机车电传动系统技术特点及未来发展趋势研究

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 前言

根据牵引电动机工作电流的不同，电传动系统可分为直流传动系统和交流传动系统。机车电传动系统作为电传动系统的一个独立分支[1]，其覆盖范围包括干线铁道牵引动力装置、城市轨道交通列车和非轨道电动车辆等领域的电传动控制系统。干线铁道牵引动力装置主要有电力机车、电传动内燃机车和动车组，动车组主要有电力动车组(EMU)和内燃动车组(DMU)[2-5]；城市轨道交通列车主要有地铁、轻轨、有轨电车及中低速磁悬浮列车等；非轨道电动车辆主要有无轨电车、双动力汽车及电动汽车等。干线铁道机车、动车组和城市轨道交通列车在传动控制方式上具有相似性。其电传动系统是一个需要大范围调速的大功率传动系统，调速系统要保证列车在可运行速度范围内实现高效、平稳的速度调节，具有良好的静态、动态性能，满足列车牵引运行需要。

1 机车电传动系统基本组成

机车电传动系统主要由牵引电动机、传动装置和动力轮对组成，牵引电动机接受电能并将其转换为机械能从转轴上输出，通过传动装置带动车轮旋转，在轮轨之间产生牵引力，牵引列车运行。控制单元是电传动系统的中枢神经，承担着整个系统各单元内部及相互间的控制和通讯任务。

2 机车电传动系统分类

机车电传动系统可以按电能供给方式、牵引电动机工作电流的性质进行分类。

2.1 按电能供给方式分类

按电能供给方式的不同，机车电传动系统可分为自备电源系统和外供电源系统。

自备电源系统主要为电传动内燃机车，外供电源系统主要有电力机车、电力动车组(EMU)、城市轨道列车和中低速磁悬浮列车等。

内燃机车为自备能源的机车，目前大功率内燃机车的传动装置主要有电传动和液力传动两种传动方式。受制造能力和技术习惯的影响，不同国家对两种传动方式的认识也有所不同。液力传动具有质量轻、铜耗少、运营维护简单及成本低等诸多优点；电传动具有效率高[6]、工作可靠、自动化程度高和综合性能优异等优点。一般机械制造、液压技术能力强的国家，如德国、奥地利、日本等，倾向于生产和应用液力传动内燃机车，其他绝大多数国家主要生产和使用电传动内燃机车。我国一直以发展电传动内燃机车为主，曾经也生产、进口过一些液力传动内燃机车，现已全部退出干线牵引。曾经倾向于液力传动的国家，由于受市场销售影响以及电传动技术的不断进步，也逐步放弃液力传动而转向电传动内燃机车的研制与应用，因此，电传动已成为内燃机车的主流传动模式。

电力机车、电力动车组及城市轨道列车为外供电能的动力装置。现代电力机车、电力动车组均采用单相交流供电制式，城市轨道列车一般采用直流750 V/1 500 V供电方式[7]。

2.2 按牵引电动机工作电流性质分类

按照牵引电动机的工作电流性质不同，机车电传动系统可分为直流传动系统和交流传动系统。结合外供电源电压或牵引发电机输出电压的不同性质，电传动系统可有多种组合形式。在单相交流供电制式下，电力机车、电力动车组的电传动系统可分为交一直流传动系统和交流传动系统；城市轨道列车的电传动系统可分为直一直流传动系统和直一交流传动系统。在内燃机车中，牵引发电机、牵引电动机都有直流、交流之分，其电传动系统可分为直一直流传动、交一直流传动和交流传动系统。

3 直流电传动系统及其技术特点

直流电传动系统是以直流串励电动机作为牵引电动机的传动系统。城市轨道列车以直流串励电动机作为牵引电动机，主要由其优异的调速性能所决定。从电磁过程来看，直流牵引电动机是一个双端励磁的电动机，其磁场电流与电枢电流无耦合关系[8]，可独立进行控制，其起动、调速性能和转矩控制特性符合牵引需要，动态性能良好。由于电源性质不同，直流电传动系统可分为直一直流和交一直流电传动系统两种模式。

