大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究姓名：冯强申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：王建国20071215大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要铁道部为了满足国内干线铁路运输需要，加快提升中国干线铁路大功率交流传动内燃机车的装备水平，拟采购一批大功率交流传动内燃机车，同时全面引进国外先进的成熟的大功率交流传动内燃机车的设计和制造技术：铁道部拟通过本项目，推进中国机车制造企业对引进技术的消化吸收和自主创新，逐步提高大功率交流传动内燃机车的制造能力、国产化率和自主研发能力，进而实现打造自有品牌的目标。本文以满足将来铁路运输需要的引进的大功率交流传动内燃机车为目标，详细

2、介绍了内燃机车的内部各系统组成、结构、传动形式、控制方式等，结合机车的性能需要阐述了当前应用于机车电传动领域内的矢量控制、微机网络控制以及粘着控制的观点或方法；并对大功率、重载牵引的机车车体、转向架构架的静强度等进行了分析与研究。关键词：引进；交流电传动；异步电机；微机控制大连理工大学专业学位硕士学位论文R e s e a r c ho f E l e c t r i c a lC o n t r o lS y s t e mo fm g l lP o w e rA CD i e s e lL o c o m o t i v eA b s t r a c tI no r d e rt om e

3、 e tt h er e q u i r e m e n t so fn a t i o n a lm a i n l i n et r a n s p o r t a t i o n,r a p i d l yr a i s et h el e v e lo f e q u i p m e n tf i t t e do nC h i n am a i n l i n eh i 曲p o w e rA Ct r a 璐m i s s i o nd i e s e ll o c o m o t i v e s,t h eM i n i s t r yo fR a i l w a yi n t

4、e n d st op m c h a s eab a t c ho fh i g hp o w e rA Ct r a n s m i s s i o nd i e s e ll o c o m o t i v e sa i m i n gf o ri m p o r t i n ga d v a n c e da n dp r o v e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yu s e do nt h i sk i n do f l o c o m o t i v eb ya n dl a r g e B ye

5、n c o u r a g i n gs e l f-i a n o v a t i o no nt h eb a s i so fd i g e s t i n ga n da b s o r b i n gt h ei m p o r t e dM v a n c e dt e c h n o l o g y，t h eM i n i m yo fR a i l w a yw i s h e se a c he n t e r p r i s ee n g a g e di nm a n u f a c t u r i n gl o c o m o t i v e sc o u l dr

6、a i s et h e i ra b i l i t i 髓i nm a n u f a c t u r i n gh i 曲p o w e rA Ct r a n s m i s s i o nd i e s e ll o c o m o t i v e r e a l i z i n gl o c a l i z a t i o na n dd o i n gs e l f-r e s e a r c h,a n dt h e na c h i e v et h eg o a lo f b u i l d i n gu pt h e i ro w nr e p u t a t i o n

7、 sf o rt h e i rp r o d u c t sg e n e r a l l y。B yt a k i n gt h ei m p o r t e dh i g hp o w e rA CI r a n s m i s s i o nd i e s e ll o c o m o t i v eu s e dt om e e tt h er e q 咖e n to ff u t u r et r a n s p o r t a t i o na sa ne x a m p l e，t h i sp a p e rg i Y e St h es p e c i f i ci n t

8、 r o d u c t i o nf o rb u i l d u p。s t r u c t u r e，t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lo fd i f f e r e n ts y s t e m sw i t h i nd i e s e l l o c o m o t i v e s；c o m b i n e dw i t ht h el o c o m o t i v ep e r f o r a t o r,i ts e t sf o r t ht h ec o n c e p t i o na n dm e t h o do

9、 fv e c t o rc o n t r 0 1 m i c r o c o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o la n da d h e s i o nc o n t r 0 1a v a i l a b l ei nc u r r e n te l e c t r i ct r a n s m i s s i o nf i l e d；i tm a k c f lt h ea n a l y s i sa n dd o e sr e s e a r c ho fs t a t i cs t r e n g t ho nc a r b o d yo

10、fh i g hp o w e ro v e r l o a d i n gl o c o m o t i v e sa n db o g i ef l-a m ea sw e l l K e yW o r d s：I m p o r t,A Ct r a n s m i s s i o n,A s y n c h r o n o u sm o t o r,M i c r o c o m p u t e rc o n t r o lI I I 独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人

