變頻技術(shù)在鐵路機車車輛上的應(yīng)用現(xiàn)狀和市場前景

1 前言

近幾年我國鐵路進入了大規(guī)模建設(shè)時期，一大批重點工程從南到北、由東到西全面展開。大量新線開工建設(shè)，對既有線路的大面積改造也在同時推進。截至2008 年底，國家批準的鐵路新線建設(shè)里程為3萬km，投資規(guī)模為2 萬億元。

在新建鐵路中，修建了一批時速200 km以上的客運專線，根據(jù)工期安排和工程進度，到2012年，將有1.3 萬km 客運專線及城際鐵路投入運營，其中時速300耀350 km 的有8 000 km，時速200耀250 km 的有5 000 km。此外，環(huán)渤海、長三角、珠三角、東北地區(qū)、中原地區(qū)、川渝地區(qū)、海峽西岸等經(jīng)濟發(fā)達和人口稠密地區(qū)部分城際鐵路也將建成通車。

到2012 年，我國鐵路營業(yè)里程將會達到11萬km，電氣化率、復線率均達到50%以上，發(fā)達完善的鐵路網(wǎng)將初具規(guī)模。

鐵路機車車輛，到2008 年底，全路已配屬動車組181 列，預計到2012年有800列動車組投入使用。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。屆時，客運專線、城際鐵路、提速線路上將大密度開行高速動車組列車。大幅度增加空調(diào)客車數(shù)量，到2012年，空調(diào)客車將達到2.5 萬輛，約占客車保有量的60豫。在機車方面，將廣泛應(yīng)用6 軸7 200 kW、9 600 kW大功率交流傳動電力機車和6 000馬力大功率交流傳動內(nèi)燃機車。預計2009耀2012 年，年均投入運用1 200 臺以上，到2012 年底，繁忙干線和主要煤運通道全面實現(xiàn)大功率交流傳動機車牽引。

2 交流傳動的優(yōu)點

交流傳動機車之所以成為現(xiàn)代機車發(fā)展的方向，是由其所具有的特點和優(yōu)點所決定的。和傳統(tǒng)的直流傳動相比，交流傳動系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在功率因數(shù)、粘著、維修、效率、重量尺寸、動力性能、制動性能等諸多方面。

1)粘著性能好，主要表現(xiàn)為：

(1)異步電動機有很硬的機械特性，所以當某電機發(fā)生空轉(zhuǎn)時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強的恢復粘著的能力?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時，轉(zhuǎn)速上升值不大，即使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點的轉(zhuǎn)速差不會超出5%以上。

(2)異步電動機的工作點可以很方便地進行平滑調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)最大可能的粘著利用，不會出現(xiàn)粘著中斷情況。根據(jù)檢測有關(guān)粘著控制的信號，準確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點，使驅(qū)動系統(tǒng)既不能發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力。

2)功率大，牽引力大。這個概念是指在其他條件大致相同的前提下，在機車結(jié)構(gòu)所提供的空間條件下，可以裝更大功率的異步電動機。

目前，從國外統(tǒng)計資料來看，不同類型電機的單位重量功率可達到的值分別為：直流電動機為0.33 kW/kg，同步電動機為0.5 kW/kg，異步電動機為0.68 kW/kg。隨著科技的發(fā)展，異步電動機的單位重量功率將越來越高。

3)可靠性高，維修簡便。交流異步電動機無換向器、無電刷裝置;除軸承外無磨擦部件，密封性好，防潮、防塵性能好。因此故障率低，可靠性高。

而控制裝置采用模塊結(jié)構(gòu)，故障率很低，驅(qū)動系統(tǒng)的全部運行過程和控制過程均由無觸點電子組件完成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點磨損、粘連、接觸不良、機械卡滯等問題。

4)效率高，利用率高、使用靈活性強。交流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.90，而直流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.86。E120交流傳動機車在長期應(yīng)用對比中發(fā)現(xiàn)，客運作業(yè)時可節(jié)能3%耀6%，貨運作業(yè)時可節(jié)能8%耀10%。由可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動機車的利用率顯著提高。與直流傳動機車相比，BBC交流傳動機車的利用率提高了10%。

