牽引傳動技術在電力機車中的應用及優化研究目錄TOC\o"1-3"\h\u12476第一章緒論 第一章緒論1.1研究目的及意義在城市體量不斷增大的背景下，人們對于交通運輸的需求也隨之增長，隨著我國軌道交通及電力技術的高速發展，牽引傳動技術在電力機車發展中發揮的作用尤為凸顯。牽引傳動系統是電力機車控制系統中的核心，近年來，國內外專家學者對牽引傳動技術展開了一系列研究與探索，牽引傳動技術在電力機車發展中日益成熟，列車牽引的穩定性、響應性、可靠性等性能大幅提升[1]。但在實際應用中電力機車的牽引傳動技術同樣存在著一些問題，如故障率、節能性等技術問題；行業標準、研發機構等管理問題，人才引進問題及流程可行性等問題都是目前電力機車牽引傳動技術發展面臨的主要問題[2]。因此，本文的研究目的在于設計可行性方案以優化牽引傳動技術在電力機車中的應用，解決技術難題，響應國家號召，提升牽引傳動系統的節能性、穩定性，為電力機車發展提供有力保障。隨著我國電力機車事業發展進入全盛階段，對于列車的動力系統也提出了新的要求，是否擁有成熟的牽引傳動技術，已經成為衡量一個國家鐵路技術水平的重要標志[3]。由此可見，以電力機車為主要目標，研究牽引傳動技術的應用及創新發展具有十分重要的現實意義。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀BBC公司提出了基于感應電機作為牽引電機的交流傳動技術。到1980年代，這項技術被安裝在120輛電力機車的原型上，60輛這種類型的機車被批量生產[4]。此技術已被丹麥國家鐵路公司的EA3000機車和一些德國鐵路公司的ICE1高速列車采用。從那時起，西門子和龐巴迪(ABB)開發了一種GTO轉換器，可用于218kV的中間電路電壓。然而，隨著近年來技術的不斷進步，GTO技術開始退居幕后[5]。目前，國外牽引傳動主要零部件的生產水平不高，國外公司如西門子、龐巴迪（ABB）、三菱、日立等，以形式供應這些主要零部件完整的生產線。為了保護壟斷和相關技術，外國公司迫使我們在研發過程中依賴進口，特別是在設備領域。如何提高我國電力機車裝備技術水平，獲得自主知識產權，成為牽引控制的關鍵技術。我國電力機車自主發展是一個亟待解決的重大問題[6]。1.2.2國內研究現狀與國外在牽引傳動技術領域的研究相比，我國在該領域的研究起步較晚。80年代初，交流電力機車的國際研究和應用進入商業化階段，技術成熟[7]。我國已研制出交流1000千瓦電力牽引傳動系統。冷變頻器、異步牽引電機、臥式牽引變壓器和微機/模數機車控制系統等技術是我國電力牽引技術史上的里程碑[8]。2000年，“熊貓號”高速交流電力機車、建健高速電動車在我國誕生。隨著這一革命性的發展，我國鐵路機車也進入了現代高科技產業[9]。同時，我國在單軸功率300kW的快速、分散式交流傳動器的研制方面也取得了長足的進步。從那時起，在直接轉矩控制系統、2,800kVA水冷GTO轉換器和中功率IGBT的開發方面取得了重大創新[10]。近年來，我國通過合作實施，引進了國外一些成熟的零部件和系統，成功研制了多套牽引傳動系統，在牽引傳動技術的開發和應用方面積累了豐富的經驗。這將有助于提高我國電力機車牽引傳動系統的集成能力[11]。1.3研究方法（1）文獻研究法。該方法主要是對公開發表的文獻資料進行系統的搜集、分析和整理，在文獻中獲取有效信息。本研究通過查閱電力機車及牽引傳動技術方面的文獻，對研究現狀、相關概念和理論進行歸納。廣泛搜集相關文件、報告、會議資料等，以研究電力機車牽引傳動技術的現狀和問題。