3.1 直一直流电传动系统

直一直流电传动系统是由直流电源向直流牵引电动机供电的传动系统，在我国电气化铁路中并未采用过这种供电方式。而在内燃机车中，直一直流传动曾经是主要的传动形式，牵引发电机采用直流发电机，曾生产和进口了DF1、DF2、DF3、ND1、ND2型内燃机车。直流牵引发电机因受换向条件、机车限界尺寸及轴重等因素限制，单机功率曾被限制在2 200 kW以下[9]，致使机车功率受限制。在城轨列车中，直一直流传动作为主要传动形式持续了很长时间。

3.2 交一直流电传动系统

交一直流电传动系统是由交流电源经整流后向直流牵引电动机供电的传动系统，是继直一直流传动之后的又一直流传动模式，作为机车电传动系统的主要传动模式，至今仍在许多国家和地区使用。我国干线列车牵引机车仍以交一直流电传动系统为主，交一直流电传动机车保有量很大。尽管直流电传动系统具有理想的牵引性能，但不可否认，直流牵引电动机由于电枢结构复杂、惯量较大，存在接触式的机械换向器，换向过程复杂，运行中不可避免地产生换向火花，很容易发生环火故障，这在一定程度上降低了牵引电动机运行的可靠性[10-11]；同时，直流牵引电动机又受电枢机械强度的限制，其输出功率和最高转速都基本达到了极限值，使直流传动系统遇到了不可逾越的障碍，制约了直流传动机车功率的进一步增加。

交一直流电传动系统中，电力机车与内燃机车的电源均为交流电，但在性能上存在着较大的差异。电力机车通过接触网获得单相高压交流电，需经牵引变压器降压；内燃机车采用三相同步发电机，输出电压较低、频率较高的三相交流电，额定频率一般为工频的2倍以上。 电力机车由接触网提供单相高压交流电能，通过车载受电弓将单相高压交流电引入车内牵引变压器原边绕组，经变压器降压后在副边绕组上输出1 000 V左右的单相交流电，供给可控整流器，进行相控调压，输出交流分量较大的脉动电压，经平波处理后送给直流(脉流)牵引电动机，完成机电能量转换，驱动列车运行。

3.3 交一直流传动电力机车工作原理

交一直流传动电力机车曾经持续发展了许多年，技术非常成熟，成为许多国家客货运输的主型电力机车。我国生产的SS3B～SS9G型机车都属于此类电力机车，仍在承担着繁重的客货运输列车的牵引任务[12]。

交一直流传动内燃机车是由柴油机驱动三相同步发电机产生三相交流电，通过大功率硅整流器将三相交流电变换为直流电，供给各直流牵引电动机。该型内燃机车既保留了直流牵引电动机，又采用交流牵引发电机与硅整流器取代了直一直流电传动系统中的直流牵引发电机，使得传动系统结构简单、运行可靠、省铜、维护保养简单。在同等功率条件下，交流牵引发电机的质量只有直流牵引发电机的1/2。因此，交一直流电传动一度成为国内外大功率内燃机车的主要传动方式，曾研制生产了许多用途的此类机车，保有量巨大，在许多国家至今仍为主型机车。美国GE公司的Dash8系列、GM公司的EMD-60系列，我国生产的DF4～DF11G型以及进口的ND4、ND5型内燃机车均采用交一直流电传动方式。

交一直流传动的内燃机车、电力机车，由于供电电源方面的差异，其电流变换、调压电路结构不同，供给牵引电动机的电源品质差异较大，导致主电路结构不尽相同。牵引电动机同为直流(脉流)串励电动机，能够获得良好的牵引性能，但直流(脉流)牵引电动机固有的不足，诸如电枢结构复杂、换向问题及可靠性等，制约了其单机功率、转速的进一步提高，不能适应高速、重载运输对牵引动力的更高要求。解决这一问题，只有从提高牵引电动机的功率、转速着手，采用交流牵引电动机是最佳选择。只有采用交流传动才能使电力机车、内燃机车再创辉煌。

4 交流电传动系统及其技术特点

4.1 交流电传动系统及其历史发展

随着铁路运输向着高速化、重载化方向发展，对牵引动力装置也提出了速度、功率的更高要求，即提高牵引电动机单机功率与转速，这对直流电传动系统而言是难以实现的。寻求新的电传动方式是解决铁路运输高速、重载发展的关键之一。

