交流传动电力机车牵引特性与黏着利用的机理分析

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交流传动电力机车牵引特性与黏着利用的机理分析

摘要：交流传动电力机车的运行品质，根本上取决于牵引电动机的转矩—转速特性及其与黏着条件的匹配关系。本文以交流传动电力机车牵引传动系统为研究对象，从异步牵引电动机的矩速特性出发，分析恒磁通控制与恒功率控制两种运行区段的形成机理，进而讨论黏着利用对牵引力发挥的约束作用，并结合车载诊断的分级结构说明状态监测对传动系统可靠运行的支撑意义。分析表明，交流传动机车较宽的恒功率区是其运输能力优于直流传动机车的技术基础，而黏着利用水平则决定了这一能力能否在实际运行中充分兑现。上述认识对乘务操纵与检修作业均具有参考价值。

关键词：交流传动；牵引特性；恒功率控制；黏着利用；车载诊断

引言

交流传动电力机车是指由各种变流器供电、以交流异步或同步电动机作为传动电机的电力机车或电动车组。电力牵引交流传动系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、三相交流牵引电动机、齿轮箱等组成。根据变流器是否带中间回路，可分为交直交变流器和交交变流器两类；根据中间回路储能元件的不同，又分为电压型系统和电流型系统两种基本结构。交流传动系统主要由牵引变压器、牵引电机、牵引变流器三部分构成。

与直流传动电力机车相比，交流传动电力机车具有一系列突出优点：良好的牵引性能；电网功率因数高、谐波干扰小；牵引系统功率大、体积小、重量轻；动态性能和黏着利用好；显著的节能效果以及良好的可靠性和维修性；减少磨耗、降低运营成本，并解决了对信号和通信设备的干扰问题。交流传动技术经过长期发展，在国内外轨道交通运载装备中得到了广泛应用。

在机务专业的岗位培训与技术学习中，交流传动机车的性能分析不能停留在优点罗列层面，而应回到牵引电动机本身的特性及其控制方式上来。本文的分析范围限定为：异步牵引电动机的矩速特性、恒磁通与恒功率两种控制区段的划分依据、黏着利用对牵引力发挥的制约，以及车载诊断分级结构对传动系统的保障作用。文中涉及的具体数值均取自本次参考资料，不作外部补充。

一、交流传动系统的构成与能量变换路径

理解交流传动电力机车的性能，首先需要明确其能量变换的基本路径。采用交流传动技术的电力机车或电动车组，为实现能量的传输与变换，不可缺少的设备分为三部分。

第一部分是车顶高压设备，包括受电弓、空气或真空断路器、防止大气过电压的装置（如避雷器、放电间隙）以及高压侧电压、电流检测装置。这部分设备的基本功能是保证通过弓网动态接触，使机车从牵引变电所获得可靠供电。

第二部分是车内变流设备，主要包括牵引变压器和交直交变流器，以及相关的附加设备，如通风机、压缩机、泵等。它们的任务是实现电能形式的变换，以满足变频变压的要求。

第三部分是转向架中的机电能量转换装置，即牵引电动机。此外，转向架中还包含力的传递结构，如齿轮减速器、万向节空心轴传递装置等。

以电压型变流器供电的笼型异步电动机系统为例，其工作原理为：来自接触网的单相交流电经受电弓引入机车变压器，在牵引变压器中变换成所需的合适电压后送入电源侧变流器，将单相交流电转换为直流电，提供给中间回路经平滑功率脉动，再送入电动机侧的变流器，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给三相异步电动机，实现牵引运行。在这一系统中，机车将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换为电压和频率可调的交流能量。

在这一变换链条中，中间回路承担着能量平衡和滤波的双重功能。由于电源侧和负载侧都有变流器，都要产生谐波，同时每一瞬间电源侧输入的能量和电机侧输入的能量又不相等，因此直流环节中必须加入有一定容量的储能和滤波元件。如果用电容器作储能器，接受向中间回路供给的瞬时电流与从中间回路取用的瞬时电流之差，并使电压保持恒定，相当于一个电压源，称为电压型系统；如果用电抗器作储能器，它吸收波动形式的差电压，保持中间回路的电流强度恒定，相当于一个电流源，称为电流型系统。由于电压型变流器供电的笼型异步电动机机车的转矩脉动以及对电网的反作用小，适合于较大功率的机车，因此干线交流传动电力机车绝大部分都采用这种系统。

二、异步牵引电动机的矩速特性与控制区段划分

交流传动电力机车的特性取决于交流电动机的特性。异步电动机具有较硬的矩速特性，其特性公式涉及三相交流电的频率、牵引电动机极对数、牵引电动机轴输出转矩、牵引电动机每极磁通、牵引电动机电枢电流、转矩常数以及牵引电动机转速和三相交流电的功率因数等参数。

这一较硬的特性意味着，如果不加控制，异步电动机难以直接满足机车牵引所要求的恒转矩启动和恒功率运行特性。因此，需要采用适当的控制方式对牵引电动机的运行加以控制。交流传动机车的牵引运行特性表现为：额定频率以下采用恒磁通控制，额定频率以上采用恒功率控制。

恒磁通控制区段的设置，是为了在启动和低速阶段获得较大的启动牵引力。在这一区段内，维持电动机每极磁通基本恒定，使转矩与电枢电流保持较好的线性关系，从而满足机车启动和低速运行对牵引力的需求。恒功率控制区段的设置，则是为了在高速阶段维持牵引功率不随速度升高而下降，使机车能够在较宽的速度范围内保持加速能力。

