交流机车代替直流机车牵引万吨的可行性分析

交流机车代替直流机车牵引万吨的可行性分析

张发强

神朔铁路分公司机务段陕西省神木县719300

摘要：本文对神朔线运用的神华八轴大功率交流机车（简称神八交流机车）和SS4B型直流电力机车进行对比，从技术参数、主要性能、牵引质量，以及牵引列车在各种坡道上起车进行比较；以神朔线组合式列车编组要突破到11600t为例，说明神华八轴交流电力机车较SS4B型直流电力机车起动快，区间运行速度高，节能环保，能够实现3台神华八轴交流电力机车牵引组合式列车11600t的任务，和适应神朔线坡道大、曲线半径小、起伏坡道多和操纵难度大等特点，为今后神朔线机车类型的选择提供理论依据。

关键词：交、直流电力机车；牵引性能；优越性；节能环保

Abstract：thisarticlecomparestheShenhuaeight-axishigh-powerAClocomotive（referredtoasShenbaAClocomotive）andSS4BDCelectriclocomotiveusedinShenshuoLine，fromtechnicalparameters，mainperformance，tractionquality，andtractiontrainsonvariousramps.TakingtheShenshuoLinecombinedtrainformationtobreakthroughto1160tasanexample，itisexplainedthattheShenhuaeight-axisACelectriclocomotiveisfasterthantheSS4BDCelectriclocomotive，withahighintervalrunningspeed，energyconservationandenvironmentalprotection.CanachievethetaskofthreeShenhuaeight-axisACelectriclocomotivetractiontrain1160t，andadapttothecharacteristicsoflargeramps，smallcurveradius，manyupsanddowns，andgreatdifficultyinhandling，forthechoiceofthetypeoflocomotiveontheShenshuolineinthefuture.Providetheoreticalbasis.

Keywords：ACandDCelectriclocomotives；Tractionperformance；Advantages；Energyconservationandenvironmentalprotection

1引言

随着电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展，干线电力机车的研制已从直流传动转向交流传动，目前世界先进国家新造的大功率电力机车几乎都采用了三相交流传动技术，单轴功率达到1000～1600KW的大功率客货通用型GTO变频调速电力机车已经广泛投入运用。截止2007年，全国铁路机车拥有量约为18306台，其中电力机车共约6071台，占总机车数的33%，货运机车走行公里46%由电力机车完成。大功率电力机车已投入运用744台（数据截止2008年底），在大秦、京沪、京广等线担当时速120公里，牵引质量达2万吨、1万吨、6000吨、5000吨等不同等级的货物列车牵引任务。随着大功率机车的投入使用，以及对运输组织的优化，铁路运输能力大幅提升[1]。

2神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车主要性能比较

2.1神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车变流装置比较

变流装置用于直流和交流之间电能的转换，并对各种牵引电机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。

SS4B型直流电力机车，靠变流器把来自接触网的电能变换为适合于牵引电动机运行的形式，其任务是整流，将已经降低幅值的交流电压变换为直流电压。所以此处的变流器实质上是整流器，而且主要用自然换向的可控整流器。该机车主电路采用不等分三段相控半控桥整流调压方式。该种调压方式在低级位上功率因数较低。

神华八轴交流电力机车牵引变流器[2]，是由25kV，50Hz单相交流电源供电，通过牵引变压器（车载）变换成970V的输入电压。

每台机车由2节车组成，每节车设有1个牵引变流柜，每个牵引变流柜由2套相互独立的变流器组成。一个变流器包含2个并联的四象限整流器、2个牵引逆变器和1个辅助逆变器等。

牵引变流器控制着牵引变压器和牵引电动机之间的能量传输，进而控制牵引电动机以获得所期望的转矩和转速。为了达到此目的，电动机接线端的电流和电压波形必须由牵引变流器根据需要进行调节。

牵引变流器牵引时将定频的单相交流电变压、变频后给三相异步牵引电机供电，以满足机车运行的需要；再生制动时将牵引电机发出的三相交流电变换成单相交流电后通过牵引变压器反馈回接触网；同时将定频的单相交流电变压、变频后（或定压定频）向辅助电路供电。

牵引变流器通过牵引变压器与单相25kV/50Hz交流接触网相连。牵引变压器的次边绕组可以通过接触器与牵引变流器实现单极分断。中间直流回路通过一个预充电单元（预充电接触器处于闭合状态时）和两个并联的整流桥臂供电。中间直流回路中包含有中间支撑电容，二次谐振电路，接地检测电路和保护接地电路。通过PWM逆变器，中间直流回路中的电能被转换为变频变压的三相交流电，提供给三相异步牵引电动机。