目前，计算机网络控制已成为主流控制模式。作为列车运行的重要载体，轻量化流线型车体、高性能走行部设计制造技术取得了重大突破，以高速转向架、径向转向架为代表的现代转向架技术，在高速、重载列车的发展中发挥着重要作用。因此，采用交流电传动技术、现代转向架技术和网络控制技术已成为现代列车的主要技术标志[13]。

机车交流电传动系统就是采用交流牵引电动机作为驱动电动机的电传动系统，其优点主要由交流牵引电动机的优点而体现出来。牵引电动机以三相异步牵引电动机为主，同步牵引电动机应用较少，永磁同步牵引电动机正在发展中。

交流异步电动机结构简单、体积小、重量轻、维修少，在机械设备的传动中应用最广[14]，在牵引领域曾经过多次尝试，均以失败告终，未能得到有效的应用。其主要原因是技术条件不成熟，靠旋转机组做调压调频，控制性能达不到要求，且设备的重量体积庞大，各方面的指标均无法与直流传动相比。随着技术的发展，半导体器件及应用半导体器件的静止变流器技术发展迅速，使交流电传动在牵引领域的应用成为可能，并为其发展提供了广阔的前景。英国曾在一台内燃电传动机车上进行交流传动试验，使用晶闸管逆变器，因换流技术不过关而失败。美国在克里夫兰铁路上成功地试验了交流电传动的动车，由于没有充分认识这项技术的潜在能力，这项技术没有得到进一步发展。

早在1971年，原联邦德国设计出了第一台实用的交流传动(交直交传动)内燃机车，型号为DE2500[15]，柴油机功率2 500 hp，牵引电机总功率1 500 kW，电机为抱轴式悬挂，最高速度为140 km/h。交直交变流系统是三相同步发电机、硅整流器、电容中间回路、三相逆变器，采用脉宽调制，异步牵引电机采用变频调压和转差控制。DE2500型机车一共制造了三台，在线路上进行了长期的运行试验，试验结果显示这种新型传动方式的优越性，属于新一代的交直交牵引传动方式受到各方面的重视，其主要优点有：

(1)黏着利用好，有自然防空转性能，单轴不会飞车；发挥起动牵引力不受时间限制；

(2)牵引电机容量大、体积小、重量轻、结构简单、维修少；

(3)起动阶段柴油机发挥功率小，节能效果好；

(4)簧下重量小，走行性能好，抱轴悬挂最高速度可达140 km/h。

交流传动的优点对工矿和调车作业来说，其牵引和节能效果尤为明显，所以在工矿运输中得到了推广应用。

在以后的发展中电流源逆变器主要用于城市交通的动车组。干线机车上也进行了应用，但为数极少，其主要优点是对器件要求低，从而造价低，保护简单，缺点是起动性能不理想，能量反馈质量差，如果用脉冲整流器改善功率因数，则造价也相对较高。

在优化过程中，认识到由于异步电机本身的特点与黏着机制的相互作用，如果采用目前常用的以转向架为单位的控制方式则难以充分利用机车的黏着，应该以单轴传动来取代，在当时要实施单轴控制方式在技术上和经济上均不具备条件。

交流传动电力机车还在高速客运领域获得广泛应用。尤其是在西欧高速客运网已普遍采用动力集中式高速动车。其牵引动力均采用了交流传动方式。

目前，采用交流传动方式的机车车辆多以三相交流笼式转子异步电动机作为牵引电动机，可以很好地解决直流牵引电动机存在的问题，能满足现代列车牵引对于高速、大功率的要求。交流异步牵引电动机单机设计制造水平已超过2 000 kW，运行转速超过4 000 r/min，最高试验转速可达到7 100 r/min，已装车最大轴功率达到1 840 kW。从功率、转速上看，交流异步牵引电动机完全能够满足现代列车对速度及牵引力的需求；但从调速性能方面来看，交流异步牵引电动机实现平滑调速比较困难。交流异步电动机属于单端励磁的电动机，其工作所需的磁场及作功能量均需由定子绕组上输入，建立磁场的无功电流与对外输出机械功率的有功电流都来自定子同一电流，相互耦合在一起，不能对励磁电流与有功电流进行独立控制，使得平滑调速异常困难，为此需要一套高性能的变频电源，即交流异步牵引电动机实现平滑调速的关键是变频电源，这也是交流电传动技术发展的关键。

