申志鋒

摘 要：鐵路系統(tǒng)的高速發(fā)展是鐵路電氣化的結(jié)果，列車的運(yùn)行依賴于電力機(jī)車的牽引。隨著時(shí)代的變化，人們早已不滿足于鐵路牽引系統(tǒng)的基本功能，即能夠帶動(dòng)列車的運(yùn)轉(zhuǎn)。人們將關(guān)注的矛頭轉(zhuǎn)向了電機(jī)牽引功能的好壞，列車運(yùn)行的成本和受到電磁影響的強(qiáng)弱等新課題。交流傳動(dòng)系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用是文章主要研究的課題。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；電機(jī)牽引；交流傳動(dòng)；技術(shù)應(yīng)用

上世紀(jì)90年代初，交流電動(dòng)機(jī)牽引開始逐漸代替動(dòng)力牽引和直流電牽引模式應(yīng)用于高速鐵路的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中。交流電動(dòng)機(jī)可分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)最早應(yīng)用于法國，其特點(diǎn)是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較高，但是其必須在定子和轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速下才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩，這就使它的適用性大大降低。在此基礎(chǔ)上異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩條件也相對較低，并且運(yùn)行效能較高，彌補(bǔ)了同步電動(dòng)機(jī)的不足。此外異步電動(dòng)機(jī)還可以根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的不同衍生出所需產(chǎn)品，實(shí)用性極高。時(shí)至今日，異步電動(dòng)機(jī)仍為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的首選。

1 動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

在全世界范圍內(nèi)，各國高鐵及動(dòng)車組的牽引控制系統(tǒng)都采用交流方式進(jìn)行動(dòng)力的傳送。其構(gòu)造部件如下：

1.1 交流牽引電機(jī)

鐵路列車和動(dòng)車組系統(tǒng)中多使用三相交流電機(jī)。三相交流電機(jī)是異步交流電機(jī)的一種，它的構(gòu)造最為簡單，轉(zhuǎn)速極高，黏著性好，牽引力強(qiáng)，具有較好的制動(dòng)性，是同步直流電機(jī)所不可比擬的。目前各個(gè)國家還在進(jìn)一步提高交流電動(dòng)機(jī)的性能和技術(shù)研發(fā)水準(zhǔn)，我國也在不斷加大研發(fā)力度，以求開創(chuàng)交流電機(jī)在我國應(yīng)用的新局面。

1.2 變流裝置

在工業(yè)領(lǐng)域，三相交流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，高鐵和動(dòng)車組上就是用三相交流電機(jī)作為機(jī)車的牽引裝置。為了配合三相交流電機(jī)的使用，最大程度的發(fā)揮牽引效能，就需要配備專門的交流裝置。這種裝置結(jié)構(gòu)較為繁復(fù)，所需功率極大，是專門應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的，它的作用就是將原有的單向交流電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需要的三相交流電。其特點(diǎn)具體歸納如下：（1）與直流電相比，交流電動(dòng)勢圖呈正弦波的趨勢，可有效減輕在變矩過程中電流諧波對轉(zhuǎn)矩的干擾。（2）承載力和適應(yīng)性強(qiáng)?？梢詰?yīng)對多種突發(fā)狀況，如電壓不穩(wěn)，車輪側(cè)滑等，保持電機(jī)牽引的穩(wěn)定和可靠性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)車車體運(yùn)行狀態(tài)在可控范圍。（3）操控特點(diǎn)不同于直流裝置，牽引效能的好壞受制于多種因素，如轉(zhuǎn)矩需要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)才可啟動(dòng)等等。（4）變頻幅度大，可根據(jù)實(shí)際情況不同進(jìn)行頻率的隨時(shí)調(diào)整，最低點(diǎn)為0.4Hz，最高可達(dá)200Hz。在此過程中，變化的穩(wěn)定性高，不會(huì)產(chǎn)生較大的起伏。（5）動(dòng)車供電系統(tǒng)在供電時(shí)，輸出功率要盡可能平穩(wěn)，不要產(chǎn)生太大波動(dòng)，功率參數(shù)保持在1左右最好，以最大限度緩解對整個(gè)控制系統(tǒng)的負(fù)面影響。（6）變流裝置的牽引效能較直流裝置好，對材料的浪費(fèi)率低，穩(wěn)定性高。（7）系統(tǒng)在檢測，調(diào)試，安裝和故障修理時(shí)更容易。（8）交流設(shè)備體積小巧，抗震性強(qiáng)，適用于動(dòng)車組的運(yùn)行環(huán)境。9）可進(jìn)行能量和動(dòng)力的雙向轉(zhuǎn)換。

2 交流傳動(dòng)技術(shù)在動(dòng)車運(yùn)行過程中的控制策略

2.1 交流傳動(dòng)控制策略

交流機(jī)車一般可分為兩類，其中單項(xiàng)工頻機(jī)車的控制系統(tǒng)多采用交-直-交的方式進(jìn)行電流的傳輸和控制。這種方式又包含兩種控制方法：網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)逆變器控制。

