轨道交通牵引机车

轨道交通牵引机车（精选八篇）

轨道交通牵引机车 篇1

随着清洁能源的不断发展,轨道交通机车技术不断更新,机车材质更环保、重量更轻,对所用的配件(如线缆)要求也越来越高。轨道交通机车内的工作空间越来越狭小,电缆或电线一般做成线束安装在机车内部用于信号或动力传输。为了确保轨道交通机车安全运行,轨道交通机车线缆必须能在高温、严寒、震动、摩擦等复杂环境中保持良好的工作状态,应具备耐燃料油(如#902油或#903油)、耐溶剂(如浸渍漆)、低烟无卤、阻燃耐火、耐腐蚀性气体等性能。

目前,轨道交通类电缆标准主要有欧洲标准EN系列、国家标准GB(等同IEC)系列及美国标准系列。其中美国标准系列在美国环保局(U.S.EPA)实行机车Tier4排放标准,要求第四代内燃机车采用排气后处理装置(如颗粒物过滤器或选择性催化还原装置(SCR)等)以达到对环境更环保、污染更降低的效果后,为了与之相适应,对轨道交通类电缆的环境环保性、低污染性提出了更为严格的要求。国内轨道交通机车线缆生产企业较多参照欧洲标准与国家标准生产,很少参照美国标准生产。在面对更为严格的轨道交通机车电缆美国标准系列,以及庞巴迪、大众、GE等机车制造商的企业标准,国内轨道交通机车线缆生产企业在技术上就显得有些准备不足了。

为了满足客户的需求,本公司开发了符合美国标准系列的美标内燃机机车电缆。在美标内燃机机车电缆整个开发过程中,从结构设计、材料研发、工艺控制到性能测试等方面均遇到了各类技术难题,在解决技术难题过程中本公司对美标机车电缆的研发能力也同步获得了增强。本文以美标内燃机机车电缆高温热切性能的设计为例进行介绍,为国内轨道交通机车线缆生产企业研发相关产品提供参考。

1 高温热切试验设计

高温热切性能是轨道交通机车线缆美国标准系列中要求最为严格的性能,其主要衡量在机车内部高温环境中线缆与利刃接触时仍能有效工作,确保机车运行安全等级的能力。目前,主要根据高温热切试验的通过与否来判定电缆高温热切性能的合格与否,故必须对高温热切试验进行合理设计。

1.1 参考标准

根据相关标准规定,在22AWG(直径0.643mm)~1111MCM(截面积562.943 7 mm2)线缆导体规格中只有导线线规在12AWG(直径2.05mm)及以下电缆需要进行高温热切试验。因此,在设计高温热切试验时,我们主要参考了客户提供的电缆技术标准(《41A313392》H版)和ISO6722:2006标准。表1示出了《41A313392》标准中导体规格12AWG(截面积约为3.33 mm2)的高温热切试验规定和ISO 6722:2006标准中相近导体规格4mm2的高温压力试验规定[1]。虽然ISO 6722:2006标准中高温压力试验所给出的负重质量、刀片半径、预处理温度都要比《41A313392》标准中高温热切试验严格,但因针对的材料有所不同及线缆测试时关注的方面有所不同,故美标内燃机机车电缆高温热切试验的设计主要参考了《41A313392》标准中高温热切试验相关规定。

1.2 试验过程设计

以12AWG 2 000 V美标内燃机机车电缆为例,其高温热切试验过程是将试样电缆放入170℃烘箱中静置1h,然后在烘箱内将质量为1 500g负重挂在试样电缆上面的刀片挂钩处,刀片的半径≤0.025mm,负重10min,试样电缆绝缘不应被负重刀片切穿,10min后沿着同一截面顺时针旋转120°重复上一步骤,10min后再沿着同一截面顺时针旋转120°重复上一步骤,即同一截面3面皆不可被利刃切穿。试验中所用的烘箱应为UL标准烘箱,换气速度为100~200次/h,3次10 min的高温热切试验均在170℃烘箱中完成。

1.3 试验设备设计

为了确保高温热切试验顺利进行,我们自主研发了一套高温热切试验系统,并成功申请了专利(专利号:201420536715.4)。该高温热切试验系统的结构如图1所示,其包括紫外线热老化试验箱体、蜂鸣箱、电缆支架及砝码若干。紫外线热老化箱体上方开有两个孔洞,每个孔洞均配有密封垫,从两个孔洞中引出两根导线插入蜂鸣箱内;蜂鸣箱中设置两个指示灯、一个报警器及两根从紫外线热老化箱中引出的带有金属夹头的导线,蜂鸣箱内可设定试验时间,红色灯亮表示试验系统处于工作状态,绿色灯亮表示试验系统工作完成;电缆支架采用不锈钢结构,上层放置试样电缆,并配备悬挂式挂钩,挂钩上方设置一刀片,刀片垂直于试样电缆上表面,挂钩下方悬挂砝码若干;从紫外线热老化箱体上方孔洞中由上而下引入两个带金属夹头的导线,一个金属夹头连接一端剥去绝缘的试样电缆中的导体,另一个金属夹头连接悬挂于刀片下方的挂钩。高温热切试验时,紫外线热老化试验箱内保持一定温度,试样电缆置于电缆支架上,砝码悬挂于刀片下,接通电源后,当试样电缆的绝缘被刀片切透并接触到电缆导体时,则刀片、金属挂钩与蜂鸣器形成一个通路,蜂鸣器报警,由此可判定电缆高温热切性能不合格。

2 电缆高温热切性能设计

轨道交通机车线缆高温热切性能设计的主要包括材料设计、结构设计、工艺设计和控制三个方面,下文以美标内燃机机车电缆的高温热切性能设计为例进行详细介绍。

2.1 材料设计

多次试验表明,美标内燃机机车电缆如要通过高温热切试验,其所用绝缘材料的断裂伸长率的最佳范围为200%~220%,同时抗拉强度的最佳范围10~14MPa。为了使研制的美标内燃机机车电缆满足客户提供的电缆技术标准,通过高温热切试验,我们根据本公司的实际生产能力,进行了大量的绝缘材料筛选、配比研究试验。其中以乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、氯化聚乙烯(CPE)、乙丙橡胶(EPR)等为基材,加入无机阻燃剂Mg(OH)2/Al(OH)3、抗氧剂TH-AO2等助剂,再配以其他相关材料合成的辐照型特种交联聚烯烃材料与化学交联弹性体共聚物的电性能、机械性能表现最好。表2对比了该辐照型交联聚烯烃绝缘材料性能指标与国内外标准对轨道交通机车线缆用绝缘材料性能指标要求,可见该辐照型交联聚烯烃绝缘材料可同时满足断裂伸长率≥200%、抗拉强度≥10 MPa。

2.2 结构设计

理论上,当电缆绝缘材料确定后,电缆同一截面上只要有一个点通过高温热切试验,则剩余两个点也应通过试验。但在大量电缆高温热切试验中,我们发现高温热切试验时电缆同一截面上三个点的测试结果差异很大,而这与电缆的结构设计(导体、绝缘厚度)、工艺设计和控制有较大的关系。

美标内燃机机车电缆结构较为简单(如图2所示),即导体+绝缘,导体由满足ASTM B33标准镀锡铜线绞合而成,导体20℃直流电阻和绝缘厚度应满足标准ICEA S-95-658[2]。以12AWG 2 000 V美标内燃机机车电缆为例,按相关标准,导体由19根0.475mm镀锡铜单线绞合紧压而成,紧压导体外径为2.16mm,绝缘平均厚度为1.14mm,绝缘厚度最薄点为1.03 mm,绝缘平均厚度的电缆外径为4.44mm,绝缘厚度最薄点电缆外径为4.22mm,客户要求该电缆的最大外径为4.6mm。为了能顺利通过高温热切试验,绝缘厚度应尽量设计成接近上限1.22mm。

2.3 工艺设计和控制

为了满足客户提供的电缆技术标准,通过高温热切试验,美标内燃机机车电缆导体采用德国Niehoff多头连拉连退拉丝机拉制并在线退火、德国Niehoff多头束丝机束丝、分层紧压技术紧压,束丝紧压后测量导体外径和20℃直流电阻,丝径偏差控制在±0.002 mm以内,束丝紧压后导体应外径均匀、圆整、平滑。绝缘采用进口挤塑机挤出,精确控制绝缘厚度及电缆外径(尽量接近上限),挤制的电缆应外径均匀、圆整、平滑。