（2）綜合分析法。本研究主要嘗試運用了歸納分析、比較分析和概念解釋相結合的方法，深入研究牽引傳動技術，提出優化方案。第二章相關概念與理論基礎2.1牽引傳動的組成交流電力機車牽引傳動裝置主要包括受電弓、主開關、主變壓器、主變流柜、牽引電機等設備。圖1牽引傳動系統的結構簡圖2.1.1受電弓受電弓是電力機車的重要電氣部件。與汽車網絡的直接接觸通過電氣設備的架空網絡向機車供電。受電弓移動時，從動氣缸始終提供壓縮空氣，以確保標點圖與氣路之間的可靠接觸。受電弓根據電源線的高度而變化。如果氣壓過低，則一臺機器的功耗將非常高。另一方面，瞬時離線電弧影響正常功耗，使滑板和接觸線之間的表面光滑，導致接觸線和接觸線之間由于接觸電阻增加而產生高溫。如果空氣壓力過高，機械摩擦和磨損增加，影響頂置板和滑板的使用壽命。因此，受電弓接觸滑板的控制壓力被認為是受電弓保護的主要研究課題。2.1.2主變壓器主變壓器運行時采用單相交流電。根據法拉第電磁感應定律，變壓器鐵芯在鐵芯中產生磁場和磁渦流并產生熱量。線圈和鐵芯產生的熱量必須隨時間消散。否則，如果變壓器仍在工作，則會產生渦流。因此，為了保證交流電力機車主變壓器的正常可靠運行，有必要采用特殊的冷卻方式對主變壓器進行冷卻，并對循環油冷卻器進行強制冷卻。整個變壓器繞組浸在裝滿礦物油的油箱中。如果主變壓器未冷卻，則熱量通過強制循環的閉環從主變壓器排出。正確地說，變壓器內部過熱，影響或損壞線圈之間的絕緣，導致線圈和變壓器之間的絕緣擊穿或整個變壓器爆炸，導致嚴重的冷卻損壞。主變壓器絕緣是變壓器保護領域的一個重要課題。2.1.3主變流器主變柜內逆變模塊采用高頻IGBT開關元件，在運行過程中會產生一定的熱量。如果溫度過高，可能會超過最大值。在設計機車保護系統時，機車主變壓器系統必須配備專用冷卻系統，以確保主變壓器系統的安全運行。還應考慮制冷系統的正常運行。2.1.4牽引電機牽引電機是電力機車實現電能和機械能轉換的重要部件。電機過熱時，絕緣會迅速老化，變得脆弱，絕緣損耗大，這將大大降低機車運行的安全性。大大提高了發動機的使用壽命，防止發動機溫度超過額定值，影響發動機的正常運行和使用壽命，從而保護和監測發動機溫度。此外，必須充分保護機車的運行速度。機車實際運行速度不過高，不超過機車設計速度，不干擾機車運動部件，正常運行牽引力低。駕駛會損壞機車，造成嚴重事故。2.1.5輔助變壓器由于輔助變壓器容量和體積較小，直接轉換成開關柜存放在機車室。主變壓器主要采用輔助變壓器作為主變壓器。機車輔助變壓器的熱保護一般分為兩步。當設定值為1級報警時，溫度繼續上升至2級報警點，觸發2級報警并斷開輔助變壓器。2.1.6主斷路器主開關本身的保護主要體現在主輔觸點的可靠性上。例如，主開關外殼被堵塞和損壞。2.2牽引傳動技術原理電力機車由機械部件（包括車體和轉向架）、電氣部件和風道系統組成。車身結構是電力機車的骨架，空間結構復雜，主要由鋼板和V型梁焊接而成。電力機車的機電設備大多安裝在車體上。電力機車由大量觸點供電，機車上的觸點電路布置在電力機車的頂部，用于控制機車。在升降過程中，摩擦通過接觸網滑動，通過機車開關將動力傳遞給機車。2.3牽引傳動技術的特點與優勢2.3.1特點分析牽引傳動系統的主要特點是：（1）采用傳統的網絡結構。每個受電弓后面都會安裝一個開關，以確保機車的安全運行。接地開關和接地開關集成在一起，適用于高壓天花板，確保工人安全。配備高壓干式變壓器，全隔離高壓變壓器。（2）主驅動系統采用AC-DC-AC結構，整流電路采用四方PWM，可同步處理電流和電壓，具有提高力因數阻力的優點。