變頻技術(shù)在鐵路機(jī)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(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，一大批重點(diǎn)工程從南到北、由東到西全面展開。大量新線開工建設(shè)，對(duì)既有線路的大面積改造也在同時(shí)推進(jìn)。截至2008 年底，國家批準(zhǔn)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(shí)速200 km以上的客運(yùn)專線，根據(jù)工期安排和工程進(jìn)度，到2012年，將有1.3 萬km 客運(yùn)專線及城際鐵路投入運(yùn)營，其中時(shí)速300耀350 km 的有8 000 km，時(shí)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(jì)發(fā)達(dá)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(huì)達(dá)到11萬km，電氣化率、復(fù)線率均達(dá)到50%以上，發(fā)達(dá)完善的鐵路網(wǎng)將初具規(guī)模。

鐵路機(jī)車車輛，到2008 年底，全路已配屬動(dòng)車組181 列，預(yù)計(jì)到2012年有800列動(dòng)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(shí)，客運(yùn)專線、城際鐵路、提速線路上將大密度開行高速動(dòng)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(dá)到2.5 萬輛，約占客車保有量的60豫。在機(jī)車方面，將廣泛應(yīng)用6 軸7 200 kW、9 600 kW大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車和6 000馬力大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。預(yù)計(jì)2009耀2012 年，年均投入運(yùn)用1 200 臺(tái)以上，到2012 年底，繁忙干線和主要煤運(yùn)通道全面實(shí)現(xiàn)大功率交流傳動(dòng)機(jī)車牽引。

2 交流傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

交流傳動(dòng)機(jī)車之所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方向，是由其所具有的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。和傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)相比，交流傳動(dòng)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(dòng)力性能、制動(dòng)性能等諸多方面。

1)粘著性能好，主要表現(xiàn)為：

(1)異步電動(dòng)機(jī)有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速上升值不大，即使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差不會(huì)超出5%以上。

(2)異步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)可以很方便地進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最大可能的粘著利用，不會(huì)出現(xiàn)粘著中斷情況。根據(jù)檢測有關(guān)粘著控制的信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)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(gè)概念是指在其他條件大致相同的前提下，在機(jī)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(dòng)機(jī)。

目前，從國外統(tǒng)計(jì)資料來看，不同類型電機(jī)的單位重量功率可達(dá)到的值分別為：直流電動(dòng)機(jī)為0.33 kW/kg，同步電動(dòng)機(jī)為0.5 kW/kg，異步電動(dòng)機(jī)為0.68 kW/kg。隨著科技的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的全部運(yùn)行過程和控制過程均由無觸點(diǎn)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(diǎn)磨損、粘連、接觸不良、機(jī)械卡滯等問題。

4)效率高，利用率高、使用靈活性強(qiáng)。交流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.90，而直流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.86。E120交流傳動(dòng)機(jī)車在長期應(yīng)用對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，客運(yùn)作業(yè)時(shí)可節(jié)能3%耀6%，貨運(yùn)作業(yè)時(shí)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(dòng)機(jī)車的利用率顯著提高。與直流傳動(dòng)機(jī)車相比，BBC交流傳動(dòng)機(jī)車的利用率提高了10%。

交流傳動(dòng)機(jī)車有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)的大的起動(dòng)牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)高速度的要求。

5)動(dòng)力性能好、制動(dòng)性能好。異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)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(duì)軌面的沖擊力小?？稍趶V闊的速度范圍內(nèi)實(shí)行電制動(dòng)，甚至可以制動(dòng)到零，制動(dòng)功率大。一部分電制動(dòng)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(jī)車采用四象限控制器作為機(jī)車電源側(cè)的變流器，可以在廣泛的負(fù)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(dòng)時(shí)也是如此。這樣，不僅降低了電網(wǎng)損耗而且在再生制動(dòng)時(shí)可將高質(zhì)量電能反饋給電網(wǎng)，消除了電網(wǎng)對(duì)信號(hào)和通信系統(tǒng)的干擾。

3 變頻技術(shù)在機(jī)車動(dòng)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(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，功率為1 840 kW，從此開始了現(xiàn)代交流機(jī)車的時(shí)代。

自1970年起，交流傳動(dòng)機(jī)車的產(chǎn)量逐年增加。

以DE2500 型機(jī)車為先驅(qū)的交流傳動(dòng)機(jī)車可視為第一代交流傳動(dòng)機(jī)車。受當(dāng)時(shí)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(jī)進(jìn)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(dòng)的DE1024 型內(nèi)燃機(jī)車(1987 年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)應(yīng)用GTO組件的交流機(jī)車———3 200 kW的Re4/4 型機(jī)車，應(yīng)用GTO組件的交流機(jī)車稱為第二代交流傳動(dòng)機(jī)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(tái)“藍(lán)虎”系列交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，功率范圍從1 640 kW 到3 280 kW，貨運(yùn)機(jī)車最高速度為120 km/h，客運(yùn)機(jī)車最高速度為200 km/h和240 km/h。

