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电力机车基础知识第 26 页 共 37 页一、电力机车基础知识电力机车电气原理图按其功能和作用、电路电压等级分别组成三个基本独立的电路系统，称为主电路、 辅助电路、控制电路。电力机车上有品种繁多的电机、电气设备及元器件，在总体布置时就是把这些设备和单元合理地定位，根据布置方式，有对称和不对称 两种方式，采用哪一种，是因车而异的。此外机车通风方式一般也有现两种，设置专用风道，便于集中除尘，使随风带入的尘埃不污染其它设备称为独立通风 ,另一种则是风由侧墙吸入车内，结构简单，风速低等优点，风进入车内后再自行分配进入各风道，称为车体通风。 电力机车基本特性有牵引特性和电制动特性。机车牵引特性是机车轮周牵引力与机车速度之间的关系。电制动动特性表示机车轮周制动力与机车速度的关系。 SS9车体通风 SS9独立通风 SS9车体通风 SS9型电力机车总体布置采用双侧走廊、双司机室、各设备采用斜对称布置方式。车内设备基本上采用平面斜对称布置，划分为7个室，即：、端司机室，、端辅助室，、端高压室、变压器室。此外，机车设备布置还包括车顶设备布置，机车辅助设备布置及机车布线。SS9独立通风SS9改进型机车总体布置采用新型设计平台的布置方式，即采用中央直通走廊（宽度不小于600mm）、标准化双司机室、主变压器采用卧式结构，车内设备采用斜对称布置方式，使机车重心下降，重量分配均匀。原SS9型机车采用车体通风方式，风通过机车侧墙过滤器进入车体，自然除尘后再进入各风道，这样容易造成机车内部各电器表面积尘，降低电器使用寿命并易引起接触器触头虚接等故障；同时车体通风方式容易造成机车内部负压较大。SS9改进型电力机车采用独立通风的方式，每条通风支路均有自己独立的进、出风风道，其中，1位、4位牵引通风机分别对1和2、5和6牵引电机进行强迫风冷；2位牵引通风机对4牵引电机和1整流柜进行强迫风冷；3位牵引通风机对3牵引电机和2整流柜进行强迫风冷。冷却风通过侧墙夹层、过滤网、到达各个通风支路的独立的进风口、风道，冷却发热电器部件后，再通过各自出风口排向车底大气，使得车内负压大大减小，提高了机车的滤尘效果及防寒性能。SS9机车总体介绍主要性能参数电流制单相工频交流工作电压：额定25kV 最高29kV 最低19kV机车整备重量126t，允差%轴重21t轴式C0-C0电传动方式交-直传动机车持续制功率4800kW 最大功率5400kW机车持续牵引力169kN机车起动牵引力286kN机车持续额定速度99km/h机车最高运行速度160km/h（半磨耗轮） 机车最高速度170km/h（半磨耗轮）牵引特性恒功率速度范围99160km/h（半磨耗轮）功率因数（额定工况）不小于0.81机车总效率（额定工况）不小于0.82（不包括列车供电部分）机车电制动方式加馈电阻制动轮周制动功率不小于4000kW（速度为80160km/h）最大电制动力（1580km/h）180kN（半磨耗）加馈制动的控制准恒速特性控制牵引特性控制方式恒流准恒速机车安全通过的最小半径R=125m（5km/h）牵引电动机磁场削弱控制方式相控无级最深磁场削弱系数0.49传动方式单边直齿传动传动比77/31=2.4839空气制动机型式DK-1型制动机主风缸容量1212L空气压缩机能力2.4m3/min 主要结构参数轨距1435mm车钩中心线距轨面高度880mm，允差10mm机车前后车钩中心距22216mm机车车体底架长度21000mm机车车体宽度3100mm机车全轴距15870mm机车受电弓滑板中心距11100mm受电弓工作高度距轨面高度5200mm6500mm机车最高点距轨面高（落弓高）4754mm机车转向架固定轴距2150mm+2150mm车轮直径1250mm（新轮）1150mm（全磨耗轮）传动齿轮箱底面距轨面高度110mm（新轮）机车排障器距轨面高度120mm，允差10mm转向架排石器距轨面高度30mm（可调）主要特点是：1. 