有数据表明，交流传动电力机车经优化控制后，在干燥轨面下黏着系数大于某一定值；采用三相异步电动机作牵引电动机的机车，持续功率可达5400kW，远大于直流传动机车；恒功率区宽度也明显优于直流传动机车。这些数据共同说明，交流传动电力机车的运输能力优势，主要来源于启动牵引力、持续功率和最高速度下剩余加速力三个方面的综合提升，而这三个方面都与牵引电动机矩速特性及控制方式密切相关。

三、黏着利用与牵引力发挥的约束关系

机车牵引力的发挥，最终必须通过轮轨之间的黏着来实现。交流传动电力机车在黏着利用方面具有优势，这一优势来自多个层面的共同作用。

从电机层面看，异步电动机结构中无换向器，相同功率的电机，异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量大大减少。在机车通过曲线时，轮轨间侧向压力相应减少，降低了轮缘和轨面的磨耗。簧下重量的降低改善了转向架动力学性能，为黏着的稳定利用提供了机械基础。

从控制层面看，传动级控制实现对每个动力单元的开环和闭环控制，包括电动机控制和变流器控制，保证提供合适的牵引力运行速度。传动级控制的基本功能包括：输入端变流器即四象限脉冲整流器的开环和闭环控制；负载端电动机控制，或空转与滑行保护及黏着优化利用；电动机侧变流器即逆变器的控制；变流器回路的监视与控制；整个传动单元的故障检测与诊断。其中，空转与滑行保护及黏着优化利用是传动级控制的核心功能之一，直接关系到牵引力能否在黏着极限内得到充分发挥。

从系统层面看，在采用转向架控制及重联的情况下，列车级控制保证各个动力单元的负载均匀分配，而无需采用其他的附加措施。这一功能对于多节重联机车的黏着利用尤为重要，因为负载分配不均会导致个别动力单元先达到黏着极限，从而限制整个列车的牵引力发挥。

综合来看，交流传动电力机车的黏着利用优势并非单一因素所决定，而是电机结构、传动控制和列车级协调三个层面共同作用的结果。在岗位培训中，理解这一多层结构有助于乘务人员认识空转滑行保护的作用机理，也有助于检修人员把握传动级控制装置的检查重点。

四、车载诊断分级结构对传动系统的保障作用

交流传动控制装置采取分级管理模式，一般分为列车级控制、机车级控制和传动级控制。列车级控制涉及与整个列车有关的给定值和控制变量，特别是重联控制列车或动力车，其最重要的输出信号是牵引力或制动力的给定值。机车级控制涉及机车或车辆正常、有效运行的所有功能，主要任务是优化黏着控制、分配制动力，对牵引力和制动力进行进一步处理后发送给传动级控制装置。机车级控制还承担限制冲击、监视主要设备的过电流、过电压、欠电压、过热并在必要时切断主断路器、通过保护逻辑保证在接触网分相处的安全运行等功能。传动级控制则实现对每个动力单元的开环和闭环控制。

与三级控制结构相对应，车载诊断也分为三级结构。部件诊断由微机控制的各部件的自诊断以及对被控对象的监控诊断组成，诊断信息经编码后传输到车辆诊断计算机中。车辆诊断由机车或中间车辆的诊断计算机通过总线或接口搜集、分类、评估、储存本车中由微机控制的各部件的诊断数据，检测处理环境参数和时间标准，编码后传输到列车诊断装置中。列车诊断则搜集、分类、评估、存储全列车的诊断结果，并在本务车上显示。

这一分级诊断结构对传动系统的意义在于：传动级控制所监视的变流器回路状态、牵引电动机运行状态等信息，可以通过部件诊断和车辆诊断逐级上传，最终在列车诊断层面形成全列车的状态图像。对于检修作业而言，这意味着故障定位可以按照诊断层级逐级缩小范围；对于乘务作业而言，这意味着本务车司机能够获取全列车的传动系统状态信息，为运行中的判断和处置提供依据。

结论与建议

本文围绕交流传动电力机车的牵引特性与黏着利用机理进行了分析，可以得到以下结论。

第一，交流传动电力机车的能量变换路径为“接触网单相交流—直流中间回路—电压频率可调三相交流”，电压型系统因其转矩脉动小、对电网反作用小，成为干线交流传动电力机车的主要选择。

第二，异步牵引电动机具有较硬的矩速特性，必须通过控制方式加以调整。额定频率以下采用恒磁通控制以满足启动和低速牵引力需求，额定频率以上采用恒功率控制以维持高速加速能力。较宽的恒功率区是交流传动机车运输能力优于直流传动机车的技术基础。

第三，黏着利用优势来自电机结构、传动控制和列车级协调三个层面的共同作用。簧下重量降低改善了动力学条件，空转与滑行保护及黏着优化利用是传动级控制的核心功能，负载均匀分配则保证了重联编组条件下的整体黏着利用水平。

第四，车载诊断的三级结构与控制系统的三级结构相对应，为传动系统的状态监测和故障定位提供了逐级缩小的信息支撑。

基于上述结论，提出以下建议。在岗位培训中，应将异步电动机矩速特性和恒磁通、恒功率控制区段的划分作为交流传动机车原理教学的重点内容，帮助学员建立“控制方式决定牵引特性”的基本认识。在乘务操纵培训中，应结合空转与滑行保护的功能说明，讲清黏着利用与牵引力发挥之间的关系，使乘务人员理解操纵不当可能导致黏着破坏的机理。在检修培训中，应按照部件诊断、车辆诊断、列车诊断的层级关系，梳理传动系统故障信息的获取路径和判断顺序。上述分析和建议均以本次参考资料为依据，实际作业中涉及具体操纵方法和检修工艺时，应以现行规章、调度命令和现场管理要求为准。

参考资料

毕业设计(论文)-交流传动电力机车的性能分析

引用依据：
《毕业设计(论文)-交流传动电力机车的性能分析》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。