关于各型电力机车性能优劣分析的调研报告DOC.docx
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关于各型电力机车性能优劣分析的调研报告
目录
一、中文摘要·······································1
二、调研目的············································2
三、调研方法··········································3
四、调研内容及过程·······························4
五、调研结论与建议·····································9
参考文献··········································16
中文摘要
电力机车因为所需电能由电气化铁路供电系统的接触网或第三轨供运行中的电力机车给，所以是一种非自带能源的机车。
电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等优点。
使用电力机车牵引车列，可以提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力。
直－直流电力机车采用直流制供电，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。
因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。
直流制的缺点是接触网的电压低，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。
交—直流电力机车采用交流制供电，由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。
因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车也是交—直流电力机车。
交—直—交电力机车采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。
但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。
无整流子三相异步电动机在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。
但其调速困难，所以目前不如交—直流电力机车应用广泛。
电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠等主要优点，而且不污染环境，特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多，坡度大的山区铁路。
中国第一台电力机车于1958年诞生于湖南株洲，命名为“韶山”，为中国铁路步入电气化立下了汗马功劳。
我国在运主要干线电力机车有：
和谐系列（HXD）1、HXD2B、HXD3、HXD3C、HXD3B、HXD3D等。
调研目的
通过对我国各型电力机车发展史的学习及其现场的调研，有针对性地对各型电力机车性能优劣进行深入的思考和分析，以便更好的掌握电力机车的工作原理、构造、性能及交流传动的基础理论，具备机车运用、保养的能力，为今后出色的工作奠定良好基础。
调研方法
本次调研主要通过文案调研法、询问调研法以及现场调研，对我国主要电力机车进行深入的了解。
调研内容及过程
（一）HXD2B型电力机车
1.简介
HXD2B型机车采用中间走廊，整体独立通风系统，分布式微机控制系统，实现逻辑控制与自诊断功能，IGBT功率模块变流器，异步牵引电动机，牵引电机采用滚动抱轴式悬挂装置，牵引控制装置采用独立轴控方式，单轴功率为1600千瓦，总功率9600千瓦，可牵引8000吨货运列车，最大运行时速达120公里/小时。
轴式Co-Co。
机车采用交—直—交电传动系统、25kV/50Hz的电压制式，与既有交—直传动机车相比，具有恒功范围宽、轴功率大、黏着特性好、功率因数高、谐波干扰小、维护率和全寿命运营成本低、运营安全可靠、适用范围广等优点。
机车可实现单机牵引1万t重载列车，通过远程重联可实现双机牵引2万t重载组合列车的运行模式。
机车主要由以下几个子系统有机构成：
由受电弓、真空主断路器、避雷器、高压隔离开关、高压电压互感器、高压电流互感器、主变压器、IGBT四象限整流逆变装置、交流异步电机等组成的主电路系统；由辅助变流装置、充电机、辅助电机等构成的辅助电路系统；基于WorldFIP网络通信技术的微机网络控制系统；Eurotrol电空制动系统；贯穿在各子系统内的独立通风冷却系统；由机车运行监控装置、信号设备、Locotrol远程重联控制装置和可控列尾装置、无线电台等组成的列车安全运行控制和监测设备；高强度车体及附属装置；高黏着、低动力作用转向架；机车独立生活间、工具柜、机车配重等附属装置。