由于辐照工艺参数(辐照方式、辐照剂量)的设定直接影响美标内燃机机车电缆绝缘交联水平和电缆绝缘最终机械性能,因此为了确保成品电缆绝缘断裂伸长率不小于200%,同时电缆又能通过高温热切试验,我们进行了大量辐照工艺模拟试验。电子束辐照方式有单向辐照与双向辐照两种。相比于单向辐照方式,双向辐照方式采用在下方安装电磁感应装置,使由上而下发射的电子束在经过磁场时发生了方向偏移进而实现再次辐照,使上下两面辐照更为均匀。由于双向辐照设备尚未实现完全国产化,而进口双向辐照设备又投资较大,因此美标内燃机机车电缆绝缘仍采用国内常用的单向辐照设备辐照,但对单向辐照设备进行改进,使电缆在辐照加速器内行进时定向规则旋转,从而使辐照更为均匀,绝缘交联水平更为稳定,绝缘机械性能更佳。辐照剂量与绝缘性能的关系如图3所示,可见辐照剂量与绝缘各性能(静态模量、动态模量、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、疲劳强度、摩擦因数、耐热性)关系曲线是互相制衡的。绝缘断裂伸长率和拉伸强度这两项指标与电缆高温热切性能密切相关,在其他工艺条件不变的前提下,随着辐照剂量的提高绝缘断裂伸长率呈逐步下降趋势,而拉伸强度则呈先升后降。通过两者关系曲线的相交点,结合电缆绝缘厚度、结构、外径,找到最优辐照剂量,使绝缘获得最佳交联点,以确保成品电缆绝缘断裂伸长率不小于200%,同时抗拉强度不小于10 MPa,这样电缆就能通过高温热切试验。以12AWG 2 000V美标内燃机机车电缆为例,其辐照剂量设定在2.0~5.0m/(min·mA)为宜。

3 结束语

为了给我国轨道交通机车线缆生产企业研发相关产品提供参考,本文详细介绍了在参考了客户提供的电缆技术标准(《41A313392》H版)和ISO6722:2006标准的基础上对美标内燃机机车电缆高温热切试验过程的设计,以及为确保高温热切试验顺利进行自主研发的高温热切试验系统,并从材料、结构、工艺三个方面对美标内燃机机车电缆高温热切性能的设计。

参考文献

[1]ISO.道路车辆—60V和600V单芯电缆—规格、试验方法和要求:ISO 6722:2006[S].2006.

轨道交通牵引机车 篇2

旧式黑身红轮的蒸汽机火车头，清洁节能的流线型“蓝箭”电力机车，我国首台创下时速321.5公里的“中华之星”高速交流传动电力机车……在湖南省株洲市湘江岸边城市历史文化景观带上，不同时期研制生产的火车机车实物展示，它们与浩荡湘江水、清沁香樟树相伴而立，诉说着株洲这座“火车头”牵引而来的城市，屡创第一的往昔辉煌、和不断引领中国动力时代向前迈进的今日成就。

绵密细雨，润物无声。一位身材高挑、眉清目秀的中年男人静静地伫立在展示机车跟前，目光中似有所思所悟，万千感慨。2014年是他落户株洲、投身轨道交通机车“机芯”设计整整三十年。“蓝箭”电力机车和“中华之星”高速交流传动电力机车，正是以他为领军人物的科研团队，立足于自主研发，结合技术引进和消化吸收再创新，突破国外公司对电力机车行业核心技术的封锁和垄断，研发出的专利技术新产品，为我国轨道交通机车车辆装上了自主“机芯”。

他就是中国工程院院士，中国南车集团公司株洲电力机车研究所有限公司（简称株洲所）执行董事、总经理，轨道交通牵引电传动和网络控制专家丁荣军。初夏时分一个难得清凉的上午，丁荣军在株洲所办公室里接受本刊记者专访，娓娓道来株洲所50多年来的发展历程，他所参与见证的新中国铁路电气化科技进步与产业发展，描绘出一幅纵横交错的中国铁路发展图景。

攻关·从参与者到领跑者

技术突破带给我的是发自内心的喜悦。科研就是我的爱好，做研发就是在享受生活。——丁荣军

作为新中国成立后首批重点建设的八个工业城市之一，株洲是中国著名老工业基地，在国家经济建设中，创造了百余项第一。1984年夏天，丁荣军本科毕业，在这名西南交大电力机车专业优秀毕业生面前有两条路：一条是去北京铁道科学研究院，一条是去株洲电力机车研究所（简称“株洲所”）。全系两个班，共有62名同学，仅有的一个毕业进京名额给了丁荣军。

去繁华的首都还是相对偏远的株洲？“如果你想去大城市看花花世界，那就去北京；如果你真的想干番事业，那么我希望你去株洲。”当年实习老师一句话，触动了踏实的丁荣军。

被一种精神鼓舞着，丁荣军放弃了当年全系唯一的进京名额，南下来到株洲。

一进所里，丁荣军就被传统科研院所浓重的气氛所感染。“我记得1984年到株洲所来时，看到当时老同志们晚上都带着孩子在办公室主动加班，不舍昼夜攻关奋战，这对我影响很大。毕竟在这种环境条件下，大家能够为了中国铁路事业拼搏，而且绝大部分这些老员工都是从江浙、广东等沿海地区过来的，他们能够扎根到株洲田心这个非常小的地方。”

丁荣军刚到田心厂区时，新办公楼还没建好，他们还在老厂房里上了一年班。厂区外只有一条窄窄的柏油马路，每天两班公交车往返于市区之间，大家几乎与世隔绝。“我们刚来时住在制造车间办公楼的二楼，我们32个毕业来的大学生， 除了5个女同学住在厂里的宿舍，我们27个男生都住在厂房里。每天早上我们从宿舍出发，都要把鞋子拎在手上，走到厂房门口时把脚上的泥巴洗干净再进去。到了九、十月份天气转凉，我们没有条件洗热水澡，就在临洗前绕着厂房跑步，浑身跑热了再咬紧牙用冷水冲一下。现在回忆起来，当年条件蛮艰苦的，但那时也没多想，就是一心想要干点事。”

这个在上大学前没有见过火车、更没有坐过火车的年轻人，没有想到自己与火车机车结下不解情缘。以做一名优秀的工程师为人生梦想的他，从最普通、最基层的技术见习生干起，这一干，就是30年。

1980年代初期，世界铁路机车开始从直流传动向交流传动型机车方向发展，交流传动已成为现代机车车辆技术发展的必然选择，丁荣军敏感地意识到祖国铁路机车车辆事业将迎来发展的春天。为了实现这一天，没有系统学过机车控制理论的他从基础的理论知识学起，此时株洲所已率先自断“皇粮”进入市场。为推动科研与市场相结合，所有技术人员都要深入到机务段跟司機跑车，现场解决技术问题。

从1984年到1988年，丁荣军在偏远山区的陕西勉县巴山机务段独自一人跟车跑了4年。在四年时间里，丁荣军利用业余时间，开展了漫长而艰苦的自学。白天，他跟着机车司机在狭窄低矮的机车头里一路颠簸，晚上独自一人回到车务段的招待所查阅资料和数据，大部分的时间里，丁荣军经常以干粮当饭，彻夜伏案苦读。

凭借对技术的执爱，加之后天的刻苦勤奋，丁荣军从一个初出茅庐的大学生迅速转变为株洲所年轻的科技骨干之一，不到30岁，他就开始参与一系列重大课题研究。也就在这段时间里，他掌握了交流传动技术相关领域扎实的知识。1989年，回到株洲所的丁荣军，受命开发“1000千瓦大功率电机交直交实验系统”。事实上，这是一个暂时看不到应用前景的项目。在日复一日的枯燥实验中，丁荣军烧掉的元器件装满了一卡车运走。至今他还经常与人说起这“一卡车的失败”：“那时企业销售年收入还不到1亿元，我就给烧了几百万啊！”而今回想起来，丁荣军由衷地感谢那些当年容忍他无数次失败，还继续鼓励支持他的时任研究所所长黄敬荣等领导和前辈们。

“1000千瓦大功率电机交直交实验系统”是一个复杂的课题，但是所里给丁荣军课题组的时间只有短短6个月。回首往事，丁荣军坦言任务重压力大：“那半年里每天我们都在解决问题，一个困难克服了紧接着要面对下一个。几乎每个晚上我们都一点多回到宿舍，睡梦中也常常被各种电路技术难点纠缠，突然就惊醒了。”苦尽甘来，1990年3月24日凌晨2时多，丁荣军“领衔”开发的实验系统第一次试机就取得成功，电机转动起来了。那一刻因此成为他人生不可磨灭的永恒记忆。

“技术突破带给我的是发自内心的喜悦。科研就是我的爱好，做研发就是在享受生活。”丁荣军说，那不是对名誉的荣耀感，而是攀上一座高峰时的畅快与欣慰。伴随着科研上的成功，很多私企、外企慕名找到丁荣军，许以巨额报酬，希望他能为他们工作，有的外商甚至一直缠他五六年。一边是巨额年薪和都市的诱惑，一边是一份固定薪水和中等城市的现状，丁荣军却从未动心。