机车持续功率4800kW、最大功率5400 kW ，C0-C0轴式、牵引工况恒功速度范围为99160km/h，最高速度为170km/h。2. 机车采用了轮对空心轴六连杆弹性传动机构和牵引电机架承式全悬挂三轴转向架，并装有全叠片机座机构的900kW脉流牵引电动机；一、二系悬挂系统及基础制动系统等结构设计合理，能满足170km/h运用的要求，动力学性能良好。3. 机车主电路采用三段不等分半控桥整流电路，三台电机并联，无级磁场削弱及加馈电阻制动，实现了机车全过程的无级调速。4. 采用了8668kVA大容量主变压器，实现了六轴电力机车主变压器与平波电抗器及滤波电抗器的一体化。5. 采用恒流准恒速的特性控制方式，能较好地发挥机车最大起动牵引力，机车装有防空转/滑行保护系统、轴重转移补偿控制、轮轨自动润滑系统、列车安全监控装置。6. 采用LCU逻辑控制单元及微机控制系统，使机车控制系统具有控制、诊断、监测功能，并能方便地改变软件满足机车控制要求。7. 机车进行了外形气动力学优化设计及轻量化设计，采用侧壁承载式全钢焊接结构的车体及各部件轻量化设计，满足了机车轴重21吨的要求；机车司机室应用了人机工程学原理设计，采用全包结构装饰环境优雅、操纵方便。8.机车空气制动系统在采用DK-1电空制动机基础上增加了机车电制动与列车空气制动联合制动功能、向列车实行双管制供风功能、列车平稳操纵功能及列车电空制动功能，有利于牵引旅客列车的安全和舒适。9. 机车具有向列车供电能力，供电电压DC600V、容量为2400Kw。机车设备布置SS9型电力机车总体布置分为司机室设备布置、辅助室设备布置、高压室设备布置、变压器室设备布置、车顶设备布置、车体下设备布置、辅助设备布置(机车辅助设备布置主要包括库用插座、蓄电池柜；安全设施及照明、标志灯，在机车的两端还装有列车供电装置的插座及电空制动用的插座等。辅助设备根据其功能需要布置在车体的各个地方)、机车布线、机车通风系统等；机车采用全悬挂三轴转向架；机车车体主要由车体底架、司机室、侧构、顶盖、台架、钩缓装置、排障碍器等部件组成。二、国外电力机车技术介绍 国际知名机车制造企业分析机车总成系统技术国际知名机车制造企业机车、动车设计已由传统设计发展为在统一的技术平台上进行模块化、标准化和系列化设计。设计方法、手段也有了很大提高，从靠纸和笔的2维设计，到利用计算机的3维设计，直到今天的虚拟产品设计。（1）Bombardier运输公司的TRAXX机车设计平台由为DB Cargo公司生产的185型机车派生出模块化、标准化、系列化和高可靠TRAXX机车设计平台。该设计平台基于国际工程设计标准的模块化设计技术，基于明确的产品策略和部件的模块化、标准化、系列化（Mitrac系列，见图7）。TRAXX系列机车80%的零部件都是一样的，在全欧洲路网跨界进行客、货运电力机车和电传动内燃机车百分之六十以上是相同的。 TRAXX机车设计平台设计出的产品的下述部件/系统是相同的： 车辆尺寸规格 机器间尺寸规格 制动系统 交流传动系统 转向架，驱动系统和轮对 司机室配置及控制台 通信系统 Mitrac系列产品3种TRAXX F140机车的基本参数比较见表TRAXX F140机车基本参数比较车型TRAXX F140 ACTRAXX F140 MSTRAXX F140 MS应用地区瑞士-德国瑞士-意大利Benelux供电电压 ACDC15kV和25kV-15kV和25kV1.5kV和3kV15kV和25kV1.5kV和3kV安全监控装置LZB,PZB,ZUB,Signum；可安装ETCSZUB,Signum,RS-4；可安装SCMT和ETCSLZB,PZB,ATB,Memor；可安装ETCS质量84.0t85.6t86.5t车长18900mm车宽2978mm车高4280mm转向架轴距2600mm转向架中心距10390mm轮径新轮:1250mm,全磨耗:1170mm轮周功率AC 