交流傳動機車有很強的使用靈活性，它既可滿足貨運的大的起動牽引力的要求，又可滿足客運高速度的要求。

5)動力性能好、制動性能好。異步電動機結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，有較高的曲線通過能力，對軌面的沖擊力小?？稍趶V闊的速度范圍內(nèi)實行電制動，甚至可以制動到零，制動功率大。一部分電制動的能量可用于其他輔助設(shè)備。

6)功率因數(shù)高、節(jié)能。交-直-交電力機車采用四象限控制器作為機車電源側(cè)的變流器，可以在廣泛的負荷范圍內(nèi)保持功率因數(shù)接近1，電流的波形接近于正弦波，而且在再生制動時也是如此。這樣，不僅降低了電網(wǎng)損耗而且在再生制動時可將高質(zhì)量電能反饋給電網(wǎng)，消除了電網(wǎng)對信號和通信系統(tǒng)的干擾。

3 變頻技術(shù)在機車動車上的應(yīng)用

1971 年德國Henschel 公司和BBC 公司首先開發(fā)出DE2500 型交流傳動內(nèi)燃機車，功率為1 840 kW，從此開始了現(xiàn)代交流機車的時代。

自1970年起，交流傳動機車的產(chǎn)量逐年增加。

以DE2500 型機車為先驅(qū)的交流傳動機車可視為第一代交流傳動機車。受當時技術(shù)發(fā)展的限制，其主電路開關(guān)組件采用的是關(guān)斷速度較快的普通晶閘管，控制電路有的還沒有采用微機進行控制。

1989 年ABB 公司開發(fā)出采用GTO 晶閘管逆變器的第二代交流傳動的DE1024 型內(nèi)燃機車(1987 年世界上出現(xiàn)第一臺應(yīng)用GTO組件的交流機車———3 200 kW的Re4/4 型機車，應(yīng)用GTO組件的交流機車稱為第二代交流傳動機車)。

1996 年11 月，德國Adtranz 公司和美國GE公司合作開發(fā)出第一臺“藍虎”系列交流傳動內(nèi)燃機車，功率范圍從1 640 kW 到3 280 kW，貨運機車最高速度為120 km/h，客運機車最高速度為200 km/h和240 km/h。

20 世紀90 年代，在我國，由株洲電力機車廠、株洲電力機車研究所于1996 年共同研制的4軸4 000 kW的電力機車是我國第一臺交流傳動電力機車，標志著我國電力機車進入交流傳動時代。

2000 年我國首批投入商業(yè)運營的國內(nèi)單軸功率最大、技術(shù)最先進、達到國際先進水平的交流傳動高速客運電力機車“熊貓?zhí)?rdquo;和高速動車組動力車“藍箭號”的誕生，標志著我國鐵路機車進入現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。

和諧號貨運電力機車是南車集團和北車集團與國外企業(yè)合作，消化引進技術(shù)，并國產(chǎn)化的新一代交流傳動貨運機車。分為每軸1 200 kW的和諧1、2、3型(1、2型為8軸，3型為6 軸)，以及6 軸，每軸1 600 kW的和諧1B、2B、3B和6軸，每軸1 200 kW的和諧1C、2C、3C三代。設(shè)計最高時速均為120km/h。

HXD1 型交流傳動電力機車是由株洲電力機車有限公司與德國西門子公司在EuroSprinter(歐洲短跑者)機車技術(shù)平臺上聯(lián)合研發(fā)的新型大功率交流傳動8 軸貨運機車，主要用于鐵路專線(大秦線)牽引重載列車(20 000 t運煤專列)，具有功率大、恒功率速度范圍寬、粘著性能好、效率高、能源消耗低等特點，可滿足我國大秦線鐵路煤炭運輸?shù)男枰?/p>

HXD2 型交流傳動電力機車是由大同電力機車有限公司與法國阿爾斯通公司在PRIMA 機車技術(shù)平臺上聯(lián)合研發(fā)的新型大功率交流傳動8 軸貨運機車，主要用于鐵路專線(大秦線)牽引重載列車(20 000 t運煤專列)。