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“生活中总有数不清的机遇巧合。因为母亲多病，我小时候的梦想是做一名医生，长大后却读了电力机车专业。生活有很多意外事件，但每一件事都会有其出路。这世界有很多路可走，不用太刻意，只是一旦选择以后，就要努力走好，不能三心二意。我的人生目标不是享受，而且我也不喜欢大城市，在时间和精力上的成本太高，一天好几个小时浪费在上下班的路上，不值得。宝贵的时间应该用来创造更多的价值。”

引领·为中国铁路“加速”

要给每个人一条跑道，让他们充分施展，否则株洲所也难以在这么多年中保持快速发展。——丁荣军

交流传动与网络控制技术被誉为铁路机车的“机芯”。1990年代初，被称为中国铁路技术“转折型”课题的《电力机车三相交流800—1000千瓦机组地面试验》正式开始，株洲所按照铁道部部署，展开课题攻关，丁荣军作为课题组重要成员之一，面对发达国家队该项目的技术封锁，在参考资料极其缺乏不利因素下，他和同事迎难而上，自主创新完成了20多种电路板的设计、试制和系统联调。最终仅用两年时间就圆满完成了系统试验。拉开了中国铁路机车车辆交流传动系统集成技术的研究与应用大幕。

近十年以来，我国铁路机车进入了一个新的发展阶段，为适应我国国民经济快速发展的需要，解决老百姓坐火车“一票难求”的问题，以“高速”和“重载”为代表的铁路机车车辆技术成为主流，1998年，铁道部提出了“用10年左右的时间完成机车交直传动向交流传动转换”的任务（简称“十年转换”）。在铁道部的部署下，我国开始了大规模的铁路技术引进消化吸收和自主创新过程。丁荣军作为交流传动系统的学术带头人、分管科技工作的副所长和总工程师、铁道部专家组的重要成员之一，挑起担纲闯关的重任，开展了“交流传动系统及其高性能控制技术”、“机车分布式微机控制与网络系统”和“基于高压接技术的高压大电流电力半导体器件的研究开发与应用”国家级、部委级科研项目。

随后，丁荣军作为项目负责人之一，主持了被株洲所称为“希望工程”的“4000千瓦较交—直—交电力机车1000千瓦变流装置”和国家“八五”重点攻关项目——《高速试验列车交—直—交传动系统的前期研究》。不断的探索和试验，丁荣军和他的伙伴，研制出我国首台交流传动电力机车——“AC4000千瓦原型电力机车”，开创了我国自主研制的交流传动电力机车研究与产业应用的先河。

在这些项目的带动下，丁荣军和同事们创造性地建立了适合我国国情的机车牵引电传动系统集成技术的技术标准和技术模式，并使我国成为世界上少数几个掌握该技术的国家之一。在丁荣军的课题组里，这个代表着他们设计研发的动力机车代号从“蓝箭”变为“中华之星”，而对我国铁路而言，这一转变意味着进入“高铁”和“重载”时代。2002年冬，“中华之心”在秦皇岛-沈阳铁路段进行首次试车，丁荣军作为总设计师全程参与。那同样是一段难忘的旅程，至今令他难以忘怀：“列车运行时，我们专家组和技术员都在机车室里，实时检测运行情况。当我们看到列车轻盈平稳地飞驰，各项数据正常时，信心倍增。”

2000年以后，丁荣军开始担任株洲所科研副所长、总工程师，直至所长、执行董事、总经理，经历了从技术专家到技术管理者，再到企业管理者的角色转变。但“科技先导”是他一直坚持不变的理念，企业每年以不低于年销售收入8%的巨额资金进行核心技术研发。

与不问世事的知识分子搞科研不同，丁荣军积极推动科技成果产业化。株洲所高科技成果转化率超过85%，一系列核心技术成果应用到高速动车组、大功率交流传动机车等代表世界先进水平的机车车辆上，为我国铁路机车实现从普载到重载、从常速到高速的跨越作出了重大贡献。丁荣军还极力推动技术多元化，将牵引电传动系统集成技术，应用到城市轨道交通、电动汽车、工业变流、风力发电等新领域，构筑企业“同心多元化”产业王国。

与很多科学家“功成名就”后淡出应用领域不同，丁荣军善于實战。早年所里试验运行一种新型交流传动电力机车，结果机车受困不明原因的“直流电压震荡现象”，频频“趴窝”。眼看着前期投入的巨大人力、物力、财力要“打水漂”，预感会“无颜见江东父老”的现场一些技术人员精神几近崩溃。丁荣军赶赴现场，成功地用仿真研究原理在传动系统控制程序调节器上发现了错误的参数设置，故障迎刃而解。如今，这款机车作为制式装备，正夜以继日地奔驰在万里铁道线上。时至今日，丁荣军作为铁道部专家组成员，外出试车时并不住在接待方准备好的宾馆房间里，而是跟列车上的普通技术员同吃同住，“一旦发现问题就能马上探讨，有的现场解决，而且每次我都能从这些一线技术员那里学到很多东西，笔记本上记得满满的。”

在株洲所办公楼一层大堂中，五六块研究所项目进度展示牌一字排开，跃入眼帘。其中多个项目负责人年龄不超过40岁，有的还是“80后”。这是一支年轻而富有创造力的研发团队丁荣军以此为荣。“人才队伍是企业最为核心的竞争力，是企业持续发展的动力保障。要给每个人一条跑道，让他们充分施展，否则株洲所也难以在这么多年中保持快速发展。”这是丁荣军的基本理念，长期以来，他勤于经营一支强大的科研团队。

为了保证一线工人的收入，丁荣军规定，工人月收入不得低于2000元，年收入不低于3万元；考虑到许多年轻员工不吃早餐来上班，公司办公楼每两层就设一个咖啡厅，免费提供咖啡和早点；丁荣军还将自己的奖金设为助学基金，专用于资助公司家庭贫困的子弟；接到下属的任何短消息，不管多忙他都会回复：“收到了，谢谢。”被关怀与被尊重，产生了极大动力。

1996年，陈高华进研究所时，分到丁荣军所管的应用技术研究部。这是一个不产生任何直接经济效益的“清水部门”，然而，每一次的技术突破都令年轻的陈高华无比快乐，“那种快乐可以跟现在发年终奖相比。”陈高华说，跟着“丁头儿”，养成了不计较个人得失的观念和习惯。丁荣军把自己的工作方法传给了年轻人，也把对技术的痴迷、偏爱传给了他们，甚至他的性格也“传染”给了大家。

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“由于有很好的制度和文化，每个人在自己的跑道上努力，有自己的定位和发展空間，这个知识分子密集的企业，风气特别正，学习氛围浓得化不开。前辈的行动是榜样，我刚到所里上班时，看到老技术员们晚上加班学习，这种风气感染了我，现在我就要把这种精神传承下去，让它影响年轻人；我在最初搞科研时，老领导们在我数次失败后仍然鼓励我，给了我极大信心，让我坚定地向前迈进，今天我也同样要有理解失败、宽容失败的态度。科研中没有常胜者，只要找出原因及时总结，为后面的研究做铺垫，那么就允许失败。”

创新·让“中国制造”走向世界

铁路是国民经济的大动脉，能够研发出世界一流水平铁路机车产品，是一代又一代铁路科技人员的科技梦想和产业梦想。——丁荣军

驱车沿株洲市境内湘江右岸一路行驶，不久便会看到“田心工业区”的醒目标志牌，工业区绵延十里，被誉为中国先进轨道交通装备研发和制造的“动力之都”。

2014年5月初，我国首条8英寸IGBT芯片生产线就在此正式投产。看上去普普通通的IGBT，学名绝缘栅双极晶体管，是全球最为先进的第三代主流功率半导体器件之一。在电能系统，其地位相当于计算机世界中的“CPU”。主导这一成果转化的，正是丁荣军带领下的南车集团株洲所及其下辖的株洲所下属子公司南车时代电气公司。

作为轨道交通装备“机芯”技术中最为先进、效能最为突出的高端产品，IGBT长期被西方发达国家垄断技术。当前我国IGBT产品整体发展处于起步阶段，株洲所是我国唯一全面掌握IGBT从芯片设计—模块封装—组件—应用全套技术的企业，也是唯一建立了1200伏及以上高等级功率IGBT技术及模块技术完善的产品体系的企业。近年来，丁荣军和“南车株洲所”管理层推动旗下南车时代电气成功收购加拿大丹尼克斯半导体公司75%的股权。一年后，我国第一条IGBT产品封装线在株洲成功落成，成功实现了IGBT模块的国产化。

与很多学者潜意识里有“专业偏好”不同，丁荣军精于推动技术多元应用。他将牵引电传动系统集成技术应用到城市轨道交通、电动汽车、工业变流、风力发电等新领域，在特高压输变电系统、大功率半导体器件等领域，也取得了很大突破。2008年至2011年，全球金融危机和我国轨道交通产业调整等原因让专事铁路业务的机构举步维艰，但丁荣军和“南车株洲所”依靠轨道交通、新材料、新能源三大产业，从前些年的年营收数十亿元，逆势猛增到2013年的140亿元。