11、已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意作者签名：三幺【坠日期：型霉：!芝：人连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：到鳖翩繇j 碰丑一

12、n 年业月业日大连理工大学专业学位硕士学位论文引言从中国第一台东风型内燃机车于1 9 6 4 年在中国北车集团大连机车车辆有限公司(原大连机车车辆厂)成功生产问世以来，中国内燃机车的发展有了长足的进步。无论是在生产规模上还是生产厂家上都有了巨大的变化。目前国内生产内燃机车的厂家有大连机车车辆有限公司、戚墅堰机车车辆厂、中国南车集团资阳机车有限公司(原资阳机车车辆厂)、中国南车集团青岛四方车辆股份有限公司(原四方机车车辆厂)和中国北车集团北京二七轨道交通装备有限责任公司(原北京二七机车厂)。国内内燃机车的车型按用途可分为：干线货运内燃机车、干线客运内燃机车、调车内燃机车、调车小运转内燃机车、工矿

13、内燃机车、地方铁路内燃机车。目前国内内燃机车的最大装车功率为5 0 0 0马力，最高运行速度客运为18 0 k m h，货运为1 0 0 k m h，机车的主传动还是以交一直流传动为主，即由柴油机与同步交流主发电机组成的柴油机发电机组做为机车的动力核心为内燃机车提供三相交流电源，三相交流电经二极管全波整流为直流后，通过一系列的控制电器传递给机车转向架上的全并联的直流牵引电动机，牵引电动机通过牵引齿轮变速箱驱动机车轮对【1 1，轮对通过与钢轨的摩擦产生摩擦力从而产生推动机车前行的动力使得机车前后方向运行。目前铁道部既有车辆中，内燃机车的主传动还是以上述的传动方式为主。国外开发研制内燃机车的历史比

14、我国悠久。我国早期研制开发内燃机车时就是在前苏联机车的基础上进行的。国外内燃机车在高速重载方面的研究与开发也比我国早，而且9 0 年代以来，国外新型内燃机车几乎都采用了主辅传动交流控制技术、车载微机网络控制技术及多机重联功能，并装用了径向转向架。其中最为代表的是美国E M D(原属于美国G M 公司)、G E 两大公司，他们于1 9 9 7 年均生产出装车功率超过6 0 0 0 马力的交流传动内燃机车。其中，G E 公司的A C 6 0 0 0 C W 型内燃机车功率为6 3 0 0 马力；E M D公司的S D 9 0 M A C 型内燃机车功率为6 0 5 0 马力。在原苏联解体前和解体后

15、，俄罗斯联邦机车工业和科研部门在内燃机车科技发展方面也做了大量工作(不过目前的报道不多)。特别是在开发大功率重载内燃机车、大功率柴油机和高速内燃机车领域做了许多的试验、研究工作。2 0 0 2 年初，法国投入运营服务的A G V 列车最高商业运营速度达到了3 5 0 k m h，同年，韩国也完成了3 5 0 k m h 运行速度的高速列车的试验，从而成为，继日本、法国、德国、西班牙和意大利之后第六个拥有高速列车制造技术的国家。特别让人振奋的是，在今年的4 月份，法国的“V 1 5 0”列车在行使试验中达到了5 7 4 8 公里的时速。打破了1 9 9 0年由法国高速列车创下的时速5 1 5 3

16、 公里的有轨铁路行驶世界纪录。大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究2 0 0 3 年1 0 月1 6 日，铁道部部长刘志军在视察中国北车集团大连机车车辆有限公司时，做了重要讲话。他指出：“要进一步增强实现机车车辆装备现代化的紧迫感，这是为了认真贯彻落实“三个代表”重要思想和党的十六大精神，适应全面建设小康社会的要求。铁道部党组提出了实现铁路跨越式发展的新思路，这个思路的主要内涵是两个快速：第一个是要快速扩充铁路运输能力。中国铁路已经在某种程度上限制了、制约了国民经济发展速度和质量。全国每天需要货车1 4 1 6 万辆，实际还不止这个数，但每天能满足市场需要的仅9 万辆左右，所以只能满足市场