降低空調電流。無論牽引和后坐力模式如何，后坐力制動技術在額定工況下都能達到0.98以上的功率。（3）采用短軸控制方式。牽引變流器上交直流的六個支路由主變壓器的六個牽引繞組控制。一組或某支電機從交流轉直流出現故障，將對機車的運行產生不利影響，因為如果失去連接，其牽引力將會損失1/6。（4）二次濾波器去掉了電感和電容，降低了變壓器和轉換器的質量和重量。二級濾波器的省略，預示著機車換向器的發展方向。（5）間接矢量控制技術引用。2.3.2優勢分析發達國家已經進入大規模的軌道交通系統，交流傳動技術的研發得到更新，全面完成了交流傳動汽車的評價技術。交流傳動技術已經取代直流傳動產業，形成了新的干線，標志著電力機車的現代化和鐵路管理的快速發展。第一代內燃機車電力電子核心技術采用高速晶閘管變壓器，設計復雜，效率低，可靠性和可維護性差。自20世紀80年代進入市場以來，高性能交流傳動系統迅速應用于機車。為了提高機車的生產效率，90年代采用高壓IGBT器件來提高功率轉換效率。三相傳動控制技術也是控制技術發展的基礎。目前主要有晶閘管移相控制、PWM脈沖控制、四象限開關控制等。隨著微電子和信息通信技術的進步，控制單元已由模擬電路和數字電路轉變為復雜的控制電路，最新的網絡控制模塊也提高了單片機的運行質量，并進一步發展了8位，32位和64位浮點操作程序。各種技術的進步將大大提高單片機的運算能力。系統采用最新的電氣電子設備，引進基于技術創新的交流牽引電機系統。新技術帶來更多好處，例如：（1）四象限開關變換器在機車上得到了廣泛地應用，大大降低了電網中的諧波功率，改善了電能質量，提高了信號通信的抗干擾能力（2）交流傳動可以實現城市電能的高效轉換，減少城市電能損耗，實現多方向反饋，提高城市電能質量；節能效果好。（3）機車前后牽引制動過程無需切換，位置開關可通過主電路切換，整個系統簡單可靠。第三章牽引傳動技術在電力機車中的應用與發展3.1電力機車牽引傳動技術發展歷程牽引傳動技術的進步與電子技術的發展密切相關。自1960年代以來，隨著下一代電力機車驅動系統的出現，電子耦合器的發展速度超過了晶體管（SCR）、功率晶體管（GRT）、晶閘管（GTO）和集成柵極晶閘管（IGCT）。隔離的閉合雙極晶體管（IGBT）提高了牽引系統的驅動電壓、電流和開關頻率，降低了牽引系統的功耗，支持了牽引系統的發展。直到1970年代后期，高速機車傳動系統中普遍使用晶閘管，但晶閘管有以下缺點：（1）關斷容量顯著增加，一般在開關電流大于3~5時，網絡傳輸電路復雜，傳輸功率高，（2）開關電路的精度很高，（3）開關頻率低變壓器組設計復雜，效率低，可靠性低，維護困難。針對上述缺點，可以采用兩種創新的方式來改進晶閘管：一是生產晶閘管集成晶閘管開關，以及晶閘管結構的改進和技術創新。本設計的集成晶閘管整流器成本高、可靠性好，提高了晶閘管的性能，消除了開關吸收電路，采用電網控制技術強傳輸，增加了絕緣層，采用薄而透明的發射極取代原有的陽極短路結構，降低了硅片厚度和動態功耗。二是混合集成技術。不同器件可以相互結合、互補，形成端到端絕緣柵性能優異的新型器件。雙極晶體管是場效應晶體管和雙極晶體管的組合。開關頻率可達幾十kHz，避免了二次擊穿、無功耗、電流飽和等問題。3.2牽引傳動技術在電力機車中的應用我國電力機車傳動系統的發展是一個不斷完善和進步的過程。由于電力電子技術的不斷創新，我國的電力機車發動機系統也取得了長足的進步。它經歷了兩個階段：AC-DC傳動系統和AC-DC交流傳動系統。