执著，永不言悔；创新，永不放弃；跨越，走在时代前面。这是株洲所的姿态，也是丁荣军的态度，一种为了实现梦想而百折千磨志不改的姿态。他们在用不懈的努力执著地追求着、超越着、创新着，研制拥有自主知识产权、世界一流水平的铁路机车产品，打造“中国制造”的闪亮品牌，为中国铁路持续“加速”、为国民经济的腾飞不断使力，让梦想在钢轨上永远延伸。“我认为是创新。没有创新的精神和求变的意识，株洲所恐怕也走不到今天，创新是株洲所实现跨越发展的灵魂。譬如早在1984年，我们就主动打破‘铁饭碗’，率先主动取消‘国家事业费’，走科研生产相结合的路子，一切围绕科技成果的产业化做文章。同时我们时刻也没有忘记技术创新才是打造企业核心竞争力的根本所在。一直以来，我们紧密跟踪国际交流传动机车的新技术，全力开展自主创新研究，始终致力于为轨道交通装备技术水平的提升提供最优的解决方案和产品，在电传动系统集成方面已经形成了自主开发和持续创新的能力。正是坚持以技术创新为龙头，以体制、管理创新为两翼，一方面稳固作为国内轨道交通领域电传动产品的领导地位，另一方面充分利用技术优势和强有力的核心技术在相关产业领域大力拓展市场，积极实施多元化的战略，株洲所才取得了今天这样的成绩。”

“今天很残酷，明天很残酷，后天很美好，但大部分人死在明天晚上，见不到后天的太阳。”阿里巴巴集团董事会主席马云的这句话，丁荣军非常喜欢，经常讲起。“一路走来，困难肯定是有的，但我和我的团队都坚持了下来，也算是取得了一些成绩。其实困难并不可怕，最可怕的是不能坚持到底。不管在什么领域，要想取得成绩，就要专注、要执著、要创新。”

在夏初清新的阳光中，丁荣军从容地讲起那些挑战困难的不眠之夜。如今，中国已成为世界上少数掌握“机芯”技术的国家之一，为我国铁路实现从普载到重载、从常速到高速时代的大跨越，作出了杰出贡献。如今的丁荣军，集工程院院士、总经理、董事长等职务于一身，当选执掌三家上市公司，负责三个国家级创新平台和两个博士后科研工作站，直接管理年营业收入140亿元的南车株洲电力机车研究所有限公司，但他坦言自己还是喜欢别人叫他所长，内心里最享受的仍是看似清苦的科研生活。每每沉浸，乐在其中。

欲穷千里目，更上一层楼。丁荣军深知：“铁路是国民经济的大动脉，两条‘钢轨’一直承载并延续着许多人的梦想。能够研发出世界一流水平铁路机车产品，更是一代又一代铁路科技人员的科技梦想和产业梦想。国民经济的发展对铁路建设提出了更高的要求，铁路科技进步也永远没有尽头，只有紧跟世界科技发展潮流，不断钻研新技术，做出新突破，谱写新篇章，人生的梦想才能在两条钢轨上不断延伸。”

责任编辑 李菡丹

轨道交通牵引机车 篇3

1 重庆轨道交通六号线二期工程概况

重庆轨道交通六号线全线全长约60 km, 二期工程是一期工程的南北两侧延伸线。二期工程线路全长37.55 km, 其中南段长11.47 km, 北段长26.08 km。二期工程地下线长31.13 km, 高架线长5.89 km, 地面线及敞开段长0.53 km。共设12座车站 (换乘站3座) , 其中地下站10座, 高架站2座, 平均站间距3.14 km;车辆采用B型车;设车辆段和停车场各一处。设主变电所三座。车辆行驶速度目标值100 km/h。

2 运行交路、节能坡和再生制动对牵引能耗的影响

2.1 运行交路

一般情况轨道交通常用交路方案是贯通交路 (图1) , 重庆轨道交通六号线二期工程采用的是搭接交路方案 (图2) 。本次针对贯通交路和搭接交路采用城市轨道交通列车运行能耗仿真系统进行牵引模拟计算 (图3) , 并对两个交路方案的耗电量进行对比, 对比分析结果见表1。

通过对不同运营交路牵引仿真模拟能耗结果, 初、近、远期搭接交路方案牵引能耗比贯通交路方案能耗分别节约电能3 515×104k W·h、4 073×104k W·h和6 400×104k W·h, 节能效果显著。

重庆市轨道交通六号线断面客流量呈中间大两端小的特点, 因而采取中间客流断面大的区段开行较多的列车对数, 两端客流断面小的区段开行较少的列车对数的方式, 可以节省运行列车, 搭接交路方案恰好可以有效解决这一问题, 减少高峰小时运行车数, 同时也缩短了平峰时段的交路距离, 降低了车辆牵引能耗。

2.2 节能坡

节能坡, 即遵循“高站位、低区间”的设计原则。列车从车站起动后, 借助下坡的势能增加列车加速度, 缩短列车牵引时间, 从而达到节能的目的。列车进站停车时, 可借助坡度阻力, 降低列车速度, 缩短制动时间.减少制动发热, 节约环控能量消耗。在节能坡条件下, 列车开始制动的初速一般在40~50km/h之间;而在非节能坡条件下, 制动初速一般在60~70 km/h之间。

模型选取重庆轨道交通六号线龙凤溪站两个设置方案, 进行了纵坡设计的模拟计算和分析。节能坡方案采取以300 m长坡段、25‰的上坡度进站, 以25‰的下坡、500 m坡长出站。图4为龙凤溪站坡度方案图。

通过对不同线路纵断面方案模拟计算结果进行比较, 采用节能坡的方案初、近、远期每年分别节约电能42×104k W·h、56×104k W·h和72×104k W·h。

2.3 再生制动

由于城市轨道交通系统站间距短, 列车起制动频繁, 制动减速度要求高, 为此车辆一般都设有电制动系统, 而且采用电制动也可有效的减少车轮、闸瓦磨耗及环境污染。轨道交通车辆采用的电制动方式一般有再生制动和电阻制动两种方式。轨道交通六号线车辆设置电 (再生) 制动、空气制动;牵引供电系统在车站牵引变电所设置逆变加电阻制动吸收装置。逆变吸收回馈装置, 将再生制动电能逆变成交流380/220 V电能回馈至降压变电所低压母线供用电设备使用, 多余电能通过降压变压器回馈至35 k V系统。当逆变吸收装置不能吸收的多余再生制动电能部分利用电阻制动吸收装置将电能转变为热能。当列车行车间隔2 min时, 再生几率约30%~40%。轨道交通六号线将车辆再生制动、空气制动、逆变加电阻制动装置结合起来应用。这样既充分利用了再生制动的优点, 将再生制动电能转变为有用功, 减少了列车运行再生制动的发热量, 既节约电能, 又减少对环境的污染;保证了电制动的稳定性。当列车行驶速度降至小于10 km/h才使用空气制动。再生制动能量巨大, 当再生制动利用20%时, 在运营初期, 年可节约电能280×104k W·h/a, 节能效果显著。

3 结束语

城市轨道交通与其它交通工具相比, 虽是一种节能环保型交通工具, 但因其能耗总量巨大, 尤其是车辆牵引耗能量很大, 实施城市轨道交通系统的二次节能是十分必要的[8,9]。

该文结合重庆轨道交通六号线工程设计实例, 通过仿真模拟计算, 分析了不同的运行交路、节能坡和再生制动设计对车辆牵引能耗的影响, 对今后同类工程的设计起到一定的借鉴作用。

摘要：节能减排是轨道交通可持续发展的重要目标。该文基于城市轨道交通列车运行能耗仿真系统, 结合重庆轨道交通六号线二期工程实例, 选取工程线路土建参数、车辆参数等进行配置, 模拟不同的运行交路、坡度方案和再生制动情况下, 列车运行过程中的牵引能耗的变化情况, 从而为同类轨道交通工程设计提供参考, 并以此作为能耗优化方案的基础, 对于降低牵引能耗和运营成本起到重要的作用。

关键词：轨道交通,运行交路,节能坡,再生制动,能耗

参考文献

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[8]石静雅.关于上海城市轨道交通能耗指标体系的建立与分析[D].上海:同济大学, 2009.

