了嚴重異常，這時候要及時做好處理。

　　要是牽引變壓器發生著火現象，很容易引發爆炸，所以這時候一定要以最快的速度做出判斷，先進行滅火處理，然后在施以相應的措施進行牽引變壓器的接電處理。

　　(二) 高壓短路器故障

　　在電力牽引供電接觸網中，還會經常發生高壓斷路器事故，這種事故的發生一般有兩種情況。

　　一種是電氣回路不同造成的故障，還有一種就是機器部分的故障。

　　一般來說，電氣回路造成的故障主要是因為電壓過低、回路元件接觸不良等原因，使得整個電力牽引供電接觸網的電路不能進行流通，從而使得整個線路發生流通不暢的現象。

　　面對這樣的情況，一方面要對回路進行檢查，另外還要對回路元件進行檢修。

　　機器部分造成的故障主要是指由于內部機械的運作問題而產生了回路不暢，解決這類問題的關鍵在于對機械設備要進行時常的維護和檢修，確保整個機械能在電力牽引環境中正常運作。

　　(三) 隔離開關故障

　　隔離開關事件的發生主要是因為列車在行進過程中接觸部分過熱而造成，這類故障在夏天發生的概率遠遠大于冬天。

　　產生這類故障主要表現在兩個方面，首先是瓷瓶的損壞會非常嚴重。

　　瓷瓶損壞會造成瓷瓶表面出現裂紋或者瓷釉大面積脫落，這種現象會造成放電，非常危險。

　　一般如果出現這樣的情況，應該立即進行停電處理，待放電問題得到徹底的解決后即可恢復電力供應。

　　其次就是開關拉不開或者合不上。

　　出現這樣的故障多半是操作機出現了問題，應該通知檢修部門進行及時的檢修處理，以免帶來不必要的麻煩。

　　(四) 電壓、電流互感器故障

　　電壓、電流互感器故障也是電力牽引供電接觸網中的常見故障。

　　表現主要有兩方面。

　　首先是電壓方面，主要是電壓互感器二次空氣開光脫扣所致。

　　這種現象大多是電壓負路或者短路造成的，一般都會發生明顯的警報，在警報發生后做好處理即可。

　　其次就是電流方面，在電流方面主要出現的問題就是二次回路開路;發熱冒煙是其主要表現形式，所以一旦有發熱冒煙現象，一定要做好相應的處理工作。

　　三、電力牽引供電接觸網的技術創新

　　(一) 設計更加安全化

　　隨著技術的進步，電力牽引供電接觸網的設計在安全方面有了非常大的突破，首先表現在牽引變電子系統能夠滿足可靠、穩定的供電質量要求。

　　這與以往的電力牽引供電接觸網相比，其安全性得到了進一步的提升，因為滿足了更為穩定的供電質量需求，所以在使用中可以有效的避免一些因為供電不穩而造成的故障。

　　其次是供電調度子系統能夠實現電力牽引供電系統的全方位的監控和信息化管理。

　　目前的社會信息化要求特別高，在電力牽引供電接觸網中應用信息化管理手法進行全方位的監控，可以第一時間就軌道系統的供電情況進行了解，從而可以避免一些突發意外。

　　最后就是接觸網子系統滿足了受流良好的弓網關系要求。

　　因為在整個系統中，由于接觸網的存在才能形成供電的回路，受流良好的接觸網可以使得整個電力系統運行更加流暢。

　　(二) 堅持系統集成創新，滿足我國現代化鐵路需求

　　因為整個鐵路電力牽引供電接觸網是一個完整的系統，所以在進行整個系統的設計時，做好系統集成創新，可以有效的提高整個系統的運行功能。

　　在系統集成創新方面，為了滿足我國現代化鐵路的建設需求，在系統的接口設計中采用了高鐵工程電力牽引供電設計的關鍵技術，使得電力牽引供電與鐵路內部的路基、橋梁等各個接口，在避免原有工程遺漏、誤差的基礎上，進行全方位的整合，使得整個系統的接口嚴密而運行流暢。

　　系統的流暢性也進一步確保了整個系統運行的安全性。

　　結束語

　　鐵路系統作為我國交通運輸事業的重要組成部分，其運行安全和效率與我國人民的社會生活有著直接的聯系。

　　鐵路電力牽引供電接觸網作為我國鐵路運行的基本保障，其安全性受到社會各界的關注。

　　所以在鐵路電力牽引供電接觸網的設計上，積極改進，推陳出行，設計出安全性高、集成化好的接觸網，避免系統運行中的故障，對于我國軌道交通乃至整個運輸事業意義重大。

　　參考文獻

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