（1） 網(wǎng)側(cè)變流器控制。網(wǎng)側(cè)變流器是動(dòng)車組電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，它的工作原理為通過調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)對電流大小的控制，是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的設(shè)備。相對其他變流器，其優(yōu)點(diǎn)是在列車運(yùn)行時(shí)可以有效減少電諧波對周邊所帶來的影響。另外，由于動(dòng)車組的順利運(yùn)行需要穩(wěn)定的電壓作為前提保障，網(wǎng)側(cè)變流控制器可以變交流電為直流電的特性正符合了動(dòng)車運(yùn)行時(shí)對電壓的要求。所以電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器適用于以單項(xiàng)交流電位主控制系統(tǒng)的動(dòng)車組，要根據(jù)需要合理配備網(wǎng)側(cè)變流器。（2）電機(jī)逆變器控制。電機(jī)側(cè)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的電機(jī)設(shè)備，與變流器對電流的控制方向正好相反，分為正弦波逆變器和方波逆變器。動(dòng)車電機(jī)牽引設(shè)備中包含有異步牽引電機(jī)，其要和配套的電機(jī)逆變器結(jié)合使用。動(dòng)車的牽引控制具有特殊性，牽引系統(tǒng)是通過三相交流電的傳動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)的。

2.2 交流異步電機(jī)控制技術(shù)

異步電動(dòng)機(jī)較傳統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)而言更具有動(dòng)態(tài)性，它可以將交流電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為直流電傳動(dòng)系統(tǒng)，易于操控，擴(kuò)大交流電系統(tǒng)的使用范圍。異步電動(dòng)機(jī)可通過調(diào)整電壓和電頻生成動(dòng)車組系統(tǒng)中的三相交流電。它通過調(diào)控定子電流和定子電壓使之發(fā)生變化，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段異步電機(jī)有如下幾種操控手段：（1）矢量控制方法，是將定子電流分解達(dá)到矢量變換的目的。（2）自適應(yīng)控制方法，能夠克服參數(shù)的變化自動(dòng)適應(yīng)電流的轉(zhuǎn)變。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方法。

3 交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及實(shí)際運(yùn)用

交流電動(dòng)機(jī)對于日常生活的意義十分重大，它覆蓋了工農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，科技國防等各個(gè)領(lǐng)域，尤其在與人們生活息息相關(guān)的家用電器領(lǐng)域，其應(yīng)用更為廣泛。交流電動(dòng)機(jī)包括同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩大類。同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速靠改變供電電壓的頻率來改變同步轉(zhuǎn)速。由于中間環(huán)節(jié)是直流電壓，在電壓型逆變器中電力半導(dǎo)體器件始終保持正向偏置，由于采用了晶閘管器件，就必須進(jìn)行某種形式的強(qiáng)迫換流。根據(jù)換流方式的不同，電壓型逆變器的種類很多，其中帶有輔助晶閘管單獨(dú)關(guān)斷的并聯(lián)逆變電路，即著名的麥克墨萊電路在機(jī)車傳動(dòng)中有一定的代表意義。麥?zhǔn)想娐肥墙柚o助晶閘管接通L、C振蕩換流電路，使導(dǎo)通的晶閘管中的負(fù)載電流降到零并承受一定時(shí)間的反向電壓的一種強(qiáng)迫換流電路。交流調(diào)速系統(tǒng)主要是針對異步電動(dòng)機(jī)而言，它是交流傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。對于鐵路牽引，要求傳動(dòng)系統(tǒng)按照一定的控制方式（如恒力矩和恒功率） 運(yùn)行，同時(shí)又不斷地迅速地加速或減速。

動(dòng)車機(jī)車牽引系統(tǒng)多為閉環(huán)的傳動(dòng)方式，這樣可以更好的保持動(dòng)車在運(yùn)行過程中牽引系統(tǒng)控制的有效性和平穩(wěn)性。傳動(dòng)裝置通過變矩器進(jìn)行變速變矩，達(dá)到機(jī)車動(dòng)力的傳動(dòng)效果。一般情況下，傳動(dòng)過程中可以采用以下方法進(jìn)行變矩：第一種方法是直接控制轉(zhuǎn)矩。通過比對實(shí)測的轉(zhuǎn)矩與原有的轉(zhuǎn)矩之間的信號差異，進(jìn)而導(dǎo)入新的轉(zhuǎn)矩信號，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的目的。還有一種方法是參考其他的系統(tǒng)信號值，將這些相關(guān)值進(jìn)行檢測對比，生成轉(zhuǎn)矩信號，間接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩。這兩種轉(zhuǎn)矩方式的應(yīng)用范圍都較為廣泛，適用于各種類型的列車。尤其是直接轉(zhuǎn)矩的方式更加受到人們的稱贊?？萍嫉倪M(jìn)步使得近年來交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)新的調(diào)速方式，如電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，諧振型變頻調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)等。

4 結(jié)束語

上文系統(tǒng)闡述了動(dòng)車組動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)和傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理。迄今為止，越來越多的國家在發(fā)展高鐵項(xiàng)目時(shí)都采用交流傳動(dòng)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)能夠更快的實(shí)現(xiàn)電流的變矩，牽引功率高，有利于提高電機(jī)的牽引效能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展。

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