15kV，25kV和DC 3kV：5.6MW； DC 1.5kV：4MW起动牵引力300kN 直到恒功区制动力150240kN受电弓4个司机室设施空调，压力保护装置（2）Siemens公司交通运输集团的机车设计平台Siemens公司交通运输集团有EuroSprinter（欧洲短跑者）和EuroRunner（欧洲奔跑者）两个机车设计平台，其中EuroSprinter设计平台可设计满足4种牵引供电制、用于客运或货运的电力机车，功率达到6400kW，已在10多个国家出售900多台，欧洲市场占有率为40%，成为主导型机车。EuroRunner设计平台功率等级在1500kW2000kW，主要进行电传动内燃机车和电力机车设计，已出售给奥地利100多台，卖给九广铁路5台，是世界最先进的交流传动内燃机车。Siemens公司交通运输集团机车设计平台采用模块化技术，例如，SIBAC牵引变流器系列功率范围几乎覆盖了轨道车辆的所有领域（见图8），SIBAS 32控制系列应用在几乎所有的Siemens生产的机车上。图8 SIBAC系列产品的应用范围（3）Alstom公司PRIMA机车设计平台1996年，Alstom公司为了适应全球市场需求，开始研发PRIMA机车设计平台，基于的基本原则是：模块化、系列化：包括电力机车和内燃机车的各种型号机车采用通用部件，例如机车车体结构，交流传动系统中的水冷IGBT模块。目前在法铁运用的PRIMA电力机车有两款：BB 427000 - 双供电制 25 kV/1500 V - 4200 kW BB 437000 - 三供电制25 kV/1500 V/15 kV - 420PRIMA机车总体布置见图9，各部件的技术特点是： 车体：电力机车和内燃机车采用相同的轻量化、模块化结构设计，双司机室，车顶可拆开，具有防碰撞保护和防污染保护，便于布线和安装，易于维护保养。 司机室：电力机车和内燃机车相同，宽敞、舒适，单块宽阔的前窗玻璃视野良好，司控台符合人机工程学原理，具有良好气密性和隔音效果，有效地抑制了压力波变化的影响，安装有空调、冰箱、微波炉等设施。 交流传动系统：单轴控制，可采用多种冷却方式的ONIX系列IGBT牵引变流器（见图10），功率200kW1600kW、200级绝缘的牵引电机。 控制系统：采用FIP车载计算机网络。 辅助系统：辅助逆变器由牵引系统的中间回路供电，采用通用模块。PRIMA机车总体布置PRIMA机车的牵引变流器电传动系统技术交流传动电力机车的发展起源于20世纪70年代，它的发展与新型功率半导体器件的层出不穷和微机控制技术的进步密切相关。由于大功率变流技术的发展、控制理论和微机控制技术的完善以及变频器技术的成熟，交流传动技术取得了突破性的进展，目前已有多种型号的交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组广泛应用于铁路牵引。欧洲主要制造商如西门子、庞巴迪、阿尔斯通等相继开发了大量的干线交流传动机车和电动车组。日本在1990年开始也陆续研制成功了交-直-交电力机车和新干线300、500、700系列的交-直-交高速电动车组。投入商业运行的交流传动电力机车和电动车组充分地展现了交流牵引传动有着显著优越的技术经济指标，主要表现为：(1)有良好的牵引性能；(2)电网功率因数高；(3)功率大、体积小、重量轻、运行可靠；(4)动态性能和粘着利用好。国际知名机车制造企业的电传动系统技术主要有以下的特点：1）采用三相交流异步电机牵引在交流传动机车的发展发展史上，就异步和同步的方向争论。这里的“同步”是指法国所提倡的自换向同步牵引，即相当于用可控整流元件来替代直流电机的换向器。实践证明，异步牵引要比自换向同步牵引在技术和经济上要优越，因此新造的交流传动机车全部是采用异步牵引，就连法国也急起直追，开发异步牵引技术。近20多年来，变流传动技术的进步使三相异步交流电机在轨道牵引中的应用得到了迅速发展。