2.2神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车牵引电机比较

我国干线电力机车是将电网的交流电，经过主变压器降压、硅整流后转换成直流电，所以提供给牵引电动机的电流是脉动的。SS4B直流电力机车的直流电机采用ZD114型牵引电动机，该电机为串励脉流牵引电动机；由机车供电性质决定电机电流将有25％——30％的脉动率。正是因为脉动电流的存在，SS4B机车的电机在结构上使用接触式的机械换向器，运行中很容易产生换向火花和发生环火现象。由于换向及环火这一类问题的存在，则要求电动机换向片之间电压不能过高，这样使得直流电动机的设计容量和高速时的利用功率都受到限制，直流机车高速利用功率只能达到额定功率的75%。

神华八轴交流电力机车牵引电机具有体积小、功率大、效率高、恒功范围宽、维护量小等优点。该机车用异步牵引电机调速普遍采用变频变压调速技术。

异步电机转速、电动势和电磁转矩公式[4]如下：

转速n=60f/p（1-s）

电动势E1=4K1fNsKdp1φ

电磁转矩Tem=CφIrCOS

n：转速；f：定子频率；s：转差率；p：电机极对数；E1：电动势；K1：波形系数；

Ns：每相串联匝数；Kdp1：绕组系数；φ：磁通；Tem：电磁转矩；C：常数；Ir：转子电流；COS：功率因数。

改变定子频率即可改变电机转速，随着定子频率的增加，电机转速相应增加，如果电压不增加，将导致电机磁场减弱，电机转矩将降低，电机磁场降到很低时，电机不能输出足够的转矩，不能满足负载要求；另一方面，低频起动时，如果电压很高，将导致电机过分饱和。因此异步电机变频时，电压也应在一定范围内保持一定比例的变化，这种调速方式称之为变频变压调速。异步牵引电机变频调速主要采用了恒转矩变频调速（恒磁通变频调速的一个区段，磁通和电流不变）、恒磁通变频调速、恒功率变频调速等调速方式。

2.3神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车电制动方式比较

SS4B型电力机车采用加馈电阻制动系统在长大下坡道制动时使用，电阻制动的基本原理是牵引电机运行的可逆性，在制动时，牵引电动机呈发电机工况，将列车的动能与位能转换为电能，这时发电机的转矩就是制动转矩，发电机所发出的电能消耗在电阻上变为热能由风机吹至大气中。

神华八轴交流电力机车使用三相异步牵引电动机，该型机车电制方式采用再生制动；再生制动方式与加馈电阻制动方式相比，再生制动节能效果显著。

异步电机牵引与再生制动原理：在1>s>0的范围内，电磁转矩与转子转向相同，它拖动转子旋转，电机从逆变器吸收电能转换为机械能，克服机车阻力驱动机车运行，处于电动机运行状态。s=1为起动运行状态。在s<0的范围内，转子转向与定子旋转磁场一致，转子转速n大于电机同步转速n1，电磁转矩与转子转向相反，它阻碍转子旋转，电机将机车机械能转换为电能传送给逆变器，对机车产生制动转矩，电机处于发电机运行状态，称之为再生制动。JD160深度国产化异步牵引电机等效电路如图1所示。

图1牵引电机等效电路

3神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车牵引质量比较

3.1轮周功率比较

牵引质量受到诸多条件的限制，其中与机车性能有关的限制包括坡道运行、平直坡道加速、起动条件等，这些限制都是由机车牵引功率决定。现在对于神朔线货运电力机车来说，采用组合式列车编组要突破到11600t以上。为了满足货运的需求，神华八轴交流电力机车轮周功率（持续制）为9600kw，SS4B型直流电力机车轮周功率（持续制）为6400kw。

3.2神华八轴交流电力机车和SS4B型直流电力机车牵引质量对比

通过牵引质量计算公式，可以计算出12％长大上坡道上，单台SS4B能够牵引3209t，单台神华八轴交流电力机车能够牵引3906t；对于神朔线货运电力机车来说，采用组合式列车编组要突破到11600t以上。要想实现11600t的牵引任务，并且在12%的坡道上顺利起动列车；SS4B型直流电力机车必须要4台机车，而神华八轴交流电力机车只需要3台机车即可以满足要求，节省了一台机车的机力和人力。

4结论

通过以上分析，以及神华八轴交流电力机车在神朔线的运行情况，可知：①适合神朔线现有线路特点，在大坡道、小半径曲线和不良天气情况下，用3台神华八轴交流机车代替4台直流机车，能够实现万吨列车的牵引任务。②在运量相同的情况下，减少了机车台数和乘务员人数，为企业节约了机力和人力成本。③机车整备作业简单，缩短了检修人员作业时间。④交流机车操纵性能稳定，便于培训学习，减少了乘务员劳动强度。⑤使用交流机车后，消耗电量大幅度下降，有利于节能环保。

参考文献：

[1]铁道部规划研究院.中国铁路机车车辆装备市场需求分析[R].铁道部：铁道部规划研究院，2009.

[2]张曙光.HXD1型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009：28.

[3]刘友梅.韶山4B型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1999：4-7.

[4]叶水音.电机学2版[M].北京：中国电力出版社，2009：111-121.

作者简介：

张发强，1982年出生，男，汉族，河北石家庄人，技师，助理工程师，本科学历，从事一线电力机车司机培训方面的工作。