变频技术在铁路机车车辆上的应用现状和市场前景
郭世明 西南交通大学电气工程学院
摘要 近几年我国的高速铁路、重载运输取得了快速发展，牵引传动系统正在实现交流化。和直流传动相比，交流传动系统具有很多优点，因此在动车组和大功率机车上得到了广泛应用，并具有广阔的市场前景。
关键词 变频技术 机车车辆 交流传动
1．前言
近几年我国铁路进入了大规模建设时期，一大批重点工程从南到北、由东到西全面展开。大量新线开工建设，既有线大面积改造也同时推进。截至2008年底，国家批准的铁路新线建设里程为3万公里，投资规模为2万亿元。
在新建铁路中，修建了一批时速200公里以上的客运专线，根据工期安排和工程进度，到2012年，将有1.3万公里客运专线及城际铁路投入运营，其中时速300～350公里的有8000公里，时速200～250公里的有5000公里。此外，环渤海、长三角、珠三角、东北地区、中原地区、川渝地区、海峡西岸等经济发达和人口稠密地区部分城际铁路也将建成通车。
到2012年，我国铁路营业里程将达到11万公里，电气化率、复线率均达到50%以上，发达完善的铁路网初具规模。
铁路机车车辆，到2008年底，全路已配属动车组181列，预计到2012年有800列动车组投入运用。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。届时，客运专线、城际铁路、提速线路上将大密度开行高速动车组列车。大幅度增加空调客车数量，到2012年，空调客车将达到2.5万辆，约占客车保有量的60％。机车方面，广泛应用六轴7200千瓦、9600千瓦大功率交流传动电力机车和6000马力大功率交流传动内燃机车。预计2009～2012年，年均投入运用1200台以上，到2012年底，繁忙干线和主要煤运通道全面实现大功率交流传动机车牵引。
2．交流传动的优点
交流传动机车所以成为现代机车发展的方向，正是由其所具有的特点和优点所决定的。和传统的直流传动相比，交流传动系统的优越之处表现在功率因数、粘着、维修、效率、重量尺寸、动力性能、制动性能等诸多方面。
（1）粘着性能好
1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。
1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。
2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。
（2）功率大，牵引力大
这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。
目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为：直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。
这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。
目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可达到的比值为：直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。随着科技的发展，异步电动机的单位重量功率将越来越高。
（3）可靠性高，维修简便
交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘性能好。因此故障率低，可靠性高。
交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘性能好。因此故障率低，可靠性高。
控制装置采用模块结构，故障率很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。
（4）效率高，利用率高、使用灵活性强
交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。E120交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能3～6%，货运作业时可节能8～10%。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10%。
交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。E120交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能3～6%，货运作业时可节能8～10%。由可靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10%。
交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。
（5）动力性能好、制动性能好
异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。
异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。
（6）功率因数高、节能。
交-直-交电力机车采用四象限控制器作为机车电源侧的变流器，可以在广泛的负荷范围内保持功率因素接近 1，电流的波形接近于正弦波，而且在再生制动时也是如此。
交流传动电力机车牵引和再生工况的功率因数均接近于1，不仅降低了电网损耗而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对信号和通信系统的干扰。
3．变频技术在机车动车上的应用
1971年德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型交流传动内燃机车，功率为1840kW，从此开始了现代交流机车的时代。
自1970年起，交流传动机车的产量逐年增加。以DE2500型机车为先驱的交流传动机车可视为第一代交流传动机车。受当时技术发展的限制，主电路开关元件采用的是关断速度较快的普通晶闸管，控制电路有的还没有采用微机。
