淺談交流電力機車是機車發展的必然趨勢

劉立

摘 要:本文主要對電力機車的調速原理進行了分析,使大家了解直流機車和交流機車的調速原理的不同,比較出它們的優缺點,從而得到交流機車為什么是機車發展的必然趨勢。直流機車為什么要逐步淘汰,并對中國的機車發展歷程有個全面的了解。

關鍵詞:交流傳動技術調速機車發展

中圖分類號:U264 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0046-01

中國的鐵路正處于大發展時期,其中機車技術的發展又是鐵路大發展的重中之重。過去的電力機車主要采用國產的韶山系列,這一系列機車按原理劃分可被稱為交—直機車,即接觸網是交流供電,到機車上將交流電轉變為直流電,最后把直流電輸給直流的牽引電動機,驅動機車運行。但隨著機車技術的發展,出現兩大趨勢:一種是專門用來運送乘客的客運機車,另一種是運送貨物的貨運機車。不管是哪一種機車,直流機車都已經不能滿足運輸的需要,交流機車必然要取代直流機車。

首先分析客運機車:客車機車的特點是運行速度越來越快,國產的韶山型電力機車的速度從過去的平均速度60km/h左右,后來經過五次提速,最后達到最高速度170km/h。但國外的客運列車已經能達到300km/h,甚至更高,現在火車速度的世界紀錄已經達到574.8km/h。要想達到這樣的速度,直流機車是不可能達到的。因為機車的運行速度主要靠電機的轉速來實現,而根據直流電機的工作原理,電機的轉速不可能達到那么快。直流電機運行時,轉子繞組中的電流要換向,而換向就會產生機械火花和電磁火花,而且隨著電機的轉速越來越高,火花也會越來越厲害,產生環火和“放炮”現象,電機根本無法正常工作。而把牽引電機從直流電機變為交流電機,就不會存在這種情況。這是因為交流電機沒有換向。交流電機的工作原理是:給定子繞組通入三相交流電,三相交流電就會在定子繞組中產生一個旋轉磁場,這個旋轉磁場會切割鼠籠式的轉子導體,在轉子導體中產生感生電動勢和感生電流,轉子導體中的感生電流會在旋轉磁場作用下,產生電磁作用力,使轉子隨著旋轉磁場的方向轉動。因此,交流電機就沒有換向,當然就不會再產生火花,所以,交流電機普遍比直流電機要轉的快。

然后再分析貨運機車:貨運機車要牽引貨物列車,所以要求機車的牽引力要盡量大,功率要盡量高。而韶山型的直流機車單軸功率最大的是韶山8型,一個電機的功率為900kW,其他機車的一臺電機功率普遍為800kW,而交流機車上的電機,仍然是輪對旁邊的空間,但它的功率最低為1000KW,后來普遍是1200kW,有的機車電機甚至達到1600kW,是直流電機功率的兩倍。一臺六軸的交流機車的總功率相當于一臺十二軸的直流機車的總功率,完全能夠滿足鐵路貨運重載的要求。所以中國已經慢慢開始減少直流機車的生產,大大加強交流機車的產量,逐步實現直流機車向交流機車的過渡。

既然交流機車能夠滿足不管是客運還是貨運的要求,為什么中國過去一直在用韶山型的直流電力機車呢？難道是設計人員不知道交流電機的原理和優點嗎？當然不是,韶山型機車的輔助電機全部采用的都是三相異步電動機驅動的,但為什么沒有把牽引電動機也改成交流電機呢？大家有沒有發現,韶山型機車的輔助電機不能調速,它們轉起來只有一個速度,不可調。這是因為交流電機調速和直流電機調速不一樣。之所以過去一直在不斷的研制韶山型電力機車,原因主要是直流電機調速靠調壓來調速,而交流電機調速與調壓幾乎無關,它主要靠調頻來調速,這就需要晶閘管控制技術,而那時候中國的電子科技水平還比較落后,生產的晶閘管質量不過關,還沒有達到真正應用到機車上的程度。所以韶山型機車應用的電機一直都是直流電機,那是因為直流電機的控制技術中國掌握地比較成熟,直流電機調速主要靠調壓調速和磁場削弱這兩種方式。比如最早的韶山1型電力機車,它的調壓方式采用的是調壓開關調壓的方式,就是利用變壓器副邊不同的繞組接頭變換,來改變直流電機的端壓,從而達到調壓調速的目的,但每級之間的電壓是跳變的,容易產生縱向的沖動,為了達到盡量平滑調速的目的,把調壓的級位設置為三十三級,這樣才能基本達到平滑調速的目的。后來的韶山3型車還采用了調壓開關,但只有8個大級,每個大級之間用晶閘管無級調壓。從韶山4型機車開始,真正淘汰了調壓開關,主要采用三段不等分半控橋相控無級調壓方式,全部實現了無級調壓,使機車的運行實現了平滑調速。磁場削弱也從一開始的三級磁場削弱,最后變為無級磁場削弱,實現了整個調速過程的無級調速,但無級磁場削弱也有兩個不同的形式:一種是韶山7型電力機車的無級磁場削弱,它是復勵電機的無級磁場削弱方式;另一種是韶山8型機車上采用的晶閘管分路的無級磁場削弱方式。

隨著中國的不斷發展,人們對鐵路的要求也發生了變化。客運列車的速度要求越來越快,貨運列車要求重載,這兩個不同的要求靠韶山型直流機車已經無法滿足,只有交流機車才能滿足人們對客運和貨運的要求。中國的科技水平在不斷提高,加上不斷引進國外的先進科技技術,中國的半導體技術也突飛猛進,大功率的晶閘管不斷出現,交流逆變技術也越來越成熟,這就使得交流電機調速能夠被應用到機車上。中國也有自主研發的交-直-交機車,如:中國的第一輛交流機車AC4000型、技術比較成熟的“天梭號”、中國單機功率最大的交流機車SSJ3型機車等,還有中華之星,春城號等動車組。但中國的交流機車技術和外國相比還有不小的差距,為了盡快縮小和外國的差距,提出了跨越式的發展,中國從外國引入了一系列先進的機車技術,包括高速的動車組技術和大功率的交-直-交機車技術,經過幾年的消化吸收,中國已經慢慢掌握了交流傳動技術的關鍵,國產化的大功率的HXD1C等電力機車已經大批量的生產出來,應用到了全國各個鐵路局,發揮了越來越大的作用,這些都明顯地證明了:交流機車已經慢慢替代直流機車成為了鐵路運輸的主要動力。

參考文獻

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[2] 周翊民,李中浩.中國交流傳動機車的發展[J].中國鐵路,1995年07期.