轨道交通牵引机车 篇4

随着世界经济和科学技术的不断发展, 轨道交通在投资、建设、运营和治理等方面不断发展并走向成熟和完善。随之而来, 轨道交通所需线缆的种类和数量急剧增加。地铁区间隧道、地铁车站、设备安装、消防等建设也需要大量的线缆。用于隧道和地铁车站照明的线缆也会有更高的要求。

1 我国轨道交通线缆发展简况

我国的此类线缆的开发和使用起步较晚, 大概滞后发达国家10年左右。起初这类线缆及相关材料完全依赖进口, 直到2000年以后这种情况才开始发生改变。到目前为止, 在许多场合国产低烟无卤阻燃线缆已经占据主要地位。但也有不少场合, 国内产品在一些关键性能指标和要求上达不到客户的要求, 或是未经充分验证而无法替代进口产品;另外, 特殊绝缘材料的开发和使用, 国内才进入初步发展阶段。

2 轨道交通线缆主要技术要求

2.1 线缆绝缘及护套材料选用

轨道交通用线缆的品种很多, 按使用场合、用途、功能等的不同, 可分成站内、线路、机车用;高压与低压;动力、控制信号、无线通信与仪表计算机用等。由于轨道交通供电系统电压一般为3 000 V、1 500 V、750 V, 所以, 轨道交通供电系统用电缆的绝缘材料通常采用交联聚乙烯和乙丙橡胶材料;而轨道交通所用控制电缆额定电压通常为300/500 V、450/750 V, 绝缘材料通常采用聚乙烯和交联聚乙烯材料。

为了保证线缆优良的电气性能和降低成本, 绝缘一般采用非阻燃性材料, 而护套一般采用具有适应特殊环境和使用特性的低烟无卤阻燃材料。

2.2 材料加工工艺要求

目前, 低烟无卤电缆料已形成了比较完整的系列, 主要包括热塑料、辐照交联型和硅烷或干法交联型。热塑型低烟无卤电缆料主要用途是作为控制信号电缆的绝缘以及大多数线缆的护套, 而交联型低烟无卤电缆料主要用途是作为一些特定场合的绝缘:例如机车车辆电缆, 额定电压3 k V交、直流牵引传动电缆等绝缘, 其主要采用的交联方式有辐照交联和过氧化物交联法。

交联是指使聚乙烯分子由线型结构转变为三维网状体型结构, 达到改变聚合物分子链结构, 从而提高材料的机械物理性能, 长期耐热特性好, 制品尺寸稳定, 耐化学腐蚀。交联以后的电缆在以下方面有显著变化:耐热等级提高, 即使燃烧也不熔融滴落;耐化学腐蚀, 不溶解于油和有机溶剂;抗张强度、耐磨性、抗压性、抗冲击、抗撕裂和抗剪切等机械性能大为提高, 电气绝缘强度基本不变;从而极大地提高了电缆的机械物理性能。

2.3 环保要求

现在世界和我国对环保的意义已经认识深刻。所以, 要求所有轨道交通用电缆均要采用环保型材料, 并且, 在生产过程中要严格控制工艺过程, 以免出现混入有害元素。对电缆来说, 欧盟的ROSH指令以及美国的UL实验室的环保要求等都对电缆的环保性能提出了较高要求, 我国也一直参照欧美先进标准执行。轨道交通电缆所用材料从铜导体开始一直到最外层的护套结束 (其中所含绝缘层、屏蔽层、内衬层、铠装层等) 均为环保型材料。并且, 要求从导体拉制开始一直到护套挤塑结束 (其中包括绝缘挤塑、编织、铠装等) 所有工序均要采用严格的环保控制程序执行;所有工序其中所用的辅助材料、设备材质甚至是循环用水等都要符合环保要求。

2.4 安全性要求

因轨道交通电缆所处环境人多、速度快、环境温差大, 所以, 对耐火和阻燃有较高的要求, 而且强烈要求电缆具有无毒性。美国标准和技术研究所对阻燃和非阻燃电线进行了对比燃烧试验, 说明采用阻燃电线电缆的重要意义:阻燃电线比非阻燃电线可以提供15倍以上的逃生时间;阻燃电线烧掉的材料仅为非阻燃电线的1/2;阻燃电线的热释放率仅为非阻燃电线的1/4;燃烧产生的毒气量仅为非阻燃产品的1/3。很多证据表明, 火灾中由于有毒烟气致死的人数比火焰灼伤致死的人数要多。所以, 在这样封闭而且人多的空间场合一旦发生火灾, 能快速终止燃烧并仅仅释放少量或者零释放有毒气体具是非常重要的。

3 结语

轨道交通电缆的发展前景广阔。由于轨道交通运行的环境和使用的特殊性, 所用线缆大都要求低烟无 (低) 卤、阻燃、耐火、耐油、耐紫外光、耐潮、防水、防霉、防鼠等, 南方还要求防白蚁。所以, 其所需电缆具有足够的特殊性, 在其所选用材料以及制造工艺方面都有特殊要求:采用耐热性能、机械物理性能较好的交联材料作为电缆的绝缘和护套;要求满足环保需要;一定要阻燃、无毒且在火灾发生时一些控制及动力电缆还要有足够的耐火性能, 以保证一定时间内对机车的控制能力。

参考文献

[1]郁金南.材料交联效应[M].化学工业出版社, 2007.

[2]淮平, 程奇松.电线电缆[M].北京:机械工业出版社, 2007.

轨道交通牵引机车 篇5

框架保护是直流供电系统中特有的保护类型, 接触轨为正极, 走行轨为负极。电流除了从走行轨返回, 还可以从大地返回, 这样的杂散电流很大, 所以, 直流供电系统设计为不接地系统。但是设备外壳是接地的, 如果发生正极接地, 正极通过设备外壳对负极间的短路电流突然增大, 钢轨与车身外壳是相连为负极的, 旅客上下车将有严重的生命危险。框架保护实时检测对地绝缘的直流供电设备正极与接地的柜体之间的绝缘状况, 在断路情况下, 作用于直流断路器跳闸。直流牵引系统正或负一极接地没有什么危害, 但是两级都接地后对直流设备影响很大, 可能烧坏直流用电设备或使直流用电设备不能正常工作, 因此必须进行绝缘安装。

2 直流牵引系统框架保护原理

2.1框架保护分为电压框架保护和电流框架保护两种

(1) 电压框架保护采集信号的对象是负极与设备外壳 (地) 之间的电位差, 在车站装设有轨电位限位装置 (短路器) , 如果负极对地电压升高, 即走行轨对地的电压升高, 轨电位限位装置直接将钢轨接地, 以保证人生安全, 但是, 如果电压达到整定的值, 轨电位限位装置还没有将刚轨接地, 电压框架保护动作, 所以, 电压型的框架保护相当于轨电位限位装置的后备保护。

(2) 电流框架保护采集信号的对象是设备的外壳对地的泄露电流, 包括整流器柜, 负极柜和直流开关柜。其主要目的是保护人生的安全。

(3) 运行过程中, 通过判断检测到的故障电流和电压, 实现保护跳闸切除故障。一般来说, 牵引变电所的直流开关柜、负极柜与整流器柜绝缘安装;并采用连接电缆将直流设备的外壳保护接地连接成一个整体, 通过负极柜的电流元件与牵引变电所接地网单点相连。

3 直流牵引系统框架保护可靠性提高

在轨道交通运营几年后, 会发生框架保护误动作的现象。目前框架保护采用低阻框架保护装置, 直流牵引供电系统如果在直流设备内发生正极对壳体的泄露, 短路电流会经过壳体、地、轨-地泄露电阻或排流二极管、轨道电位限制装置流回负极母线, 这种泄露故障最初一般的短路电流都不大, 但如果不及时清除, 事故会逐渐发展扩大, 短路电流可能由最初的几十安培上升到几万安培。因此为保护直流设备设置专门保护装置, 以在泄露初期就及时快速将故障清除, 同时也带来了框架保护的高灵敏性, 一旦该装置内受潮或粉尘侵入, 本所内整流机组高压侧断路器及所有直流断路器跳闸, 并联跳同一供电区的相邻牵引变电所直流断路器, 并闭锁本所、相邻牵引变电所直流断路器。

4 直流牵引系统设备绝缘安装

由于地铁牵引供电采用直流电源, 当牵引电源正、负极不采取绝缘措施与大地接触后, 电流流入埋地金属, 再从埋地金属体流出, 进入大地或水中, 因为电流流出部位成为阳极, 则在电流流出部位发生激烈的腐蚀。鉴于地铁结构的特殊性, 为防止杂散电流对地铁隧道结构金属 (钢筋及预埋金属管线等) 进行腐蚀, 更是为了防止正极与地产生电位差造成安全隐患, 牵引系统的正、负极配电柜均采用对地绝缘安装。

设备基础槽钢找平焊接完成后, 对各焊点及基础支撑进行打磨和防腐处理。焊点及基础支撑均应先刷一次防锈漆, 然后再刷两遍富锌漆。对于湿度较大的地下站设备间, 槽钢基础的焊点及基础支撑除做以上处理外, 还应再刷一层封闭漆。