1989年ABB公司开发出采用GTO晶闸管逆变器的第二代交流传动的DE1024型内燃机车（1987年世界上出现第一台应用GTO元件的交流机车—3200kW的Re4/4型机车，应用GTO元件的交流机车称为第二代交流传动机车）；
1996年11月，德国Adtranz公司和美国GE公司合作开发出第一台“蓝虎”系列交流传动内燃机车，功率范围从1640kW到3280kW，货运机车最高速度为120km/h，客运机车最高速度为200km/h和240km/h。
90年代我国由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所于1996年共同研制的4轴4000kW，我国第一台交流传动电力机车，标志着我国电力机车进入交流传动时代。
2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大、技术最先进、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组动力车“蓝箭号”的诞生，标志着我国铁路机车进入现代高科技领域。
和谐号货运电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流传动货运机车。分为每轴1200KW的和谐1、2、3型（1、2型为八轴，3型为六轴），以及六轴，每轴1600KW的和谐1B、2B、3B和六轴，每轴1200KW的和谐1C、2C、3C三代。设计最高时速均为120KM/h。
HXD1型交流传动电力机车是由株洲电力机车有限公司与德国西门子公司在EuroSprinter（欧洲短跑者）机车技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8轴货运机车，主要用于铁路专线（大秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列），具有功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率高、能源消耗低等特点，可满足我国大秦线铁路煤炭运输的需要。
HXD2型交流传动电力机车是由大同电力机车有限公司与法国阿尔斯通公司在PRIMA机车技术平台上联合研发的新型大功率交流传动8轴货运机车，主要用于铁路专线（大秦线）牵引重载列车（两万吨运煤专列）。
HXD3型交流传动电力机车是由大连机车车辆有限公司与日本东芝公司联合研发的新型大功率6轴货运机车，主要用于铁路干线牵引重载列车和快捷货物列车。
4．市场前景
4.1 动车组的市场需求
2004 年版《中长期铁路网规划》规划的快速客运专线主要为“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。其中，客运专线1．2 万公里以上，客车速度目标值达到每小时200 公里及以上。2008 年10 月调整后的“中长期铁路网规划方案”将客运专线建设目标由1.2 万公里调整为1.6 公里以上。主要是加大了繁忙干线客货分线的力度，在维持原“四纵四横”客运专线基础骨架不变的情况下，增加了4000 公里客运专线。
至于中长期动车组的需求数量根据“十一五”规划中“快速客运网总规模达到20000 公里以上、2010 年动车组配置达到1000 列左右”的表述，大致推算将客运专线建设目标由1.2 万公里调整为1.6 万公里以上，约需要动车组800 列。动车组单价为 1400-2000 万元/辆，一列大概8 辆。则1000 列动车组的采购金额为1120 亿元-1600 亿元。
4.2 大功率机车的市场需求
近年来，我国机车保有量不断增加，但从数字上看，2007 年底到2010年的规划数量之间，增长幅度有限，机车的发展主要在于结构的调整。综合考虑机车车辆的升级换代、铁路快速客运网的初步形成、货运总体运量需求的快速增长及铁路电气化的广泛应用等因素，预计未来铁路机车将以电力、高速、重载为主要发展方向。“十一五”规划规定,电力机车将成为主导，其承担的运输工作量比重将达到80%以上。
从实际情况来看，到2007 年底，全国铁路机车拥有量达到1.83 万台，内燃机车占比67.0%，电力机车占比32.4％，离“电力机车承担80%以上的运输工作量”仍有一定距离。因此电力机车的增长仍存在较大空间。预计到2010年，电力机车年均增长约1000 台左右。
除了电力化发展方向外，大功率机车也是重点需求对象。2007 年新投入“和谐型”大功率电力机车332 台，使期末保有量达到了550 台。到2010 年，估计将有 1500 台以上的大功率机车装备中国铁路。
在国产大功率机车的发展方向上， 通过技术引进消化吸收再创新是国内企业快速掌握技术的重要方式。目前，国家已经在大同厂、株洲厂、大连厂建成六轴9600kW 大功率电力机车的技术与制造平台，在戚墅堰厂、大连厂建成6000 马力的大功率内燃机车的技术与制造平台。其中，八轴大功率电力机车用于大秦线运煤通道，六轴大功率电力和内燃机车将作为干线主型货运机车。
4.3 城轨车辆的市场需求
随着我国经济高速发展和城市化进程加速，城市规模不断扩大，为改善交通拥堵状况，各城市积极发展以城市轨道交通为主的城市公共交通体系。
“十一五”期间，我国的城市轨道交通将进入快速发展时期。目前，已有多个大中城市向国家主管部门上报了新增的轨道交通建设规划。根据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会的预测，至2010 年，规划建设地铁和城市轻轨线路达55 条，总长度达约1500 公里，需配属车辆超过6000 辆，年均需求量超过800 辆。
4.4 空调客车的市场需求
到2012年，机车直接供电的新型空调客车将达到2.5万辆，约占客车保有量的60％。
每台客车使用二台35KVA的逆变器和一台8KW的充电器。
5．结束语
近代机车动车的交流传动经过近40年的发展，其技术已经趋于成熟，目前正朝着大容量、高性能的方向发展。可以预计在不远的将来即可全部取代直流传动的机车动车。
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