17、需求的6 0。旅客运输方面也有同样的问题。第二个跨越式发展的主要内涵是什么呢?就是要快速提高铁路技术装备水平，技术装备水平主体就是机车车辆。实现这两个快速的根本目的就是要在较短的时间内，解决铁路运输生产力不适应经济需求增长的矛盾。在铁路技术装备中，机车车辆装备处于十分重要的位置，实现机车车辆装备的现代化，对铁路的跨越式发展具有决定性意义“。2 0 0 4 年前后，党中央、国务院领导多次组织有关部门召开专门会议，研究铁路建设发展问题，在审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划以后，又确定了推进铁路技术装备现代化“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体方针，明确了铁路技术装备现代化的

18、方向、方法和目标。按照这一要求，经过大量的研究论证和反复比选，铁道部确定了实施我国铁路装备现代化的具体方案。一是瞄准世界铁路装备技术制高点，锁定当今国际上最先进、最成熟、最可靠的技术，进行引进消化吸收再创新，使我们一开始就站在高起点上。二是以铁道部为主导，以国内企业为主体，以掌握核心技术为目标，实现先进技术的引进和转让。三是利用我国铁路巨大的市场，形成一个拳头，联合国内科研、设计、制造企业，实现低成本引进。四是在我们已有技术积累的基础上，坚持原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新相结合，着力提高国内企业创新能力，扶持民族工业发展，实现本土化生产，打造中国品牌。五是用3 5 年的时间，实现我国铁

19、路技术装备水平的快速提升、运输能力的快速扩充，以适应经济社会又好又快发展对铁路运输的迫切要求。按照这样的方略，一场波澜壮阔的中国铁路技术装备现代化建设工程全面展开。最先开始的是电力机车的技术引进，铁道部根据党中央国务院的政策方针先后组织国内中国北车集团大连机车车辆有限公司、中国南车集团株洲电力机车有限公司、中国北车集团大同电力机车有限责任公司与日本东芝公司、德国西门子公司、法国阿尔斯通公司合作成功地引进消化吸收了和谐型1，2，3 型大功率交流传动货运电力机车，目前大连理工大学专业学位硕士学位论文三个项目的首台电力机车都已经下线，并开始了批量生产。机车已经陆续交付给铁路局并投入了商业运营，运用效

20、果非常好。接下来根据刘部长的讲话精神，铁道部为了满足国内干线铁路运输需要，加快提升中国干线铁路大功率交流传动内燃机车的装备水平，拟采购一批大功率交流传动内燃机车，同时全面引进国外先进的成熟的大功率交流传动内燃机车的设计和制造技术；拟通过本项目，推进中国机车制造企业对引进技术的消化吸收和自主创新，逐步提高大功率交流传动内燃机车的制造能力、国产化率和自主研发能力，进而实现打造自有品牌的目标。通过层层的筛选，最后确定由中国北车集团大连机车车辆有限公司与美国E M D 公司组成联合体、中国南车集团戚墅堰机车车辆厂与美国G E 公司组成联合体来进行大功率交流传动货运内燃机车的技术引进与消化吸收再创新。大

21、功率交济传动内燃机车电气控制系统的研究1内燃机车引进选型结合对世界先进内燃机车技术的了解和中国铁路目前运输市场的需求，对此次引进机车的定位，铁道部组织了相关的专家进行了认真的分析和计算。作为此次引进项目的承担单位我们公司(中国北车集团大连机车车辆有限公司)也组成了专家组，我有幸参与了这个项目，并负责技术总成。此节我重点从机车的负荷、传动形式、柴油机、制动系统及辅助系统方面论述下此次引进的机车到底需要什么方式的传动类型、多大功率比较合适、机车的牵引能力的定位及选择什么类型的制动系统和辅助系统。1 1 机车负荷计算当今铁路货运运输的目标内燃机车需要双机牵引5 0 0 0 t，在有0 0 0 5 m

22、 s 2 的剩余加速度的情况下，平直道上最大运用速度要达到1 2 0 k m h。基于此要求，我们对引进机车功率等级的定位来进行论证。根据T B T 4 0 7 1 9 9 8 列车牵引计算规程中规定的机车、车辆基本单位阻力计算公式，并考虑O 0 6 的质量回转系数，1 2 0 k m h 大功率交流传动货运内燃机车所需柴油机装车功率以及机车各种设备负荷进行了估算和分析如下：计算条件：牵引方式双机牵引牵引吨位5 0 0 0 t最高运行速度1 2 0 k m h剩余加速度在平直道上0 0 0 5 r i g s 2轴重2 5 t牵引主传动各环节效率估算：主发效率9 6 整流柜效率取9 9 5 牵