3.2.1在交直傳動電力機車中的應用1958年，株洲電力機車廠成功建造了我國第一臺機車6Y1型機車。1968年株洲電力機車廠研制成功SS1型電動車。從此，我國電力機車技術進入了交直流電站時代。1978年，株洲電力機車廠電力機車研究所研制成功SS3型電力機車用張力變壓器。使用側壓控制開關改善牽引速度控制。同時，我國正在電力機車驅動系統中引入逐步電壓調節。SS4型機車于1985年在我國研制成功，采用交直流相結合的無級調壓方式。它是相控機車的典型代表。該系列機車采用整流、調壓和交直流輸電系統，這意味著我國電力機車交直流輸電系統已進入成熟階段。3.2.2在交直交傳動電力機車中的應用隨著電力電子、新設備、新控制技術的不斷創新，我國電力機車技術先進，吸收變壓器，自主開發GTO高性能機車和IGBT機車變流器。1995年，我國第一套1000kW交直流接地試驗系統完成了主變閉鎖晶閘管的研制，是2001年株洲機車交流傳動機車研制項目的前期工作，株洲電力機車廠電氣研究所研制成功的“奧星”型客運電力機車是中國第一臺具有自主知識產權的交流電力機車。IGBT自1982年問世以來，經過近40年的發展和優化，在耐高壓、大電流、低飽和電壓、高頻和可靠性等方面有了顯著提升。在鐵路領域，IGBT正在逐步取代GTO。在我國和諧系列電力機車中，采用IGBT構建多頻交流機車電機，節能降耗，優化升級電力機車供電。諧波系列電力機車變流器采用PWM技術，功率因數遠高于韶山電力機車，接近1.0。鐵電機車諧波傳動可以大大降低諧波電流互感器的負荷，改善架空線路的電能質量，提高牽引制動比。隨著SiC電機的發展，SiC電機在電力機車傳動系統中的應用日益普及。在傳統的硅基電氣器件中，SiC基電氣器件提高了體積、重量、整體效率、系統諧波和系統效率。第四章牽引傳動技術在電力機車應用中存在的問題4.1技術問題（1）顯示設備與人機設計不符。例如，CTC/TDCS系統監控的可視性和屏幕信息的顯示效果差，通信設備的清晰度不足。（2）控制單元的可用性差。可操作性意味著設備的硬件和軟件設計應易于行車員使用。例如，高速列車行車員可以通過列車運行圖系統讀取基本圖，調整列車運行計劃并發布運輸命令。如果控制設備可以執行此操作，則可操作性差會導致行車程序的缺陷操作，從而導致設備狀態不安全，并可能損害運輸操作的正常運行。（3）設備可靠性低。硬件安全是指硬件或軟件系統在一段時間內正常運行的能力。設備及其部件的可靠性對其可靠性有顯著影響，這些情況會影響列車員的判斷。4.2管理問題管理缺陷可造成機車牽引傳動的風險。這不僅包括人員管理，還包括系統內的設備和環境管理，通常包含以下三類情況：（1）人力資源管理人員管理主要包括系統中人員的選擇和分配，計劃系統以及培訓和繼續教育等。這些條件直接影響有關人員的技術質量，安全意識以及人員的心理和身體狀況。（2）安全管理安全管理主要包括機車設備、安全控制、安全管理體系及其他相關系統的安全測試，相關操作規程的制定和審核，相關設備的測試收集、維修、保養和更換。（3）安全文化安全文化主要涉及安全與運輸收益之間的平衡，以及與安全相關的信息的報告和反饋。及時了解牽引傳動的安全狀況和事故，可以為相關人員提供經驗和教訓，以防止發生類似的事故，根據安全生產的情況從經濟上獎勵相關人員，也有助于樹立對安全生產的積極性。4.3流程問題機車的牽引傳動還涉及到其他設備，例如列車控制系統服務器、車載系統、主機和聯鎖計算機等，均在室內運行，并且專業人員進行定期維護和維修工作。其中，危險設備的主要風險來源是室溫、濕度和灰塵過多。