在机车的标准配置中，机车整备重量为184t，对应轴重为23t；加上机车配重轴重可以增加到25t，机车整备重量为200t，以便发挥更大的黏着牵引力。
。
2.主要技术特点
1.机车总体采用国际上先进的以功能体系为基础的模块化设计方法，提高了产品形式的可塑性，有利于提高产品的标准化、系列化、可维护性和可使用性程度。
2.机车采用宽700mm的中间走廊，并在侧墙上开设宽787mm的维修门，增加了所有设备的易接近性；机车采用整体独立通风系统，防止机械间设备污染，确保司机室的清洁；基于车体有限元强度计算结果对车内各屏柜安装螺栓强度进行分析计算，保证了安装螺栓的可靠性。
3.机车的控制采用微机网络控制系统，具有完善的控制、监测和检修维护功能。
列车控制和监测系统采用模块化设计，具有较高的扩展性，并能支持系统的不断升级。
4.机车采用完全的单轴控制技术，每台牵引电机对应一套独立的四象限整流器和逆变器。
六根轴的牵引传动装置功率和控制在电气方面完全独立。
每个牵引传动装置安装有一个调谐滤波器和一个基于斩波-电阻的过压保护装置。
5.机车变流技术采用了先进的6500V/600A的IGBT元件和双面水冷功率模块，使机车单轴功率达到1600kW，机车总功率达到9600kW，是目前世界上单轴功率最大的铁路牵引动力装备之一。
变流模块采用易拆卸技术，不需排放冷却液，同时带有定位针，防止不同模块的错插。
6.两组相同的辅助变流器为机车提供辅助电源。
辅助供电电路由相同的两组电路组成，每组辅助电源由两组辅助变流器和一组充电机电路组成，其中辅助变流器一组为定频输出，另一组为变频输出，提高了系统的稳定性和维护性,能够满足机车各种工况的供电要求。
7.机车带有微机控制的电空制动柜，接受司机操纵台上制动控制器的控制指令，使列车管的压力控制更加精确，同时缩短制动与缓解时间，提高制动系统的可靠性和安全性；制动机具备状态监测和故障判断功能、具备WorldFIP网络接口，制动机状态及故障信息可以通过车辆总线进行传递。
HXD2B型电力机车为单缓功能的操作方式，增加EPM模块。
8.机车配备了世界上最大容量的牵引变压器（12600kVA），采用下悬挂卧式安装；芯式结构，多分裂绕组以保证高的解耦性；钢制油箱；三套油冷却系统；储油箱与变压器通过金属软管相连；主变压器和谐波电抗器共油箱。
9.转向架采用C0轴式，采用目字型构架，抱轴悬挂驱动结构，一系悬挂为弹簧悬挂，二系悬挂采用橡胶堆连接，采用整体碾钢车轮，采用中间推挽式短牵引杆结构，保证了牵引力和制动力的有效传输。
10.整体承载式焊接车体结构，无横梁框架式波纹板侧墙，与台架有机结合的底架结构，可以承受纵向3000kN压缩和2500kN拉伸的高强度。
11.机车使用在－40℃低温下具有良好冲击韧性值的特殊原材料，使机车的使用范围更广泛。
12.变压器采用三油泵进行冷却，使变压器的体积更小。
13.机车设有微波炉、冰箱、热水壶、水冲式整体卫生间等生活实施。
（二）HXD3型电力机车
1.简介
在2006年“和谐型”系列交流电力机车投产以前，中国铁路普遍缺乏大功率电力机车，当时只有韶山4型电力机车能达到总功率6400千瓦（2×3200千瓦）。
随着近年中国经济持续增长，铁路货运需求也随之增加，铁道部有见及此，便需要订购能单机牵引5,000-5500吨货物的大功率机车，以应付货运需求。
大连机车于2001年起就开发大功率交流传动货运电力机车进行研究，由于当时中国缺乏制造IGBTVVVF牵引逆变器等技术，因此大连机车选择与日本东芝合作研制新型机车，并于2002年9月成立合资公司，东芝提供机车的牵引逆变器及控制系统。
这款机车使用了Co-Co六轴，即前后各一三轴转向架、每轴装有一台1,200kW交流牵引电动机，整车输出功率为7,200kW。
首台原型车编号SSJ3-0001，后改名为DJ3，于2003年年底完成，2004年4月26日由大连厂房驶出，前往北京铁道科学研究院环形线进行试验，试验于7月4日完成。
2.主要技术特点
受电弓:
HXD3型电力机车所使用的DSA200受电弓改善了国产自行研发的受电弓对电网有磨坏的问题，令受电弓在机车高速运行的情况下运作良好。
制动系统:
HXD3型机车采用CCB-Ⅱ制动机，是参考国外机车仿制的一款空气制动机。
产品已经达到全面国产化，现在为“和谐”系列电力，内燃机车广泛采用的一款制动机。
主变压器特点:
高压引线采用法国NEXANS公司的端子。
在低压套管出线装置中采用了新型合成树脂的出线装置，具有安装拆卸方便，可靠及使用寿命长的特点。
考虑到了机车的使用环境，提高了变压器的抗振性能，所以该变压器具有抗震、耐久的特点。
温度计等需要经常检测及保养的部件装配在油箱侧面，以便于进行维护保养、检查。
将通过强大电流的低压出线装置分别安装在主变流器最近处，使其间连线最短。
变流装置:
每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含有三组牵引变流器和一组辅助变流器，使其结构紧凑，便于设备安装。