23、引电机效率取9 4 牵引齿轮效率取9 7 逆变器效率取9 8 通过计算得主发用于牵引的输入功率如表1 1。在标定工况下，机车各个部分所需辅助功率估算(单机)：冷却风扇2 7 5k W=1 5 0k W一4 一大连理工大学专业学位硕士学位论文空压机电机牵引电机通风机2 3 0 k，=6 0 k l r2 4 2k W=8 4k W表1 1 主发电机输入功率计算T a b 1】M a i na l t e r n a t o rp o w e ri n p u tc a l c u l a t i o n机车空调(2 个，但每次只开一个)2 X 2 5k W=5k W冰箱0090kW电热水器2 3

24、 k W司机室电暖器(2 X 2 k W+4 X 0 6 k W)X 2=1 2 8k W司机室风扇404k W=1 6l 测燃油泵电机1 1 k W车体通风机2 X1 1 l【W-2 2k W动力除尘风机电机2 O 8k w=1 6k W主交流器冷却风机电机2k W头灯2 O 8 k W=1 6 k W标志灯026k W 4=1 0 4 0k W司机室灯4006k W=o 2 4k W冷钢照明灯2 O 1 2k W=o 2 4 0 k W走廊灯O 0 1 5k W X1 3=0 1 9 5k W车底照明灯1 4 X 0 0 6 k W=o 8 4 k W励磁功率5 0 k W上述所有设备同时

25、工作总辅助功率约为3 7 7 k W，而实际工作中，大部分设备不是同时工作的，因此做如下处理：大风扇功率取总功率的2 3(1 0 0 k w)；空压机不计算在内；通风机满功率、机车空调(按一个计算)、冰箱、电加热器(按一个司机室计算)、燃油泵电机、动力除尘电机、主变流器冷却风机电机、头灯(按一个计算)、标志灯(按大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究2 对计算)取满功率；其他照明暂取O 2k W：考虑辅助发电机效率约为9 5，辅发电机的输入功率约为2 6 7 k W，以及一定的辅助功率裕量，最后总的辅助功率取为：2 X 3 0 0k W(双机)。在综合考虑上述因素后，此次引进机车的单机功率需

26、要4 1 4 0+3 0 0 k w，双机约为8 8 8 0 k w，考虑一定的整车功率裕度，柴油机的单机功率约为4 7 0 0 k W 左右，用于牵引的柴油机功率也就是主发输入功率约为4 4 0 0 k W。这样，双机牵引主发输入功率为8 8 0 0 k W。1 2 机车传动类型和形式内燃机车的核心部件是柴油发电机组，它完成从热能到机械能，再从机械能到电能的转换功能。从柴油机输出轴到机车轮对的动力传递过程，称为机车主传动。机车柴油机冷却风扇、制动系统的空压机以及牵引电动机通风机等机车重要辅助设备的驱动一般称为机车辅助传动。主传动的控制直接关系到机车的工况和性能，辅助传动主要用来保证机车柴油机

27、和主传动部件以及其他附属设备的顺利安全的工作。当今内燃机车主传动主要为电传动，我国现有铁路线上的内燃机车绝大多数是交-直流电传动。以直流牵引电动机为主导的电传动内燃机车发展到今天面临几个不容易解决的问剧啦】，其一，串励直流牵引电动机的结构限制了内燃机车的功率；其二，串励直流牵引电动机的负载特性比较软，机车牵引工况下的轮对空转和电阻制动工况下的滑行一直是A C D C 电传动内燃机车很难解决的问题，也是影响机车粘着利用的一个重要方面；其三，直流牵引电动机在同等功率等级上要比交流异步电机重得多，电传动的交流化有利于降低内燃机车的轴重和簧下重量，进而降低高速或重载机车在运行中对路轨的冲击力；其四，直