根据供电电源性质及变流方式的不同，交流电传动系统主要可分为交一交流传动、交一直一交流传动和直一交流传动三种形式。

4.2 交一交流传动系统

交一交流传动系统是将某一频率的交流电源直接经逆变器变换以后，获得频率可调的三相交流电源，供给交流牵引电动机[16-17]。对于采用单相交流供电的系统，变频器只能改变频率提供单相变频电源，不能向三相交流牵引电动机供电，所以此交流传动方式不适合作为电力机车的传动。对于三相交流电源而言，经过变频器可直接改变输出频率，为交流牵引电动机供电，从工作原理上看适合内燃机车的交流传动。

在交一交流传动中，变频器的输入频率与输出频率之间有着直接的关系，变频器的输出频率一般仅为输入频率的1/3。对于自备发电系统的牵引动力装置而言，当原动机的转速足够高时，交流同步发电机将可输出频率较高的三相交流电，经直接变频后可获得调速所需的频率范围，满足牵引调速需要。因此，交一交流传动系统适合于由高速原动机驱动的动力系统，如燃气轮机驱动的牵引动力系统一燃气轮机车等[18-19]。以柴油机作为原动机的传统内燃机车，因柴油机额定转速较低，三相交流同步发电机的输出电压频率很有限，使牵引电动机的最高运行转速很低，因此不能满足机车调速要求。也就是说，交一交流传动系统不适合作为当前内燃机车的传动系统，至今也没有应用的范例。

4.3 交一直一交流传动系统

交一直一交流传动系统是具有中间直流环节的间接变流系统，输入的交流电源与输出的交流电源之间完全独立，在频率上没有任何关系，其变流过程由交一直流变换和直一交流变换两部分组成[20-21]。

交一直一交流传动的电力机车、EMU以及内燃机车都具有动力制动能力。电力机车、EMU采用再生回馈制动，将列车的惯性能量最终变换为电能，回送到接触网以供再利用；内燃机车只能采用电阻制动，将列车的惯性能量变换为直流电能，输入到车载制动电阻被消耗掉。交一直一交流传动的电力机车、EMU以及内燃机车一般采用架控方式或轴控方式供电。

4.4 直一交流传动系统

直一交流传动系统是指采用直流电网供电的交流传动系统，主要应用于地铁、轻轨列车和中低速磁悬浮列车。直流电源通过受电弓或第三轨从电网引入，经高速断路器、滤波电抗器等高压电器再接入逆变器。在传动控制单元的控制下，逆变器将输入的直流电能变换成频率、电压可调的三相交流电，供给异步牵引电动机[22-23]，完成机电能量转换，产生牵引动力，实现对异步牵引电动机的转速与转矩控制。交流传动机车在技术上正在不断发展并日趋完善，发展的主要方向如下所示。

4.3.1 向更大功率的通用型机车发展

目标是只使用一种通用型机车来满足各种运输的要求。目的是将来只用一种机车以减少机车保有量，得到更高的经济效益。

4.3.2 使用高阻断能力的大功率可关断晶闸管(GTO)元件的变流装置

目前越来越多的交流传动机车采用GTO变流装置。普遍使用的GTO晶闸管的水平是4 500 V电压等级，3 000 A的元件。为了能适应直流3 kV电网和更大功率的通用型机车的要求，GTO器件的电压和电流容量都将提高，与此有关的一项技术是大功率器件的油浸强迫循环冷却技术。使用这一冷却技术可以提高功率模块的集成度。

