变频技术在铁路机车车辆上的应用现状和市场前景.docVIP

变频技术在铁路机车车辆上的应用现状和市场前景 郭世明 西南交通大学电气工程学院 摘要 近几年我国我国铁路进入了大规模建设时期，一大批重点工程从南到北、由东到西全面展开。2008年底，国家批准的铁路新线建设里程为3万公里，投资规模为2万亿元。200公里以上的客运专线，2012年，将有1.3万公里客运专线及城际铁路投入运营，其中时速300～350公里的有8000公里，时速200～250公里的有5000公里。此外，环渤海、长三角、珠三角、东北地区、中原地区、川渝地区、海峡西岸等经济发达和人口稠密地区部分城际铁路也将建成通车。2012年，我国铁路营业里程将达到11万公里，电气化率、复线率均达到50%以上，发达完善的铁路网初具规模。到2008年底，全路已配属动车组181列，预计到2012年有800列动车组投入运用。其中，2009年增加109列，2010年底增加110列，2011年底增加190列，2012年底增加210列。届时，客运专线、城际铁路、提速线路上将大密度开行高速动车组列车。大幅度增加空调客车数量，到2012年，空调客车将达到2.5万辆，约占客车保有量的60％。机车方面，广泛应用六轴7200千瓦、9600千瓦大功率交流传动电力机车和6000马力大功率交流传动内燃机车。预计2009～2012年，年均投入运用1200台以上，到2012年底，繁忙干线和主要煤运通道全面实现大功率交流传动机车牵引。 （1）粘着性能好 1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。 2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。 （2）功率大，牵引力大 这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。? 目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为：直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。 （3）可靠性高，维修简便 交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘性能好。因此故障率低，可靠性高。 控制装置采用模块结构，故障率很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。 （4）效率高，利用率高、使用灵活性强 交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。E120交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能3～6%，货运作业时可节能8～10%。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10%。 ? 交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。 （5）动力性能好、制动性能好 异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。 （6）功率因数高、节能。 交-直-交电力机车采用四象限控制器作为机车电源侧的变流器，可以在广泛的负荷范围内保持功率因素接近 1，电流的波形接近于正弦波，而且在再生制动时也是如此。 交流传动电力机车牵引和再生工况的功率因数均接近于1，不仅降低了电网损耗而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对信号和通信系统的干扰。 3．变频技术在机车动车上的应用 1971年德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型交流传动内燃机车，功率为1840kW，从此开始了现代交流机车的时代。 自1970年起，交流传动机车的产量逐年增加。以DE2500型机车为先驱的交流传动机车可视为第一代交流传动机车。受当时技术发展的限制，主电路开关元件采用的是关断速度较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采用微机。 1989年ABB公司开发出采用GTO晶闸管逆变器的第二代交流传动的DE1024型内燃机车（1987年世界上出现第一台应用GTO元件的交流机车—3200kW的Re4/4型机车，应用GTO元件的交流机车称为第二代交流传动机车）； 1996年11月，德国Adtra