由于基础表面漆层平整度误差较大, 应进行二次处理, 并利用平整度仪检测。检测合格后, 用吸尘器清理漆屑及灰尘, 并用无水酒精和脱脂棉对基础进行第一次清洗。拆除绝缘板下底面的保护膜, 用湿毛巾对绝缘板进行初步清洁。待绝缘板表面干燥后, 用无水酒精和脱脂棉再次对绝缘板进行清洗。

为保证设备安装后的绝缘要求, 安装绝缘板时其外缘应超出槽钢基础轮廓。根据750 V直流配电系统的最小绝缘距离要求 (静态绝缘最小距离为25 mm) , 在绝缘板底面绘制安装边线。

在槽钢基础上表面涂刷强力胶, 严格按绝缘板上绘制的安装边线把绝缘板与基础槽钢粘合、固定。然后, 在绝缘板与基础槽钢粘接缝隙处涂刷封闭胶。在柜体安装完成后, 用吸尘器对配电柜内部进行二次清理, 施工中遗留的金属废料、铁屑及灰尘应作为重点清理对象。清理完成后, 除去绝缘板上表面的保护膜, 再用无水酒精对绝缘板进行二次清理。最后, 用1000 V绝缘电阻表对柜体进行绝缘测试。最小绝缘阻值不得小于2 MΩ。

目前, 新建地铁工程设备安装时, 地下设备房间非常潮湿, 直流设备绝缘安装后, 由于潮湿问题, 绝缘值往往达不到验收标准2 MΩ的要求。在设备带电前, 需要采用许多特别手段, 如用抽湿机对变电所进行除湿, 用吹风机 (热风) 对绝缘板进行吹风干燥等方法进行处理。

另外在地铁建设及运行中, 会产生许多尘土和金属微颗粒, 可能会附着到绝缘板和开关柜的缝隙中, 影响直流设备的绝缘。另外绝缘板绝缘性能随着时间增长也会逐渐老化降低, 这些也都是影响绝缘安装性能降低的原因。

5 结语

框架绝缘的良好状态是杜绝发生各种短路或者接地故障, 是保护人身和设备安全的保证。在施工过程中可以用绝缘摇表对其绝缘安装进行试验, 如有不合格的找出其原因按上述步骤进行处理, 以达到体框架的对地绝缘不得小于2 MΩ (用1000 V兆欧表测) 的标准。

在发电验收时, 确因 (土建未交工、地下潮湿) 环境恶劣条件影响, 设备绝缘由安装初期达标, 到放置一段时间后, 绝缘电阻暂时不能达到2 MΩ的绝缘安装, 通常采用以绝缘电阻是否达到50 kΩ (750 V) 或100 kΩ (1500 V) , 做为是否投入临时运行依据, 根据实际运行经验, 此数值能保证安全运行。但在现场应采取加大除湿、通风力度, 努力改变潮湿状态、定期进行测试的措施, 随着运行时间延长、潮湿度改善后绝缘电阻会逐渐增加, 直到达到验收标准要求。

摘要：本文分析地铁直流框架保护的重要性及原理, 简述地铁直流框架绝缘安装的方法。

关键词：城市轨道交通,框架保护,绝缘安装

参考文献

[1]于松伟, 杨兴山, 韩连祥, 等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].

轨道交通牵引机车 篇6

1 永磁同步电机的结构特点

永磁同步电机是靠装在转子上的永久磁铁产生磁场的同步电动机。它也由定子、转子等部件构成。定子与普通异步电动机基本相同, 是由叠压硅钢片构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成。转子的基本结构分转子铁芯, 轴, 永磁体。转子永磁体结构是永磁同步电动机与其他电机主要的区别。

永磁同步电机的转子大致分为表面磁石型和埋入磁石型。

表面磁铁型永磁同步电动机在转子的外侧覆盖一层非磁性的结构材料, 压住永久磁铁, 以防止电机高速运转时表面磁铁飞出。且高速运行时永磁体的安装工艺要求较高。

埋入磁石型是永久磁铁在转子铁心内部, 铁心通常有磁性凸极性的形状, 可以产生磁阻转矩, 永磁磁链可以设计的较低, 从而使得电机的弱磁扩速能力增大。同时, 降低电机反电势, 防止高速惰性时电机反电势对驱动电机的变流器的损害。埋入磁石型同步电机适合铁道车辆驱动用。

2 永磁同步电动机的技术特点

2.1 高效率、高功率因数

与感应电机相比, 永磁同步电机的励磁由转子上的永久磁铁产生, 不需要定子绕组的无功励磁电流, 所以可以得到更高的功率因数。进而得到相对较小的定子电流和定子铜耗;并且由于永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗, 从而可以因总损耗降低而减小冷却风扇容量甚至去掉冷却风扇。它的效率比同规格的异步电动机可提高2%~7%, IM一般约为90-92%, PMSM可达96-97%。

2.2 体积小, 重量轻。

随着高性能永磁材料的不断应用, 永磁同步电机的功率密度得到很大的提高, 比起同容量的直流电机和异步电动机, 其体积和质量都有较大的减少。而且由于电机损耗小, 可省却庞大的通风冷却系统, 使其在相同功率下, 永磁同步电机一般要轻1/3左右。异步电机一般约为1.2-1.5kg/kW, 永磁同步电机可达在1.0kg/kW以下, AGV的只有0.96kg/kW。

2.3 噪声低、少维护;

永磁同步电机的转子, 因为没有感应电机上能看到的转子端部的导体突出及短路环, 所以不会产生由此带来的气动噪声。

永磁同步电机可作为全封闭牵引电机。永磁同步电机因转子无电流产生, 发热很小, 较容易采取全封闭自冷方式, 这样电机内部的噪声被隔离。

采用全封闭式结构, 灰尘不能进入牵引电机内部, 从而不需要对电机进行定期解体清扫, 减少维护量。

与感应电机相比, 噪声降低可达15%。

2.4 空载感应电压

永磁体的存在使永磁同步电机在断电的情况下惰行时定子绕组产生空载感应电压, 并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时, 由于铁道车辆特有的惰行工况, 必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势, 以及由此带来的重投困难。电机在高速惰行时一方面产生较高的反电势有可能造成制动的情况, 另一方面, 空载感应电压的峰值若超过逆变器的耐压就会损坏逆变器。因此有必要对空载感应电压进行控制。

控制空载感应电压两个主要措施:

(1) 控制磁通以降低空载感应电势

永磁电机气隙磁场由转子的永久磁铁和定子的电枢电流合成产生。永久磁铁磁通恒定不能控制, 只能控制定子直轴电流。在电机高速运行时施加直轴负向电流, 从而减弱合成气隙磁场, 以降低反电势。

在惰行时施加直轴负向电流将带来惰行的铜耗, 降低电机的效率, 因此施加直轴负向电流是有限度的。

(2) 合理设计电机结构, 控制空载反电动势

在牵引系统设计时, 为了保证永磁同步电机在运行中可能产生的最大反电势小于直流母线电压值, 应满足:Emax=PωmaxΨf<Ud

式中, Emax为电机产生的最大反电势;P为电机极对数;Ψf为永磁体产生磁链, ωmax为电机运行过程中最高角速度;Ud为直流母线电压。

这样, 永磁磁链不能设计的太大。如果单靠永磁链产生的电磁转矩是不能满足铁道车辆最大输出转矩的要求的。根据永磁同步电动机的转矩公式

其中, Ld为直轴同步电感;Lq为交轴同步电感。为了满足铁道车辆最大输出转矩的要求, 只能通过选择交直轴电感来增大磁阻转矩-增加凸极率 (Lq/Ld) , 从而获得足够大的输出转矩。

有多种方法通过对转子的磁路结构进行合理设计增加凸极率, 国外在这方面的研究与应用上已取得了可喜的成果, 内埋型双层磁路结构永磁电机, 其交轴电感Lq是单层磁路结构的1.35倍, 直轴电感Ld不变, 由此凸极率大大增加。一种切向和径向混合型转子磁路结构新型永磁电机, 这种电机大大增大凸极率, 而且与同体积和重量的切向转子磁路结永磁电机相比, 磁性材料用量减少25%, 转矩增加50%

定子绕组串并联的方法解决高速时高空载反电势又能使电机在整个速度运行范围都能获得较好的性能。绕组串并联是指在低速运行时采用绕组串联的形式, 在电机高速运行时采用绕组并联的方式, 绕组并联运行时, 绕组串联匝数减少, 反电动势低, 转折转速高, 使电动机能够高速运行, 降低了对电动机弱磁扩速能力的要求, 甚至电机不需弱磁控制就能达到既高速空载反电势又不高的要求。绕组串并联方案存在最大的缺点就是在绕组换接后电机电流增加幅度较大大, 对逆变器功率器件要求较高, 合理选择绕组换接速度点, 使达到最高速度时电机反电势达到最大可缓解电流增加幅度。

2.5 永磁电机转子旋转频率与定子电流频率相同

永磁电机转速n与电流频率f1关系为:n=60f1/p。其中p为电机极对数。

在机车车辆中, 由于轮径不一样, 每个轮子 (即电机转速) 不一样, 要求给电机供电的逆变器的频率不一样。所以只能采用一个逆变器控制一台永磁电机。

结语

永磁同步电机相对异步电机而言具有效率高、功率因数高、体积小、重量轻、可实现全封闭结构、噪音低、维修量小等的优点, 已成为高速铁路和城市轨道车辆牵引电机又一个新的发展方向。

摘要：由于体积小、重量轻、效率高、功率密度高的特点, 永磁同步电机近年来受到轨道交通行业的密切关注。阐述了永磁同步电机的发展应用概况、结构特点及技术特点, 为永磁同步牵引系统的研究应用提供参考, 以积极推动我国永磁同步牵引系统的技术发展。

关键词：永磁同步牵引电机,特点,轨道交通

参考文献

[1]冯江华.铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较[J].铁道学报, 2007, 29 (5) :111-116.

