交流电力传动技术的现状和发展.docx
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交流电力传动技术的现状和发展
交流电力传动技术的现状和发展
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现状与发展
ABSTRACT
Inordertoimprovetheefficiencyofresource，protecttheenvironment，realizethehigh-speedandheavytransportation，andpromotethesustainabledevelopmentofdomesticeconomy，intheareaofrailtransportation，theelectrictractionACdrivesystem，whichhasexcellentcorecomponentandeminenteffectofenergy-saving，isbeingincreasinglyprevalentappliedinpracticalcondition.Meanwhile，ACdrivecontroltechnology，aimperativetechnologyabouthigh-speedandheavytransportationandafundamentalofhigh-speedtrainandheavyfreighttransportation，becomesasignificantsigntojudgeacountry’sabilityoftransportation.
ThisessayisbaseonthebasicstructureofelectrictractionACdrivesystem，and，roughly，introducesthedevelopmentaboutelectrictractionACdrivesystemallovertheworld.also，itexplicitlyanalysesthecorecomponents，includingtransformer,converter,andtractionmotor，andtherelatedcurrentresearchanddevelopmentaboutitscontrolsystem.Atlast，itdiscussesthedevelopmentandprospectaboutACdrivecontroltechnologyinourcountry.
KEYWORDS:
ACdriveandcontrolstructureandprinciplecurrentstatusanddevelopment
引言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5
2.1发展历程5
2.2变压器铁心及绕组结构的技术现状6
2.3发展展望7
三、变流器8
3.1变流器的发展8
3.2交流传动牵引变流器的技术现状9
3.3发展展望9
四、牵引电动机10
4.1发展背景10
4.2发展历程10
4.2未来展望12
五、控制系统13
5.1机车交流传动控制系统的发展13
5.2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
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，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SS4～SS9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）、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，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,国企业先后研制成功SS3～SS9,TM1,DDJ1等12种交直传动电力机车用牵引变压器。
并在近十年相继开发研制了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。
该变压器为立式结构,采用铜管冷却、车进风等技术。
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,解决了饼式线圈空间漏磁屏蔽问题及层式线圈的绝缘强度问题,加上合理的部结构布置,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20~50mm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。
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,尽量满足总体技术要求。
（2）一体化结构现在的牵引变压器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,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67kW/t;现在研制出的BO-BO轴式、质量86t、持续功率达6400kW的异步牵引传动电力机车,其单轴功率达1600kW,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,其主要容包括部件可靠性,结构可靠性,材料可靠性,安装可靠性等。
旅客捷运系统将是国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变器DE2500型交流传动燃机车，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、GTO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型燃机车和DJ型高速交流电力机车，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DSC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22kW小功率到1224kW大功率，从模拟试验到交流传动机车问世这样一个不断探索的过程，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、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）
1891~1892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10kV、50Hz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达到210km/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（即现在的脉宽调制逆变器）的出现使电力牵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台交流传动燃机车（DE2500），采用三相异步电动机。
1980～1987年间研制了4台DE2500交流传动燃机车（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407km/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司和铁道部科学研究院共同研制的、功率达1000kW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和南车株洲电力机车研究所于1996年共同研制的我国第1台4轴4000kW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燃机车“捷力型”调车燃机车研制成功，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单轴功率最大、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，它们采用的是三相异步电动机。
2000年6月由机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的2台DF4DAC型交流传动燃机车落成，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，自主创新，已取得了实质性的成果，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1kW/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
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