牵引变流器采用强制循环水冷方式。
这种方式具有冷却效果好、无污染、重量轻、结构上维修方便等特点。
冷却液采用亚乙基二醇纯水溶液，确保在－40℃时不冻结。
另外，牵引变流器的冷却液和主变压器（Mtr）的冷却油经过复合冷却器循环，依靠复合冷却器风机进行强制风冷。
每组牵引变流器由一个四象限整流器和一个逆变器组成。
整流器单元使用了模块化IGBT元件，采用脉宽调制（PWM）方式、两点式电压型，通过高次谐波整流和错开各组控制载波的相位，从而降低高次谐波和提高功率因数。
逆变器单元同整流器单元一样使用模块化IGBT元件、实现单元的标准化。
通过采用IGBT元件和32bit高速演算控制装置的配合，采用矢量控制方式，来实现电机转矩的控制，达到快速响应，提高粘着利用率和实现空转滑行保护控制。
辅助变流器APU是辅助电动机供电电路的核心。
APU向牵引通风机电机和压缩机电机等辅助机器供给三相交流电，具有变压变频（VVVF）控制和恒压恒频（CVCF）两种控制方式。
两台复合冷却器风机和六台牵引通风机电机为了确保适应机车状况的冷却风量和降低运转声音，按照VVVF控制模式进行设定。
APU通过使用IGBT的PWM整流器单元把从主变压器三次线圈供电的交流电转换为恒定电压的直流电，再供给由IGBT构成的逆变器单元，通过逆变器转换为三相交流。
辅助变流器（APU）单独采用强制风冷方式。
机车共设有两套辅助变流器UA11、UA12。
在正常情况下辅助变流器UA11、UA12全部工作，基本上以50%的额定容量工作，辅助变流器UA11工作在VVVF方式，辅助变流器UA12工作在CVCF方式，分别为机车辅助电动机供电。
当某一套辅助变流器发生故障时，不需要切除任何辅助电动机，另一套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载。
此时，该辅助变流器按照CVCF方式工作，从而确保机车辅助电动机供电系统的可靠性。
复合冷却器:
复合冷却器的型号为FL220，复合型全铝合金板翅式高效冷却结构，上部为水散热器，用于冷却变流器，下部为油散热器，用于冷却主变压器。
全铝合金板翅式结构的油冷却器，具有每单位容积的传热面积大，性能优良，体积小，重量轻的优点。
空气冷却复合冷却器时，会在冷却器芯子的波纹形散热片上积留灰尘，灰尘过厚将影响散热效果，因此，在每一次中修时，均需要清洗冷却器芯子。
在堵塞严重时应进行水洗或用水蒸气进行清洗
牵引电动机:
HXD3型机车使用六台YJ85A型交流电牵引电动机，该型电机由东芝负责设计，永济电机引进相关技术进行生产，每台输出功率1,200kW。
首批永济厂批量生产的YJ85A电动机为数312台，于2006年12月完成交付。
至2007年12月20日，永济厂在2007年全年共生产了1158台YJ85A型牵引电动机供193辆HXD3机车使用。
（三）HXD3B型电力机车
1.简介
由中国北车集团大连机车车辆有限公司自主设计研制的这款中国品牌机车，是目前世界上单机功率最大、技术水平最高、性能指标最先进的中国品牌机车。
这辆机车的功率为9600KW（千瓦），可单机牵引5500至6500吨货物列车，最高运行速度每小时120公里，具有更大的加速能力和牵引通过能力，将成为中国铁路货运重载的主型机车。
该车集成了众多现代高新技术，多项关键技术将引领中国和世界的机车技术发展。
2.主要技术特点
这款机车以我为主进行自主设计、研发、制造、采购和集成，拥有完全自主知识产权，具有四个特点：
一是功率更大，牵引性能更好；二是节能、环保优秀品质更加突出，机车再生制动功率的提高，将有更多的电能反馈回接触网；三是自动化程度更高，功能更强，可靠性更好，简化了乘务人员操作，提高了机车的安全性；四是改变机车传统设计，除受电弓及支持绝缘子之外，全部高压设备由车顶移至车内。
这一项目由铁道部统一组织策划，和谐型六轴9600KW大功率交流传动电力机车技术创新项目组建立统一的技术平台，实行总设计师负责制，下设11个子系统专业组。
攻关的重点，是以科技创新突破重载牵引关键技术，采用大功率IGBT元件组成的变流器、大功率交流牵引电动机和轮盘制动等先进技术，运用成熟的驱动装置和微机网络控制系统，并在整车集成技术、重载牵引车体和转向架、牵引变压器等方面进行全面创新。
（四）HXD3C
1.简介
HXD3C型是在HXD3型和HXD3B型电力机车基础上研制的交流传动六轴7200kW干线客货电力机车，该机车通过更换增加供电绕组的主变压器，增加列车供电柜、供电插座、客货转换开关、双管供风装置等，使机车具有牵引旅客列车的功能，并可以向旅客列车提供风源及稳定的DC600V电源，与25G型客车良好匹配。
机车采用PWM矢量控制技术等最新技术的同时，尽量考虑对环境的保护，减少维修工作量。
另外，以能够在中国全境范围内运行为前提，在满足环境温度在-40℃～+40℃，海拔高度在2500m以下的条件的同时，最大考虑到3组机车重联控制运行。
2.主要技术特点
轴式为C0-C0，电传动系统为交直交传动，采用IGBT水冷变流机组，1250kW大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高、能源消耗低等特点。
辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。
该系统冗余性强，一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。
采用微机网络控制系统，实现了机车特性控制、逻辑控制、自诊断功能，实现了机车的网络重联功能，并具有信息储存和转储功能。
总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气屏柜和各种辅助机组分功能斜对称布置在中间走廊的两侧，有利于平衡机车自重；采用了规范化司机室，有利于机车的安全运行。
采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。
转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构，二系采用高圆螺旋弹簧；采用整体轴箱、推挽式低位牵引杆等技术。
采用下悬式安装方式的一体化多绕组（全去耦）变压器，具有高阻抗、重量轻等特点，并采用强迫导向油循环风冷技术。
采用顶盖夹层进风，各系统独立通风冷却技术。
另外还考虑了司机室的换气和机械间的微正压。
采用了克诺尔集成化气路的空气制动系统，具有空电制动功能。
机械制动采用轮盘制动。
采用了新型的模式空气干燥器，有利于压缩空气的干燥，减少制动系统阀件的故障率
（五）HXD3D型电力机车
1.简介
HXD3D型机车是交流电传动六轴干线客运电力机车，正在由中国北车集团公司大连机车车辆有限公司研发及生产，预计在2011年底前研究出样车，2012年批量生产。
车型代号HXD3D（数字是生产厂商代号：
3代表大连机车），一般称为“和谐”3D型电力机车（车辆编号HXD3Dxxxx）。
最大运营速度约200km/h。
HXD3D型机车可缓解全路准高速机车运用的紧张状况，使得既有提速铁路线大量增开特快列车，填补中国内地交流传动大功率机车在准高速范围内实际运用的空白，这款机车的外形沿用了大连机车厂于2003年生产制造的高速电力机车DJ3“天梭号”，具有牵引200KM的高速车辆，也可用于牵引160的准高速车辆，是一款能够覆盖高速，普速的多功能通用机车。
2.主要技术特点
和谐3D型客运电力机车最高时速160公里，凭借7200千瓦的功率，可轻松牵引20节的旅客列车，一次最多可输送3000名旅客。
由于不限于在铁路客运专线上行驶，和谐3D型客运电力机车可在全国所有的电气化线路上，快速牵引直达和特快旅客列车，实现中国高速铁路客运专线和普通铁路的并线运用，满足客运形式多样化要求。
与大部分动车组只提供座位相比，由它牵引直达和特快旅客列车跑远途时，人们还可以选择常见的卧铺出行，实现速度与舒适的兼得。
作为中国目前单机功率最大、时速最快的大功率交流传动客运电力机车，它的各项性能显著。
与现有普及的交流客运机车相比，它的牵引性能有了大幅提高，速度提高了30%；而与相同速度的传统直流客运机车相比，它的加速时间和加速距离又缩短了至少一半，从启动到加速至160公里，只需要5分钟，这极大地提高了机车运用和车站运转的效率。
和谐3D型客运电力机车具有更加聪明的“大脑”，可以对故障进行自我诊断，确保列车可靠运行。
同时，机车还配置了最先进的电子控制制动系统，在进行加、减速动作时缓冲很小，避免了传统旅客列车速度变化时，旅客摇摇晃晃“站不住脚”的现象。
和谐3D型电力机车还可以充当发电机，在下坡和制动时能把多余的动能转化为电能回馈电网，实现节能效果。
此外，机车还延续了抗雾霾火车头的设计理念，雾霾天里照样跑得快、停得稳。
调研结论与建议
通过本次调研使我了解和谐系列货运电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流传动货（客）运机车。
分为每轴1200KW的和谐1、2、3型（1、2型为八轴，3型为六轴），以及六轴，每轴1600KW的和谐1B、2B、3B两代9600KW大功率机车。
设计最高时速均为120km/h。
2012年，新推出了专用于准高速客运的两款六轴机车，单轴1200KW，总功率7200KW的和谐1D、3D机车，设计最高时速176km/h，持续时速160km/h。
致谢
在调研报告撰写期间，感谢各位老师对我的指导，同时感谢现场有关人员的鼎力帮助，对老师们和现场相关人员表示衷心的敬意。
通过撰写调研报告使我对电力机车有了更深的认识，但报告中仍有许多不足之处，敬请指正。
对引用的技术资料、参考文献的有关作者也在此一并致谢。
参考文献
[1]和谐系列电力机车应急故障处理。
北京：
中国铁道出版社，2014。
[2]张曙光。
HXD2型电力机车。
北京：
中国铁道出版社，2009。
[3]张治中。
中国铁路机车史。
济南：
山东教育出版社，2007.
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