28、流电动机调速范围窄。采用三相交流异步牵引电动机的内燃电传动机车的主传动形式一般被成为交直交(A C-D C A C)机车，由交流电动机特性和变频变压的工作特点决定的高粘着利用率对于提高大功率货运机车的牵引能力和扩大调速范围具有重要意义【3】；由于交流电机的组成材料较直流电机而言铜所占的比重小，因而重量轻，有利于提高内燃机车的轴功率；三相交流异步电动机没有了直流牵引电动机的换向器和碳刷等，结构变得简单，大大减少了维护检修工作量。采用交流主传动形式的内燃机车在技术上有效克服了直流牵引电动机对机车提升能力和水平的限制 4 1。内燃机车交流化应该说国际上已趋成熟、国内则一6 一大连理工大学专业学位硕士

29、学位论文刚刚起步。国内近年来出现了包括J 6 7、D F 4 D J、D F 8 B J、D F 8 C J 等多种车型I”l，这些机车只是制造了几台样车，没有批量生产。交流电传动机车控制系统主要包括柴油机恒功率、机车速度、牵引力控制、机车电阻制动控制、粘着控制、柴油机启动和调速、包括柴油机等机车各系统的保护、报警、参数显示以及机车辅助电传动的控制。柴油机恒功率控制的核心在于是对机车牵引主传动和辅助传动系统功率之间的转移。机车速度和牵引力控制的核心内容在于利用交流异步电动机的特性、发挥电力电子元件特点的转矩控制。实现内燃机车交流传动的一个难点和重点就在于对主发电机励磁和异步电动机的控制以及两者

30、之间的协调，在具备交流辅助传动系统的机车上功率控制的实现更要复杂。内燃机车内部的能量流动在一个比较封闭的体系内，一方面要保证柴油发电机组这个“源”的工作稳定性，一方面要保证机车的性能要满足在广阔的、复杂的使用条件下运用，实现这两个方面的基础是机车内部的能量分配和控制协调，信息传递为这两方面的实现充当载体陋1 1】。针对内燃交流传动的技术特点，新型机车研发所涉及到的变频异步交流电机控制技术、交流控制技术、微机控制技术、机车各分系统之间的统筹协调及通讯技术等等在理论上己基本成熟 1 2-1 5】。随着新器件、新工艺、新技术的不断出现电传动系统的实现手段也越来越丰富。机车交流电传动的发展主要体现在控

31、制技术和电力电子技术的更新换代上。控制技术以逆变器异步电机控制为主要特征，电力电子器件的发展在交流异步电机的变频控制技术的发展过程中起到极为关键的作用(1”。异步电动机的变频控制理论的不断突破和微处理器件及其控制技术的日新月异，成熟的变频电机设计制造技术都为交流传动技术提供了坚实的基础。从G T O 发展到I G B T，对变频控制而言具有革命性意义，目前集驱动、保护于一体的智能型功率模块m M 又成为新宠【l 们。数字信号处理器(D S P)作为变流器控制核心，高运行速度为高精度控制，复杂算法的实现提供了可能【2 H 3 1。交流异步牵引电动机的变频变压控制的技术要素在于交流异步电动机分析研

32、究，变流器的控制应用。随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速超过了直流电动机调压调速性能 1 3,1 6,1 t 1 9 2 1 2 s】。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。场定向控制、矢量控制等在理论上的成熟，使其在机车传动控制得到广泛应用。然而在实际应用中因为转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数影响大，且在等效直流电动机控制过程中所使用的矢量旋转变换较复杂，使得矢量控制的实际效果难于达到理想分析的结果 1 3,16 1 9 0 删。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的D e p c n b m c k 教授提出的直接转矩控制变频技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，其新颖的控制思

33、想和简洁明了的系统结构以及优良的动静态性能得到了迅速的发剧嚣2 9 。直接扭矩控制成为逆变器异步电动机控制的重要内容，且已经在国内机车上得到应用【7 t 8】。在逆变器驱动上，P W M 方法被广泛使用，为与不同的变大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究流器控制方式相匹配，提高逆变器异步电动机电磁兼容性，降低谐波对系统的影响，衍生出S P W M、S V P W M 等新的变流器控制方式D 捌,2 2,3 0-3 9 1。变频变压的异步电动机与普通异步电动机有很大的不同，其设计和制造近年来也得到很大发展，主要于抑制谐波电流和防电晕以及降低其他针对逆变器输出与市电差异所产生的对异步电机不利影响