例如，如果內部溫度過高，CTC系統產生的熱量不夠，就會對列車的安全產生不利影響；如果空氣太干燥，靜電會引起火災；司機和維修人員缺乏專業技能，缺乏安全知識和經驗，會導致設備事故和環境風險，如司機使用不當、設備方式和維護不當。4.4人才問題（1）技術人員的專業技能和素質技術人員的專業技能和素質與某些操作技能并通過他們自己的學習和培訓解決問題的能力有關。這種能力在很大程度上決定了技術人員對緊急情況的反應程度。（2）技術人員的專業經驗工作經驗代表技術人員熟悉設備條件和工作流程，執行計劃任務的能力以及相關程序的使用。經驗豐富的技術人員通常可以從系統和環境中快速檢索信息并執行相關任務。另外，有經驗的人員比在任務執行的速度和質量方面經驗不足的人員具有某些優勢。第五章電力機車牽引傳動技術應用優化方案5.1引入信息系統，強化技術手段為了提高電力機車的“安全信息”的可靠性，引入了用于手動輸入的信息的定期信息檢查系統，并且上層和下層被連接在幾個層上。同時，安排專員檢查和確認信息，以防止發生人為故障。為系統自動收集和生成的信息設置了許多安全系統，并使用模式2+2取2進行比較以確保信息的安全性和可靠性。5.2規范管理機構，加強技術開發在電力機車牽引傳動系統的應用軟件中，為保證鐵路配電系統相關軟件的安全，必須同時實施安全診斷程序、糾錯程序和保護程序。同時，將自動化工作、實時人與人監控、人機共存、人機交互集成到計算機關鍵部件中，提高維護效率，整體系統安全，保障機車供電標準化運行.。5.3優化流程算法，提升技術標準先進的技術是電力機車安全運行的重要基礎。如果設備的自動控制處于良好狀態，則應避免操作員手動操作干預設備，以最大程度地減少由手動操作引起的不確定性，同時優化過程算法，首先要仔細監控，及時確定設備的異常狀況，并迅速采取適當有效的措施。結合實際情況，不斷提出改進建議，提高整個系統設備的可控性，對問題進行自動報警，實現面向故障的安全性向導。5.4加強人才引進，打造專業隊伍在電力機車運行過程中，調度員是運輸生產的實踐者。因此，強調以人為中心的鐵路行業發展因素并提高調度員的組織和指揮能力是當前運輸處理任務中需要解決的緊迫問題。從主觀上講，這是一個以人為本的平穩過程的基本要求。現代管理認為，只有將管理與技術相結合，技術才能轉化為有效的生產力。如果擁有先進的技術設備和工作條件而沒有適當的科學組織和管理方法，則將無法分析員工的心理并使其發揮實際作用。從客觀的角度來看，由于電力機車行車管理涉及許多因素，部門和環節，如果某種類型的工作或生產單位在組織過程中疏忽大意，則某些環節會被延遲或阻礙對整個運輸和生產過程產生影響。因此，電力機車的工作與其他工作有很大不同。工作過程的完整性是一個具體的體現。另外，它講究連續性并注意及時性。只有充分發揮員工的積極主觀能動性，使員工全心投入工作，才能取得理想的效果。第六章總結與展望本文以電力機車為例，重點研究了牽引傳動技術的概念、原理以及優勢。通過討論實際工作中的問題，詳細討論并研究了牽引傳動技術的問題，并提出了相關的控制措施，從技術、管理、流程以及人才等方面展開，最后提出了針對性的解決對策。總之，牽引傳動技術是一個復雜的系統項目。為了確保鐵路運輸的安全，必須更加重視牽引傳動技術的研究。由于筆者的學術理論水平有限，對牽引傳動技術的研究還不是很全面，只是嘗試性地討論了實際工作中遇到的問題。牽引傳動技術的研究是一個非常深入的主題，為了能夠有效地發揮牽引傳動技術的作用，需要進行進一步的詳細研究。參考文獻[1]宋安東,賈流棡,張昕.電力機車庫內動車電路的比較與分析[J].現代制造技術與裝備,2020