轨道交通牵引机车 篇7

关键词：城市轨道交通,速度目标值,牵引计算,评价方法

随着京津冀一体化的不断深入以及国内许多城市圈的不断形成, 城市轨道交通线路规划和建设的里程越来越长, 市域轨道交通、快速轨道交通线路规划和建设也越来越多。因此, 通常对于市区内轨道交通最高速度80km/h、旅行速度35km/h的经验已不能再简单地应用于城市轨道交通规划设计中, 对于线路较长的快速地铁系统应当采用大于80km/h的速度目标值。为了更好地验证采用的速度目标值是否合理, 应对速度目标值进行比选和评价。

城市轨道交通线路选择合理的最高运行速度, 可以快速输送乘客, 缩短乘客出行时间, 提高轨道交通的整体服务水平, 城市轨道交通线路的速度目标值的选择要考虑与线路功能定位、客流出行特征、车站分布等相适应。此外还要考虑运营的经济性以及不同速度目标值对环境的影响。

1 城市轨道交通速度目标值及其影响因素

1.1 城市轨道交通速度目标值

城市轨道交通建设应根据线网规划, 依据建设线路的客流特征、运量等级和速度目标等进行功能定位, 确定工程规模、运营规模和效益规模。其项目构成应满足城市轨道交通系统运营模式和客运需求。

城市轨道交通速度目标值也即列车的设计最高运行速度。例如:设计最高运行速度80km/h的含义, 是指在正常运行状态下, 车辆技术条件可以满足列车在区间连续使用80km/h的速度运行, 并在实际运行过程中可以使用80km/h作为正常运行速度的系统。

根据国内几个城市地铁设计和运营的经验, 主要服务于城市区域的地铁线路一般平均站间距均在1km-1.3km左右, 市中心区车站密度较高, 市区外围车站密度相对减小。最小曲线半径一般大于等于300m, 最大纵断面坡度一般不大于30‰, 地铁列车的最高运行速度为80km/h, 参考国内北京、上海和广州地铁的运营经验和国外地铁运营经验, 并考虑到地铁运营管理系统和设备技术水平的不断发展, 以及由于实际操作过程中各种因素的影响, 确定地铁系统的设计旅行速度一般不低于35km/h。对于在郊区运行, 站间距较大, 列车运行速度高于80km/h的快速地铁系统, 列车运行的旅行速度应该有所提高。

国内部分城市轨道交通线路的速度目标值如表1所示。

1.2 速度目标值的影响因素

1.2.1 线路功能定位

对一个城市而言, 不同的线路所承担的任务、在线网中的定位是不同的, 城市轨道交通线路依照所承担的功能及线路技术标准的不同, 可分为3个层次:城市快速组团、城市干线、城市局域线。

进行速度目标比选时, 首先应根据其功能定位, 并充分考虑同一客流走廊内小汽车、公交汽车等交通方式的出行时间, 合理确定旅客出行的时间目标值, 进而框定轨道交通合理的旅行速度。

1.2.2 客流出行特征

进行速度目标选择时, 要考虑各级运距的乘客量及客流出行距离等客流出行特征。城市干线一般线路采用80km/h的最高运行速度, 旅行速度达到35km/h, 能够满足大部分乘客的出行需求, 服务水平亦较高, 速度目标值的选取与客流需求相适应, 是合理的。对于较长的线路, 也应考虑满足特定乘距范围的客流出行需要, 这个特定乘距范围客流所占的客流比例应该是最大的。

1.2.3 车站分布

对于全封闭的城市轨道交通线路, 旅行速度与车辆的最高速度有关, 也与车站的间距有关。车辆的最高速度目标定为80km/h时, 站间距大部分在1.2km-1.5km, 可以满足旅行速度35km/h。站间距大部分在2.0-2.5km, 可以满足旅行速度40-45km。

列车的旅行速度与站间距关系密切, 速度目标选择时应考虑与车站分布相匹配, 不能盲目追求列车的最高运行速度。

2 基于牵引计算模拟的城市轨道交通速度目标值评价方法

2.1 城市轨道交通速度目标值的评价指标

根据线路功能定位、客流出行特征、车站分布确定线路推荐采用的速度目标值, 为了验证此速度目标值是否合理, 需要对推荐的速度目标值进行评价。文章采用基于牵引计算模拟的评价方法, 通过牵引计算软件得到线路的区间运行时间及最高运行速度, 进而得出评价指标, 利用评价指标来评价推荐的速度目标值是否匹配线路的设计以及在这一速度目标值下线路的旅行速度是否合理。

文章采用的城市轨道交通速度目标值评价指标为:达到最高速度区间比例和旅行速度。选择这两个评价指标的原因如下: (1) 达到最高速度区间比例。列车在某一区间运行经过了加速到达最高速度, 然后再匀速运行, 减速进站, 说明此区间的线路条件较好, 列车最高速度的设置与区间线路条件是匹配的。达到最高速度区间长度的比例越大, 说明列车最高速度的设置与整条线路是越匹配的。与此类似, 我们还可以统计最高速度时分的比例、最高速度运行长度的比例。当这些比例都比较大时, 可以推出所设置的速度目标值是合理的。 (2) 旅行速度。线路的旅行速度是指线路的单向运行里程与旅行时间的比值, 旅行时间包括区间运行时间与停站时间, 是行车组织中衡量旅客服务水平的一项重要指标。通过旅行速度来评价速度目标值的评价依据为:设计最高运行速度为80km/h的系统, 旅行速度不宜低于35km/h;设计最高运行速度大于80km/h的系统, 列车旅行速度应相应提高。

2.2 评价方法流程设计

使用牵引计算软件, 输入线路数据、车辆数据, 进行模拟牵引计算, 得到区间的运行时间及最高运行速度, 由此可计算出速度目标值评价指标, 评价指标计算出来以后, 我们就可以对推荐采用的速度目标值做出一个科学合理的评价。

因此, 文章所采用的基于牵引计算模拟的城市轨道交通速度目标值评价方法可以用以下流程图 (图1) 来表示。

3 实例分析

根据上文提出的基于牵引计算模拟的城市轨道交通速度目标值评价方法, 文章以天津市轨道交通市域线Z4线为例进行分析。

3.1 研究范围及目的

天津市轨道交通市域线Z4工程远期规划为南延一站~北延四站, 线路全长约100km, 线路经过南港、中部新城、于家堡、天碱地区、开发区、北塘、生态城、旅游区、中心渔港、汉沽、宁河等区域。

线路一期范围为新城一站~汉沽老城站;远期线路向北延伸至北延四站, 向南延伸至南延一站。本次研究范围为新城一站-汉沽老城站, 共设车站22座, 正线全长46.4km, 平均站间距2.2km。

根据线路的功能地位、客流特征、站间距情况, Z4线的速度目标值推荐采用120km/h, 为了评价120km/h速度目标值对全线旅速的提升效果、线路设计是否匹配此速度目标值, 我们根据线路平纵断面数据进行了模拟牵引计算。

3.2 牵引计算结果

3.2.1 区间最高速度及走行时间统计

从表2可以看出:Z4线一期工程新城一站~汉沽老城站的区间运行时间为38min24s;最大站间距为航母站-工业园站, 站间距为4.014km, 区间运行时间为162s;最小站间距为南大街站-堡东路站, 站间距为0.74km, 区间运行时间为55s。

根据牵引计算统计数据, 得出达到最高速度区间数占总区间数的比例为52.4%;达到最高速度时分占总运行时分的比例为63.7%;达到最高速度区间总长占线路全长的比例为89.1%。

3.2.2 旅行速度计算

根据牵引计算结果以及停站时间, Z4线的旅行速度计算结果详见表3。

从表3可以看出:一期工程全线的旅行速度为53.88km/h, 一期地下段 (津沽南站-第九大街站) 的旅行速度为36.87km/h, 一期高架段 (新城一站-新城二站、第十三大街站-汉沽老城站) 的旅行速度为64.28km/h。