34、的措施 3,4 0,4”。为提高机车性能，利用交流传动自身所具有的优势，对机车进行粘着控制，满足机车启动、运行和制动时的牵引力脯0 动力需要，是一个重要的复杂的课题。多年来针对粘着机理、粘着利用、粘着控制的研究一直就没有停止过，取得了很好的效果 3,4 2-4 6 1。鉴于我国铁路发展。高速重载”的趋势和要求日显突出，铁路运力与运输需求矛盾日益加剧，大功率的粘着利用率高、调速范围宽、维护工作量少、全寿命周期成本低、高可靠性、节能降耗的交流货运内燃机车和大功率的客运内燃机车必是众望所归的重要装备。基于上述的分析，本次引进机车的传动定位于交流传动，控制方式，既可以采用轴控，也可以采用架控。1 3

35、机车柴油机柴油机是内燃机车的动力之源，对于内燃机车的选择很大程度上是对装车柴油机的选用。我国目前已经装车批量运用的单机最大功率为5 0 0 0 马力，而美国E M D 公司(原属于美国G M 公司)、G E 两大公司于1 9 9 7 年均生产出装车功率超过6 0 0 0 马力的交流传动内燃机车。其中，G E 公司的A C 6 0 0 0 C W 型内燃机车功率为6 3 0 0 马力；E M D 公司的S D 9 0 M A C 型内燃机车功率为6 0 5 0 马力。1 3 1 柴油机性能国产柴油机与国外同类型柴油机的主要指标比较如表1 2。1 3 2 柴油机的耐久可靠性由我们公司研制的2 4

36、0 2 7 5 柴油机的耐久可靠性与美国G E 公司研制的7 F D L 柴油机相比差距很大，其重要的指标就是大修期，7 F D L 柴油机的大修期是我们现有柴油机大修期(9 0 万公里)的近一倍。现在国际上大功率的中高速柴油机的大修期已在4 8万小时，有的国外柴油机在运用6 0 0 0 小时左右时，只做不到8 0 人工时的维修保养和一些易损部件的更换。柴油机在修程上差距：一8 一大连理工大学专业学位硕士学位论文2 4 0 D、E 型柴油机7 F D L 柴油机(N D 5)中修期3 0 1 0 4 k m9 6 1 0 4 k m大修期9 0 1 0 4 k m1 9 2 1 0 4 i o

37、 n表1 2 柴油机主要指标T a b 1 2M a i np a r m n e t c r so f e n g i n e s注1)燃油消耗率为标定工况时的燃油消耗率，按U I C 条件；2)为带机油冷却器及滤清器的质量。从表1 2 中可以看出：国产柴油机在性能指标上与国外差距不大，有的方面已达到了国外的水平，但在燃油、机油消耗率上有一定差距。一9 一大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究2 4 0 柴油机影响修程的主要零部件是活塞、活塞环、气缸套、主轴瓦、连杆瓦、气门和增压器。也就是说上述零部件与国外同类型产品相比在耐久可靠方面存在着一定的差距。从以上比较可以看出，我国内燃机车柴油机

38、技术和国际上同类型产品比较还有较大差距，这也是我国内燃机车与国际上先进内燃机车的重要差距之一。我们的目标是通过此次技术引进，把当今世界上最先进的柴油机引进到中国，通过消化吸收后再创新。根据第1 1 节的机车负荷计算，此次引进机车柴油机功率主发输入约为4 4 0 0 k W，目前世界上内燃机车用柴油机，功率能满足这个要求的只有美国的E M D 和G E 两家公司生产的柴油机。而且该柴油机具有一定的运用经验，属于成熟可靠的产品。1 4 机车制动系统影响内燃机车先进性、可靠性、维护性和经济性的不仅仅是机车的电气传动及控制和柴油机，还包括其它系统，空气制动系统就是其中之一。干线内燃机车的列车制动一般包