异步牵引电机采用了大量新设计、新材料、新结构、新工艺，具有重量轻、性能可靠、维修率低等优点。在电机的尺寸和重量没有增加的条件下，异步电机的功率已达到1600kW1800kW。作为重要技术经济指标之一的电机单位重量的功率目前异步电机则达到了0.81kW/kg，高速电动车组上的异步电机甚至达到1kW/kg的水平。2)机车功率逐步提高上世纪80年代初，一台轴式为BOBO、重量为84t的三相交流机车功率为5600kW，单轴功率为1400 kW，机车单位重量功率达67kW/t。而现在已研制出BOBO轴式、重量86t、持续功率达6400的异步牵引传动电力机车，其单轴功率达1600 kW，机车单位重量功率接近75kW/t。3）大功率牵引变流器在实际运营的交流传动机车中，除了法国部分机车采用同步电机传动，其主变流器采用相控整流器+电流型逆变器以外，其它各型机车都采用三相异步电机传动。在三相交流异步电机传动中，除日本有些车采用相控整流器外，其它车都采用四象限脉冲整流器。四象限脉冲整流器和电压型逆变器构成的变流装置是交流机车主变流器的主流。在主变流器的发展过程中，电力半导体器件起着决定性的作用。新型可关断功率器件不断涌现，其电压和电流以及开关频率不断提高。牵引变流器经历了晶闸管牵引变流器、GTO牵引变流器、IGBT（IPM）牵引变流器三个发展阶段。自上世纪80年代以来，在三相交流传动大功率牵引应用领域中，GTO逐步取代较早时期使用的快速晶闸管。时至今日，4500V/30004000A的GTO虽然仍是大功率机车主变流器上使用的标准型器件，但随着4500V/6000V的IGBT器件研制成功，IGBT主变流器以全新的结构形式面世并已开始应用，日本700系等最新的高速列车和欧洲的新型电力机车上就采用了这种器件。与GTO变流器相比，IGBT变流器在开关频率、体积和重量等方面具有优势，同等容量的IGBT变流器的体积和重量比GTO变流器可以减小1/31/2。IGBT具有驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关速度高等优点，正在成为一种在电力牵引上应用前景十分广阔的电力电子器件。目前，碳化硅（SiC）器件的研发已初露端倪。碳化硅与硅相比具有的优点是： 场强很高，可实现正向损耗小的高阻断特性器件； 开关频率高，损耗小； 所允许的阻挡层温度明显高于硅，从而降低散热要求； 可实现无损耗或低损耗的快速高阻断开关。可以预见，采用碳化硅器件，可使变流器结构更紧凑，性能更优越。4）控制技术不断进步在交流电传动技术中，传动控制是其核心技术和关键技术之一，是机车中发展变化最快的子系统。从有接点控制到以单运算放大器为核心的分立元件模拟控制，到大规模数字、模拟集成电路混合的模拟控制，到以单片机、微处理器为核心的微机控制系统。随着微机技术和网络（现场总线）技术的发展，现代列车的控制系统已发展成为基于网络（现场总线）的控制系统。国外各大主要的机车（动车）供应商都可为用户提供实用可靠的网络控制系统（平台），有自己的品牌系统。如：SIEMENS公司在SIBAS系统、BOMBARDIER(原ADTRANZ)公司的MITRAC系统、ALSTOM公司有AGATE系统，以及日本三菱公司的TMIS列车管理信息系统等。SIMENS的SIBAS32，主要包括网络中央控制单元CCU、牵引控制单元为TCU（最新一代的牵引控制单元为Sitrac）、外围接口设备Sibas Klip和工具 Sibas Monitor。Bombardier的MITRAC系统包含有车辆控制单元VCU，牵引控制单元TCU，网关Gateway，远程平台Mitrac CC Remote等。牵引控制包括3个系列：MITRAC TC500、TC1000和TC3000。GEC ALSHTON的AGATE系统包括维护工具AGATE Link，主传动控制单元AGATE Control、辅助变流器及充电机控制单元AGATE Aux、旅客信息系统AGATE e-Media三个平台。