20 世紀(jì)90 年代，在我國，由株洲電力機(jī)車廠、株洲電力機(jī)車研究所于1996 年共同研制的4軸4 000 kW的電力機(jī)車是我國第一臺(tái)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，標(biāo)志著我國電力機(jī)車進(jìn)入交流傳動(dòng)時(shí)代。

2000 年我國首批投入商業(yè)運(yùn)營的國內(nèi)單軸功率最大、技術(shù)最先進(jìn)、達(dá)到國際先進(jìn)水平的交流傳動(dòng)高速客運(yùn)電力機(jī)車“熊貓?zhí)?rdquo;和高速動(dòng)車組動(dòng)力車“藍(lán)箭號(hào)”的誕生，標(biāo)志著我國鐵路機(jī)車進(jìn)入現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。

和諧號(hào)貨運(yùn)電力機(jī)車是南車集團(tuán)和北車集團(tuán)與國外企業(yè)合作，消化引進(jìn)技術(shù)，并國產(chǎn)化的新一代交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)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(jì)最高時(shí)速均為120km/h。

HXD1 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車是由株洲電力機(jī)車有限公司與德國西門子公司在EuroSprinter(歐洲短跑者)機(jī)車技術(shù)平臺(tái)上聯(lián)合研發(fā)的新型大功率交流傳動(dòng)8 軸貨運(yùn)機(jī)車，主要用于鐵路專線(大秦線)牽引重載列車(20 000 t運(yùn)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(diǎn)，可滿足我國大秦線鐵路煤炭運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

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

HXD3 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車是由大連機(jī)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(yùn)機(jī)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(dòng)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(yùn)專線主要是“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。其中，客運(yùn)專線1.2 萬km 以上，客車速度目標(biāo)值達(dá)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(yùn)專線建設(shè)目標(biāo)由1.2 萬km 調(diào)整為1.6 萬km以上。

至于中長期動(dòng)車組的需求數(shù)量根據(jù)“十一五”規(guī)劃中“快速客運(yùn)網(wǎng)總規(guī)模達(dá)到20 000 km以上、2010 年動(dòng)車組配置達(dá)到1 000 列左右”的表述，大致推算將客運(yùn)專線建設(shè)目標(biāo)由1.2 萬km 調(diào)整為1.6萬km 以上，約需要?jiǎng)榆嚱M800 列。動(dòng)車組單價(jià)為1 400耀2 000 萬元/輛，一列大概8 輛。則1 000列動(dòng)車組的采購金額為1 120億元耀1 600億元。

4.2 大功率機(jī)車的市場需求

近年來，我國機(jī)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(jī)車的發(fā)展主要在于結(jié)構(gòu)的調(diào)整。綜合考慮機(jī)車車輛的升級(jí)換代、鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)的初步形成、貨運(yùn)總體運(yùn)量需求的快速增長及鐵路電氣化的廣泛應(yīng)用等因素，預(yù)計(jì)未來鐵路機(jī)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(jī)車將成為主導(dǎo)，其承擔(dān)的運(yùn)輸工作量比重將達(dá)到80%以上。

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

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

在國產(chǎn)大功率機(jī)車的發(fā)展方向上，通過技術(shù)引進(jìn)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(jī)車的技術(shù)與制造平臺(tái)，在戚墅堰廠、大連廠建成6 000 馬力的大功率內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)與制造平臺(tái)。其中，8軸大功率電力機(jī)車用于大秦線運(yùn)煤通道，6軸大功率電力和內(nèi)燃機(jī)車將作為干線主型貨運(yùn)機(jī)車。

4.3 城軌車輛的市場需求

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程加速，城市規(guī)模不斷擴(kuò)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(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。目前，已有多個(gè)大中城市向國家主管部門上報(bào)了新增的軌道交通建設(shè)規(guī)劃。根據(jù)中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)的預(yù)測，至2010 年，規(guī)劃建設(shè)地鐵和城市輕軌線路達(dá)55 條，總長度達(dá)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(jī)車直接供電的新型空調(diào)客車將達(dá)到2.5萬輛，約占客車保有量的60豫。

每臺(tái)客車使用2 臺(tái)35 kV·A 的逆變器和1臺(tái)8 kW的充電器。

5 結(jié)語

近代機(jī)車動(dòng)車的交流傳動(dòng)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。可以預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來即可全部取代直流傳動(dòng)的機(jī)車動(dòng)車。