HXD3 型交流傳動電力機車是由大連機車車輛有限公司與日本東芝公司聯(lián)合研發(fā)的新型大功率6 軸貨運機車，主要用于鐵路干線牽引重載列車和快捷貨物列車。

4 市場前景

4.1 動車組的市場需求

2004年版《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》規(guī)劃的快速客運專線主要是“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及三個城際快速客運系統(tǒng)。其中，客運專線1.2 萬km 以上，客車速度目標值達到200 km/h 及以上。

2008 年10 月調(diào)整后的“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案”將客運專線建設(shè)目標由1.2 萬km 調(diào)整為1.6 萬km以上。

至于中長期動車組的需求數(shù)量根據(jù)“十一五”規(guī)劃中“快速客運網(wǎng)總規(guī)模達到20 000 km以上、2010 年動車組配置達到1 000 列左右”的表述，大致推算將客運專線建設(shè)目標由1.2 萬km 調(diào)整為1.6萬km 以上，約需要動車組800 列。動車組單價為1 400耀2 000 萬元/輛，一列大概8 輛。則1 000列動車組的采購金額為1 120億元耀1 600億元。

4.2 大功率機車的市場需求

近年來，我國機車保有量不斷增加，但從數(shù)字上看，2007 年底到2010 年的規(guī)劃數(shù)量之間，增長幅度有限，機車的發(fā)展主要在于結(jié)構(gòu)的調(diào)整。綜合考慮機車車輛的升級換代、鐵路快速客運網(wǎng)的初步形成、貨運總體運量需求的快速增長及鐵路電氣化的廣泛應(yīng)用等因素，預計未來鐵路機車將以電力、高速、重載為主要發(fā)展方向。“十一五”規(guī)劃規(guī)定，電力機車將成為主導，其承擔的運輸工作量比重將達到80%以上。

從實際情況來看，到2007 年底，全國鐵路機車擁有量達到1.83 萬臺，內(nèi)燃機車占比67.0%，電力機車占比32.4豫，離“電力機車承擔80%以上的運輸工作量”仍有一定距離。因此電力機車的增長仍存在較大空間。預計到2010年，電力機車年均增長約為1 000臺。

除了電力化發(fā)展方向外，大功率機車也是重點需求對象。2007年新投入“和諧型”大功率電力機車332臺，使期末保有量達到了550臺。到2010年，估計將有1 500 臺以上的大功率機車用來裝備中國鐵路。

在國產(chǎn)大功率機車的發(fā)展方向上，通過技術(shù)引進消化吸收再創(chuàng)新是國內(nèi)企業(yè)快速掌握技術(shù)的重要方式。目前，國家已經(jīng)在大同廠、株洲廠、大連廠建成6 軸9 600 kW 大功率電力機車的技術(shù)與制造平臺，在戚墅堰廠、大連廠建成6 000 馬力的大功率內(nèi)燃機車的技術(shù)與制造平臺。其中，8軸大功率電力機車用于大秦線運煤通道，6軸大功率電力和內(nèi)燃機車將作為干線主型貨運機車。

4.3 城軌車輛的市場需求

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展和城市化進程加速，城市規(guī)模不斷擴大，為改善交通擁堵狀況，各城市積極發(fā)展以城市軌道交通為主的城市公共交通體系。

“十一五”期間，我國的城市軌道交通將進入快速發(fā)展時期。目前，已有多個大中城市向國家主管部門上報了新增的軌道交通建設(shè)規(guī)劃。根據(jù)中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會的預測，至2010 年，規(guī)劃建設(shè)地鐵和城市輕軌線路達55 條，總長度達約1 500 km，需配屬車輛超過6 000 輛，年均需求量超過800輛。

4.4 空調(diào)客車的市場需求

到2012 年，機車直接供電的新型空調(diào)客車將達到2.5萬輛，約占客車保有量的60豫。

每臺客車使用2 臺35 kV·A 的逆變器和1臺8 kW的充電器。

5 結(jié)語

近代機車動車的交流傳動經(jīng)過近40 年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，目前正朝著大容量、高性能的方向發(fā)展?？梢灶A計在不遠的將來即可全部取代直流傳動的機車動車。