浅谈交流电力机车是机车发展的必然趋势

刘立

摘 要:本文主要对电力机车的调速原理进行了分析,使大家了解直流机车和交流机车的调速原理的不同,比较出它们的优缺点,从而得到交流机车为什么是机车发展的必然趋势。直流机车为什么要逐步淘汰,并对中国的机车发展历程有个全面的了解。

关键词:交流传动技术调速机车发展

中图分类号:U264 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0046-01

中国的铁路正处于大发展时期,其中机车技术的发展又是铁路大发展的重中之重。过去的电力机车主要采用国产的韶山系列,这一系列机车按原理划分可被称为交—直机车,即接触网是交流供电,到机车上将交流电转变为直流电,最后把直流电输给直流的牵引电动机,驱动机车运行。但随着机车技术的发展,出现两大趋势:一种是专门用来运送乘客的客运机车,另一种是运送货物的货运机车。不管是哪一种机车,直流机车都已经不能满足运输的需要,交流机车必然要取代直流机车。

首先分析客运机车:客车机车的特点是运行速度越来越快,国产的韶山型电力机车的速度从过去的平均速度60km/h左右,后来经过五次提速,最后达到最高速度170km/h。但国外的客运列车已经能达到300km/h,甚至更高,现在火车速度的世界纪录已经达到574.8km/h。要想达到这样的速度,直流机车是不可能达到的。因为机车的运行速度主要靠电机的转速来实现,而根据直流电机的工作原理,电机的转速不可能达到那么快。直流电机运行时,转子绕组中的电流要换向,而换向就会产生机械火花和电磁火花,而且随着电机的转速越来越高,火花也会越来越厉害,产生环火和“放炮”现象,电机根本无法正常工作。而把牵引电机从直流电机变为交流电机,就不会存在这种情况。这是因为交流电机没有换向。交流电机的工作原理是:给定子绕组通入三相交流电,三相交流电就会在定子绕组中产生一个旋转磁场,这个旋转磁场会切割鼠笼式的转子导体,在转子导体中产生感生电动势和感生电流,转子导体中的感生电流会在旋转磁场作用下,产生电磁作用力,使转子随着旋转磁场的方向转动。因此,交流电机就没有换向,当然就不会再产生火花,所以,交流电机普遍比直流电机要转的快。

然后再分析货运机车:货运机车要牵引货物列车,所以要求机车的牵引力要尽量大,功率要尽量高。而韶山型的直流机车单轴功率最大的是韶山8型,一个电机的功率为900kW,其他机车的一台电机功率普遍为800kW,而交流机车上的电机,仍然是轮对旁边的空间,但它的功率最低为1000KW,后来普遍是1200kW,有的机车电机甚至达到1600kW,是直流电机功率的两倍。一台六轴的交流机车的总功率相当于一台十二轴的直流机车的总功率,完全能够满足铁路货运重载的要求。所以中国已经慢慢开始减少直流机车的生产,大大加强交流机车的产量,逐步实现直流机车向交流机车的过渡。

既然交流机车能够满足不管是客运还是货运的要求,为什么中国过去一直在用韶山型的直流电力机车呢？难道是设计人员不知道交流电机的原理和优点吗？当然不是,韶山型机车的辅助电机全部采用的都是三相异步电动机驱动的,但为什么没有把牵引电动机也改成交流电机呢？大家有没有发现,韶山型机车的辅助电机不能调速,它们转起来只有一个速度,不可调。这是因为交流电机调速和直流电机调速不一样。之所以过去一直在不断的研制韶山型电力机车,原因主要是直流电机调速靠调压来调速,而交流电机调速与调压几乎无关,它主要靠调频来调速,这就需要晶闸管控制技术,而那时候中国的电子科技水平还比较落后,生产的晶闸管质量不过关,还没有达到真正应用到机车上的程度。所以韶山型机车应用的电机一直都是直流电机,那是因为直流电机的控制技术中国掌握地比较成熟,直流电机调速主要靠调压调速和磁场削弱这两种方式。比如最早的韶山1型电力机车,它的调压方式采用的是调压开关调压的方式,就是利用变压器副边不同的绕组接头变换,来改变直流电机的端压,从而达到调压调速的目的,但每级之间的电压是跳变的,容易产生纵向的冲动,为了达到尽量平滑调速的目的,把调压的级位设置为三十三级,这样才能基本达到平滑调速的目的。后来的韶山3型车还采用了调压开关,但只有8个大级,每个大级之间用晶闸管无级调压。从韶山4型机车开始,真正淘汰了调压开关,主要采用三段不等分半控桥相控无级调压方式,全部实现了无级调压,使机车的运行实现了平滑调速。磁场削弱也从一开始的三级磁场削弱,最后变为无级磁场削弱,实现了整个调速过程的无级调速,但无级磁场削弱也有两个不同的形式:一种是韶山7型电力机车的无级磁场削弱,它是复励电机的无级磁场削弱方式;另一种是韶山8型机车上采用的晶闸管分路的无级磁场削弱方式。

随着中国的不断发展,人们对铁路的要求也发生了变化。客运列车的速度要求越来越快,货运列车要求重载,这两个不同的要求靠韶山型直流机车已经无法满足,只有交流机车才能满足人们对客运和货运的要求。中国的科技水平在不断提高,加上不断引进国外的先进科技技术,中国的半导体技术也突飞猛进,大功率的晶闸管不断出现,交流逆变技术也越来越成熟,这就使得交流电机调速能够被应用到机车上。中国也有自主研发的交-直-交机车,如:中国的第一辆交流机车AC4000型、技术比较成熟的“天梭号”、中国单机功率最大的交流机车SSJ3型机车等,还有中华之星,春城号等动车组。但中国的交流机车技术和外国相比还有不小的差距,为了尽快缩小和外国的差距,提出了跨越式的发展,中国从外国引入了一系列先进的机车技术,包括高速的动车组技术和大功率的交-直-交机车技术,经过几年的消化吸收,中国已经慢慢掌握了交流传动技术的关键,国产化的大功率的HXD1C等电力机车已经大批量的生产出来,应用到了全国各个铁路局,发挥了越来越大的作用,这些都明显地证明了:交流机车已经慢慢替代直流机车成为了铁路运输的主要动力。

参考文献

[1] 张鸷中.中国电力机车的研制与发展[J].中国科技史料,1998年04期.

[2] 周翊民,李中浩.中国交流传动机车的发展[J].中国铁路,1995年07期.