4.3.3 充分发挥机车的黏着牵引力

为了在轴重转移情况下仍能充分发挥机车的黏着牵引力，必须采用单轴控制的控制方式，使每根轴都能发挥与当时轴重相应的功率。这样对逆变器和牵引电动机的容量应按照可能出现的最大轴重时的功率参数来设计，所以更大功率的逆变器也是实施单轴驱动的基本条件之一。单轴控制要增加某些控制单元，因此电子控制系统也应有相应的发展。除此之外，尚需提高电机控制的动态性能，交流传动的牵引电机控制初期普遍采用转差控制。这种控制存在的缺点是响应速度慢，而且需要很精确的转速测量。以后渐渐采用磁场矢量控制。近年来出现一种直接转矩控制方法。这种控制方法的优点是转矩控制响应快，即使在中间回路波动时转矩也很平稳，在受电弓离线干扰时转矩也能平稳控制。在异步调制区能充分利用开关频率，减小谐波含量可取消电机滤波电抗器。转矩控制块可使防空转系统更有效。这种方法为了在低转速时为计算磁场还需要测量转速。目前正在研究取消转速测量。直接的转矩控制将在交流传动机车中大有发展前途。

4.3.4 使用微机自动化系统

随着电子器件的发展，微机自动化系统越来越多地用于交流传动机车。除了机车控制、传动控制以外，还扩大到故障诊断和预诊，以及高速客运的列车信息系统等，使用的器件集成规模和功能均有大幅度的提高。

目前使用GTO变流装置的转向架传动控制仅有5块插件板即：电机转速处理、电机控制、GTO元件触发、GTO元件保护以及电子信号——光缆——转换等功能插件板。电子柜的输入输出使用分散的输入即模块，分别安装在车内有利的位置，从而使布线大量减少。从微机自动化系统的功能来看，几乎是无所不能，所以有着广阔的前途。

从1971年第一台交流传动机车问世以来，迄今已有五十载。五十年来的发展充分显示了这种传动技术的优越性和生命力。这种传动方式已被各国铁路所接受，部分国家如德国已经明确规定今后只生产交流传动机车。从总体来看，交流传动技术必将作为整个牵引领域的主流发展趋势。

5 机车电传动技术的发展趋势

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。

5.1 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[24]。

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、钐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电动机，具有极对数多、转矩密度高的特点[25]，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[26-27]。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。以法国高速列车AGV为例，其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。

5.2 机车电传动的发展特点

从目前国内外情况来看，机车电传动发展的特点主要有以下几个方面。

5.2.1 采用交流传动方式

随着交流传动技术的发展成熟和生产成本的合理解决，交流传动无疑是机车传动方式的主要发展方向。目前发达国家普遍采用交流传动方式，欧洲的阿尔斯通公司、庞巴迪公司、西门子公司、美国的GE公司和EMD公司等世界几大机车制造商已批量生产交流传动电力机车和内燃机车，并向许多国家出售。近几年来，我国通过技术引进、消化吸收、再创新，开始批量生产交流传动电力机车和内燃机车。

5.2.2 采用新型电力电子技术和车载微机控制技术

机车电传动系统是由各种复杂的牵引设备、辅助设备、连接线路及其控制装置构成的，它的性能先进与否决定了机车的牵引运行性能。应用新型的电力电子技术和微机控制技术可以优化电传动系统的结构，准确、迅速、可靠地实现机车牵引运行的控制调节，满足机车调速和制动的要求。随着机车控制功能的复杂化和多样化，单台微机已难以完成任务，而是需要多台微机并行工作，一般通过网络系统实现分布式的多级控制。微机网络控制系统能综合各种信号进行机车牵引与制动的控制，实现各种自动保护，如机车防空转、防滑行保护，接地保护，过流过压保护等。此外微机系统还可以实施故障监测、诊断、处理、显示和记录等功能，以便迅速发现故障和查找故障点。

5.2.3 建立机车技术开发平台，实现产品的标准化、系列化和模块化

国外几大机车制造商面向市场都利用各自的技术平台开发多品种、多系列的机车。在各种不同功率乃至不同类型的机车上尽量采用统一的、标准化的零部件，硬件、软件及控制系统实现模块化和网络化，以便优化制造过程，提高产品质量，降低生产成本，而且还可大大简化运用部门和检修部门的工作，降低运用和维修费用，取得显著的技术经济效果。

6 总结与展望

铁道运输及城市轨道运输作为我国国内重要的陆用运输方式，其在国民经济建设及工业技术发展领域扮演着重要角色。电传动作为机车及其他轨道车辆的重要动力传动方式，在其技术优化过程中同样起着举足轻重的作用。由此，针对电传动而开展的相关技术研究及工程试验同样必不可少，其将有力推动我国未来机车车辆技术的发展。