目前这些控制系统的共同特征是：都采用了基于网络通信的控制系统；通信协议大多采用TCN国际标准(IEC61375-1)；都为用户提供了一个方便二次开发和现场调试和维护的开发平台。以模块化、通用化、分布式为特征，大都是主变控制、辅变控制和微机网络控制统一的控制平台，广泛适应干线铁路电力机车、内燃机车和城轨地铁列车。 智能化故障诊断信息化为发展方向在交流传动控制技术方面，国外几个主要技术领先的轨道牵引传动设备供应商如德国西门子，加拿大庞巴迪，法国阿尔斯通等公司在电机磁链轨迹的优化控制、异步电机参数在线辨识、无速度传感器控制方面取得了许多新的成果。西门子交通集团已经将磁链轨迹优化控制、无速度传感器技术应用于西班牙地铁电动车组上。目前国外对这些新的研究内容如磁链轨迹的最优控制、无速度传感器控制技术、机车粘着鲁棒控制、具有专家系统的故障诊断技术等也还处于研究实验和试运用阶段。5）供电方式趋向于单轴供电80年代制造的三相交流异步牵引电力机车多采用转向架供电方式，即所有电气设备按转向架分为独立的两组，由一个变流器系统向一个转向架的两台牵引电机供电。采用这种供电方式的缺点是，在轮径不同时电动机产生不同的转矩、不同的转速和不同的功率分配。为了最大限度地利用物理上能达到的粘着，采用单轴供电方式即每台牵引电机由一台逆变器独立供电，对其功率单独控制。采用这种供电方式的优点是，不会产生电动机负载不平衡，无需规定轮径差，并且大大改善滑行和空转保护。因此，90年代研制的机车，都趋向于采用这种单轴供电技术。6）冷却技术多种方案并驾齐驱变流器冷却技术包括冷却媒质的选择、散热器及热循环系统的设计。就三相交流传动电力机车变流器而言，其冷却系统应满足下列要求：散热效果良好，以减轻变流器的体积和重量；防污染性能优良，应能抵御煤烟、尘埃、湿气及其他有害气体的侵蚀，以防止绝缘性能降低、爬电距离减少和腐蚀损坏。曾经用作变流器冷却媒质的有空气、油、氟利昂和水。所构成的冷却方式分为直接风冷、油冷、沸腾冷却和水冷。冷却方式要考虑冷却效率和环保因数。目前大功率三相交流传动电力机车冷却方式为水冷。中小功率的机车车辆则采用风冷或热管式冷却。7）模块化、系列化设计产品的模块化、系列化结构，极大地缩短了研发周期，降低了研发费用，减少了用户备件数量，降低了产品的寿命周期成本。目前国外一些主要公司已建立了完整的产品技术平台，如牵引变流器平台、牵引电机驱动系统平台、列车控制系统平台等，使产品技术标准化、模块化、通用化，以一种产品系列满足不同用户的要求，即满足不同轨道车辆的不同的牵引传动系统的要求，不仅性能完全达到轨道牵引的全部要求，而且产品覆盖了所有功率等级和电压等级。在变流器方面典型代表有Siemens公司的 SIBAC系列，Bombardier公司的Mitrac系列，Alstom公司的ONIX系列等。8）其他新技术的开发各大公司业为增强其未来的市场地位和企业的可持续发展能力，都在积极开发交流传动电力机车的新技术。例如：在牵引方式方面，采用变频装置，驱动永磁同步电机的技术正在受到关注。该技术与自换向同步牵引技术有本质的不同。在法国和德国都有试验机组在装车试验。永磁多极同步牵引电机可实现很高的转矩密度，因此为实现无传动齿轮的直接驱动创造了条件。采用直接驱动的永磁同步牵引电机已安装在德国ICE3高速电动车组上，性能比较见表8。在科隆-法兰克福线路上试验表明：采用永磁同步牵引电机，损耗降低50%，重量减轻30%，噪声小，无油泄漏，无传动齿轮维修等。永磁同步牵引电机和异步牵引电机性能比较带传动装置的异步牵引电机直接驱动的永磁同步牵引电机效率93%96%重量比较100%70%(电机减轻10%，传动装置减轻20%)噪声105dB（A）90dB（A）齿轮润滑油润滑无需牵引变压器方面，由于牵引变压器是重量、体积最大，损耗最多的部件，因此，减轻重量、体积，降低损耗一直是主变压器技术发展的目标。