我国铁路机车车辆现代化地关键技术.doc

我国铁路机车车辆现代化的关键技术 前??言高速铁路正在全世界如火如萘地发展，2002年底统计世界新建高速铁路已达5435km，2004年4月1日韩国首条高速铁路开通，速度达300km/h，2005年中国台湾省首条高速铁路也将开通，到2007年全世界新建高速铁路还要增加3267km。高速列车是高速铁路的技术核心，是机车车辆现代化的具体载体。如果说高速铁路是现代高新技术的综合集成，则高速列车是机械、电子、材料、计算机、控制等现代技术综合集成的集中体现。根据国务院批准执行的“中长期铁路网规划”要求，2020年前我国将修建四纵四横客运专线及三个城际快速客运系统共计达12000km以上，为此研究开发并攻克高速列车的关键技术，推进我国机车车辆现代化已成为当前摆在铁路科技工作者面前的紧迫任务。高速列车如按列车动力轮对分布和驱动设备的设置来分类，可分为动力集中型和动力分散型，如按列车的转向架布置、车辆联结方式来分类，可分为独立转向架式和铰接转向架式，各种类型的高速列车各有其优、缺点，但总体上均取得成功。随着高速列车速度提高到300km/h以上，动力集中与动力分散两种类型正在相互靠拢，界线逐渐模糊，动力分散式相对集中，动力集中式将动轴扩展，粘着利用更加充分而性能价格比提高，正向着综合型式发展。各型高速列车不论具体结构及设备如何，其关键技术是一致的，可以列出如下十大技术领域：一、 交流传动技术1. 高速列车牵引传动装置的特殊要求高速列车在高速下运行，其基本阻力大大增加，尤其是空气阻力与速度成二次函数关系，其功率与速度成三次函数关系，因此，必须具备大功率的牵引动力。高速列车牵引传动装置的特殊要求是：◆大的额定输出功率。◆牵引电机重量轻，易维修，耐恶劣环境条件。◆速度控制方便。◆电机的转矩—速度特性较陡，可抑制空转，提高高速下粘着利用。◆电机无换向，不会引起电气、机械损耗，无环火故障。2. 交—直—交变换系统交—直交变换系统是将单相交流电通过整流转变为直流电，又通过逆变器将直流电转变为可改变频率与电压的三相交流电，供交流牵引电机牵引所用，高速列车的交流传动系统与一般工业领域的变流装置相比，有其技术上的特点：◆调速范围宽，可从0速度一直到最高速度300km/h以上，而且调频连续无冲击。◆控制特性全面。从恒功控制到恒转矩控制，再到自然特性区控制，均可实现。◆有良好的快速动态响应特性。能适应空转，打滑、跳弓、离线等各种网压波动。◆输出电压波形质量良好，能尽量减少谐波分量，功率因数可接近为1.0。◆牵引与再生制动可频繁转换。◆效率高、可靠性好。◆重量轻、体积小、耐振、可接近性好。在交流传动系统中，采用异步牵引电机越来越成为发展主流。自换向同步交流电机最大的优点是变流器控制装置比较简单，控制同步电机的GTO晶闸管逆变器可靠、成本低，但同步交流电机仍存在换向机构(滑环及电枢绕组)、其体积和重量相对异步电机要大，而且维修仍有困难。而异步牵引电机没有换向器，结构简单，体积小，重量轻，功率/重量比高，可实现电机无维修，因此更受欢迎。尤其是逆变器技术的进步，新型电力电子功率元件的发展，为异步电机广泛采用提供了优越条件。IGBT/IPM元件发展迅速有取代GTO元件的趋势。20世纪70年代，门极关断晶闸管(GTO)首先问世，并迅速取代普通晶闸管，使变流技术迅速发展，它不再需要强迫换相电路，使逆变器构成简单，结构紧凑，在大功率领域得到采用，成为世界高速列车交流传动系统的主要组成。20世纪末，IGBT(绝缘栅极、双极性晶体管)、IPM(智能功率模块)等新型电力电子功率器件开发成功，使IGBT、IPM在高速列车上得到新的应用，它具有体积小，重量轻，可靠性高，能实现信号处理、故障诊断、自我保护等功能。因此IGBT、IPM为新型高速列车如700系、E2系、E4系、ICE-350型等所采用。GTO与IGBT/IPM的基本性能比较见表1。表1??GTO元件和IGBT、IPM基本性能比较GTO元件 IGBT/IPM元件电压 4500V(6000V) 3300V(4000V)电流 3000A～4000A(可关断电流) 1200A开关频率 500Hz 3kHz开关损耗 大 小通态损耗 小 大吸收回路损耗 大 小驱动功率 大(电流控制型) 小(电压控制型)di/dt,du/dt限制 严格(需加阳极电抗器) 不严(无需阳极电抗器)保护功能 外设 完善的自我保护3. 牵引电机悬挂及机械传动方式传统的牵引电机采用轴悬式架承在轮对车轴上(也叫抱轴式)，这种方式缺点是电机全部重量支承在车轴上，增大簧下质量，引起轮轨冲击振动，恶化电机工作条件。高速列车的牵引电机可采用三种悬挂方式：架悬式：一般动力分散式均采用架悬式。优点是：结