3.3 结果分析及建议

(1) Z4线为轨道交通市域线, 为了满足市域新城与中心城区之间居民的长距离快速出行的需求, Z4线的速度目标值推荐采用120km/h。从模拟牵引计算结果来看, 线路两端的高架站基本能达到这个速度目标值 (模拟牵引计算中, 一般会按最高速度减去5来设置限速, 所以最高速度为120km/h时, 在模拟牵引计算时设置的限速为115km/h) 。线路中间的地下段, 由于线间距较短、线路曲线限速的原因, 最高速度基本为80km/h, 因此在设计列车运行交路、道岔型号等方面时可以此为参考进行合理设计。 (2) 一期工程全线的旅行速度比地下段的旅行速度提高了17km/h, 说明采用120km/h的速度目标值能有效提高全线的旅行速度, 降低乘客出行时间。下一步可根据实际线路情况, 研究限制区间线路条件的优化, 以进一步提高旅行速度。 (3) 达到最高速度区间数占总区间数的比例为52.4%;达到最高速度时分占总运行时分的比例为63.7%;达到最高速度区间总长占线路全长的比例为89.1%, 说明推荐采用120km/h的速度目标值与线路设计是比较匹配的。

4 结束语

城市轨道交通速度目标值的选择, 一方面应结合全线功能定位、客流出行特征及车站分布情况比较采用不同速度目标值的效果, 另一方面应采用模拟牵引计算对推荐的速度目标值进行评价。合理选择速度目标值, 可以有效缩短乘客出行时间, 降低工程投资, 从而实现轨道交通高效、合理、科学的建设目标。

一条轨道交通线路在不同地段的最高速度相差较大时, 应进一步研究在推荐速度目标值下采用开行快慢车、直达车、大小交路等运营方案。

参考文献

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[5]彭宇拓.高速铁路速度目标值的综合评判[J].铁道运输与经济, 2012, 34 (2) :46-50.

[6]马大炜.高速列车及其速度目标值的探讨[J].中国铁道科学, 2003, 24 (5) :1-8.

[7]GB 50157-2013.地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2013.

轨道交通牵引机车 篇8

本文研究的牵引传动试验平台由交流牵引传动变流系统、计算机控制系统、计算机测试系统组成。采用“双逆变器—电机”的能量互馈技术, 由两套变流器-电机联轴背靠背组成, 两台电机的能量互馈。用以模拟轨道交通车辆牵引传动系统的牵引、制动等各种工作状况, 完成对其系统部件如变流器、牵引电机、脉冲整流器的各种试验, 以及列车牵引特性试验。

1 交流牵引传动试验台设计

1.1 交流牵引传动变流系统

牵引传动系统采用“双逆变器—电机”的能量互馈技术, 其主电路如图1所示。由低压开关柜、四象限整流器、牵引变流器、负载变流器、辅助变流器、牵引电机、UPS电源等构成。

两组“逆变器—电机”机组互为牵引和负载。当牵引机组处于牵引工况运行时, 负载机组为制动工况;同样, 当牵引机组为制动工况时, 负载机组工作在牵引工况, 给牵引变流器提供恒定的制动负载, 解决系统负载问题及能量利用率问题。接受并执行试验操作台模拟的地铁列车司机操纵指令;进行牵引电机转矩控制, 混合电制动控制, 防冲击控制, 空转/滑行控制, 空重车控制, 牵引/制动切换控制等反转保护, 进行系统控制逻辑检测和故障诊断、显示、记录。

牵引变流器采用大功率IGBT构成的电压型调压调频 (VVVF) 变流器, 变流器采用PWM控制技术, 由牵引控制单元控制IGBT的开通与关断。当地铁列车在牵引工况时, 三相逆变器将直流电变为电压和频率可调的三相交流电, 控制4台并联牵引电机的转矩和转速;当地铁列车再生制动时, 将牵引电机输出的三相交流电整流成直流电反馈回电网。当电网吸收能力不足或不能吸收时, 斩波相则提供再生制动能量释放的通道。

1.2 计算机控制系统

试验台配备计算机控制系统, 通过软件实现对地铁列车的牵引制动的控制, 由主变流器DSP牵引控制单元、工控机、控制台电控部分构成。工控机与DSP牵引控制单元通过CAN总线连接。通过工控机对变频电源的控制, 实现在允许速度、功率范围内, 依据给定速度指令恒速运行;在允许转矩、功率范围内, 依据给定转矩指令恒转矩运行。

主变流器DSP牵引控制单元完成对变频器的核心控制算法 (DTC直接转矩控制) 、上位机进行通讯获取控制指令, 反馈变频器的工作状态, 并通过开关量输入输出接口测取转速和控制台主令电器的控制指令, 输出对主开关的控制信号。

工控机运行牵引传动试验系统各单元的控制程序, 直接实现被试件的运行控制, 同时实现试验系统的自检、系统初始化、通信管理等, 显示各变频电源、电机、电源等主要设备的工作情况和运行参数, 进行故障信息显示和记录, 显示主要参数波形图、数据表。

电控部分通过操作台上的司机控制器、按钮、旋钮、仪表及指示灯进行控制调节和显示, 实现电机的启动、运行和停机以达到城轨列车各种运行试验工况。

1.3 计算机测试系统

测试系统是一个网络通信系统, 由测试主计算机、功率分析仪、测量转换电路、转矩转速传感器、电压测量模块、电流传感器等组成。随时监控着控制台的网络信号反馈。与控制计算机配合运行, 可替代司机控制台对列车的控制。

测试项目包括:

2 交流牵引传动试验台工作原理

牵引变流系统通过一组四象限脉冲整流器为模拟列车牵引部提供直流动力电源, 列车母线电源为DC 510V, 母线电源分别为列车牵引变流器、模拟负载变流器及列车辅助变流器提供动力电源。负载变流器为与牵引变流器同等功率的电源, 与牵引变流器可互为牵引和负载, 且可以四象限运行。牵引变流器控制牵引电机处于牵引工况运行时, 负载变流器控制负载电机为制动工况, 给牵引变流器及电机提供负载, 给定的负载既可以是恒定的, 也可以随牵引力的变化而变化。同样, 当牵引变流器控制牵引电机工作在制动工况时, 负载变流器此时工作在牵引工况, 给牵引变流器提供恒定的制动负载。无论整个牵引变流系统处于牵引工况还是处于制动工况, 总有一组变流器是工作在发电工况的, 且发出的电能可以通过变流器的四象限控制, 回馈到直流母线上。回馈到直流母线上的直流电源也将再供给用电工况的变流器使用, 如列车辅助变流器在供电直流母线侧取动力电源, 来模拟通风, 空调等设备的实际电源, 构成了电源的系统内部循环。

3 交流牵引传动系统控制特性研究

牵引变流器控制采用DCT直接转矩控制技术, 将上位机给定值和控制指令转换成变流器用的控制信号, 对整流器、变流器、牵引电机进行控制。DSP牵引控制单元每25μs将测量的电机电流值和直流回路电压值输入到一个自适应的电机模型, 并精确地计算出电机的转矩和磁通。磁通和转矩比较器把实际值与磁通和转矩控制器计算的给定值进行比较。根据转矩误差, 磁链误差及磁链的相位, 采用优化策略, 选择合适的电压矢量及电压矢量作用的时间, 在较低的开关频率下, 达到最小的转矩脉动和转矩的快速响应的性能, 从而最好地满足牵引特性要求, 实现对陪试电机的精确控制。

试验证明, 控制系统具有精确的速度控制特性, 速度控制器基于PID算法, 静态速度误差为电机额定转速±0.1% (不带脉冲编码器) , 动态速度误差的典型值在100%;负载转矩阶跃下, 为±0.2%…0.5%sec;动态速度误差取决于速度控制器的调节。

相较于电流矢量控制, DCT直接转矩控制能使逆变器的开关直接由电机的核心变量磁通和转矩控制, 不需要轴的速度和位置反馈, 每个逆变器的开关过程单独确定, 在70%转速时, 转矩阶跃时间少于3ms, 不需要速度和位置编码器即可满足性能要求。

4 结语

本文对交流传动互馈试验平台的功能、原理、结构、控制特性进行了研究, 系统采用双DSP技术的全数字化控制硬件系统, 可快速高效地实现复杂的控制策略, 采用先进直接转矩控制 (DTC) , 其控制结构简单, 控制手段直接, 可实现对负载电机静动态性能的高效和高精度控制, 使得电机的驱动及调速控制更加灵活、简易, 控制精度更高。同时能够利用小功率等级的电源进行大功率等级的系统试验研究, 具有较好的节能效果。

参考文献

[1]霍连文, 郭建斌.采用双变流器——电机能量互馈的交流传动试验系统[J].机车电传动, 2004 (04) .