随着电力电子技术的发展和高温超导线材性能的不断提高，出现了两种完全不同于传统工频变压器的新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器。电子变压器就是融入电力电子技术的变压器，在电网和变压器之间插入了一个高频、高压输入变流器，使变压器工作频率与电网频率解耦，可达到510kHz，从而，取代了笨重的工频变压器，有效地降低了重量、体积。超导变压器可减轻重量，降低损耗。与同等功率的普通牵引变压器相比，重量可减轻4050，损耗仅为56。德国、日本等国家目前都在积极开发高温超导变压器，Siemens公司研发的容量为1MVA的高温超导牵引变压器，安装在BR 425型动车的传统变压器油箱内，进行了运行试验。该变压器技术特点是采用卧式结构，高度仅为450mm，高漏抗，密封液态氮冷却，液态氮的温度为77K。日本铁道研究总院与九州大学等合作，正在进行容量为4MVA的高温超导变压器的设计研究。机械部件系统技术国外机械部件系统的技术特点为：1)建立机械设计平台，深化机车机械计算，特别是机械失效分析和机车动力学分析，提高机车的可靠性和运行稳定性。2)转向架和车体采用模块化设计，如车体分成底架、司机室、侧墙、车顶等模块。西门子的转向架也分成不同的功能模块，按功能需要增加或减少模块。3)尽量采用通用部件，以增加可靠性、降低成本。4)应用自导向或强迫导向轮对，以降低轮缘磨耗。5)机车车体向轻量化方向发展。以下为国外公司的几个机械制造厂的介绍。Siemens公司的格拉茨工厂位于奥地利的西门子SGP_Verkehrstechnik格拉茨工厂被指定为转向架生产中心。工厂装备了大量设施，用于转向架的设计、研究、工程、生产和测试。主要的设计团队由大约一百名经验丰富的工程师和设计师组成。格拉茨工厂把高度自动化（焊接机器人）与专用工装夹具的大量使用结合在一起，同时具备完善的质量系统保证最高档次的质量标准。Siemens公司的维也纳工厂西门子SGPVerkehrstechnik工厂，座落在维也纳的Simmering区，被指定为西门子的城轨交通和通勤交通运输车辆以及郊区列车设计的技术中心。西门子SGPVerkehrstechnik运用了当代最先进的技术和设备为设计过程提供帮助，并结合了150名工程师和设计人员的丰富经验。西门子SGP_Verkehrstechnik的设计部门与生产和装配工厂相距很近，这样使得设计和工程人员可以和生产过程保持密切的联系。对于可能出现的疑难，特别是在生产新系列车辆遇到问题时可以作出最快的响应。Alstom公司的克鲁索工厂Alstom公司的克鲁索工厂在转向架的制造上有雄厚的实力和强大的生产能力，其转向架制造设备齐全，从备料开始到制造完成，每一步都是通过严格的工艺和工装来保证质量。（1）在构架的制造中，板料经过数控切割、抛丸后加工、折弯，同时加工出焊接的坡口，为构架的焊接作好准备；（2）构架各梁及整个构架的焊接都在相应组焊胎上进行，确保焊接的质量和精度，随后进行构架的整体退火，以及二次抛丸；（3）经过三座标划线后在数控镗铣中心完成构架的整体加工，并在三坐标测量仪上检测，以确保构架的尺寸精度；（4）轮对电机组装完成后做跑合试验，并做整个转向架跑合试验；（5）铸锻件的外观质量非常令人惊讶，几乎使人感到加工过一样，对铸锻件的探伤检查也有严格的规范。总之，克鲁索工厂是以精细的产品设计及严格的焊接、加工检测来保证其产品具备国际先进水平。Alstom公司的贝尔福工厂Alstom公司设计过程采用了大量的、先进的设计软件，如DDSC、CATIA、ANSYS、RADIOSS、PAM CRASH，机车的车体结构、布管、布线、组装均采用三维设计，对车体的强度、空气动力学、防碰撞等通过先进的设计软件进行分析和计算，对于整车则进行疲劳强度的计算，确保机车的设计性能。贝尔福工厂非常注意首台机车的试验和基础数据的收集管理。在作好仿真计算的基础上，每台新机车车体都要做实际的碰撞试验，以检验车体的强度；建有大量的数据库，为机车的可靠性设计奠定了坚实的基础。车体的密封结构做得很