39、括两个技术方面，空气制动和动力制动。动力制动简单的说就是，利用机车动力装置、机车传动装置或牵引电动机的逆动所产生的阻滞作用来限制或降低列车运行速度以至停车。机车动力制动是列车制动的一种方法，通常作为空气制动的辅助手段使用，有时也单独使用。列车停车一般用空气制动。列车在长大下坡道上运行时，如仅使用空气制动，由于制动时间长，闸瓦温度升高，摩擦系数降低，这样就会使制动力下降，闸瓦和车轮踏面磨耗加快。如果用机车动力制动配合空气制动，就可以大大减少空气制动装置的使用，明显地减轻闸瓦和车轮踏面的磨耗。动力制动在列车下长大坡道时可以按限制速度匀速运行，提高下坡的平均速，也适用于弯道、进站减速等制动。机车备有

40、这两种制动系统可以提高列车运行速度和运行安全性。内燃机车的电阻制动就是制动时牵引电动机改为发电机运行，发电电流在制动电阻消耗电能为热能散逸于大气，从而实现制动。对于交直流传动内燃机车而言，电阻制动时，串励直流牵引电动机变为他励直流发电机，机车主发电机整流输出作为他励发电机的励磁电源，他励直流发电机的输出接在制动电阻上。对于交流传动内燃机车而言，电阻制动时，三相交流异步牵引电动机变为交流发电机，机车主发电机整流输出为该发电机提供预励磁，交流发电机的输出接在制动电阻上。由于两种传动方式的差异，所带来的制动性能有很大的不同。交直流传动内燃机车的电阻制动特性特点就是恒制动电流和恒制动励磁电流两种控制方

41、式交叉形成的驼峰形式的制动力和机车速度曲线，而交流机大连理工大学专业学位硕士学位论文车的恒制动功率区与交直流传动的恒电流区基本相同，差别在于这类机车的中低速区的恒制动力区，尤为重要的是交流机车的逆变器异步牵引电动机的特性可以使机车获得比直流机车大得多的粘着利用率，意味着交流机车的最大电阻制动力可以比直流机车大得多，安全得多。内燃机车电阻制动特性中对机车运用最重要的两个指标是制动功率和制动力。这两者和机车的控制、部件联系紧密，也可以说取得和牵引功率相当的制动功率取决于制动电阻和牵引电动机，制动力的取得不仅仅和主传动部件有关还和机车的控制水平有更为直接的关系，而这种对粘着的优化控制需要在大量的数据

42、积累和分析基础上才能实现。因而，通过引进技术，跨过一个技术积累阶段是很有价值的。而国外先进的内燃机车上也都具备了电阻制动功能。国际上用于内燃机车的空气制动系统，较为先进的系统主要有C C B I I 和F a s t B r a k e。这两种产品基本占据了大部分的国际市场。而且这两种空气制动系统都采用了微机控制技术，与我国传统的3 7 _ 7 制动机相比，更具有智能化、精确化、迅速化等优点。根据整车系统集成和运用习惯等，可以考虑从其中选择一种作为我们此次引进机车的制动系统。1 5 机车辅助系统国产系列机车辅助传动系统大部分都以传统的非电传动方式为主。其缺点是：机械故障较多、维修保养和检修工作

43、量大、传动效率低。目前，欧美许多国家机车的辅助传动系统均采用交流技术，辅助交流发电机提供电源，通过整流器变成辅助中间直流回路，经过辅助变流器，给辅助设备供电。如美国G E 公司的“蓝虎”机车、D a s h 9 机车等机车辅助传动系统均采用交流技术。由于这项技术的采用使机车的可靠性增加，运用维修成本降低。传动效率提高从而使燃油消耗下降，提高了机车的经济性。因此我们此次引进的机车辅助系统将选用交流传动方式的辅助传动系统。以解决国内传统辅助传动系统的缺点，为运用提供方便。另外，世界先进的内燃机车，冷却水系统都采用了干式冷却，这对于我们国家这种地域广阔，环境温差变化大，更为适用，同时可以降低辅助功率

44、的消耗，提高机车牵引效率。此次引进的机车将选择干式冷却技术。1 6 其它由于目前铁路运输繁忙，机车供不应求，为了增加牵引吨位，国内既有机车都要重联起来牵引列车，因此此次引进的机车要求具备多机重联功能。中国属于地大物博，幅员辽阔，中国机车南北方都要经过，海拔高度、运用环境温度、空气湿度等对机车也是个考验，机车须具有功率自动修正功能、防寒保温功能等。另外，结合中国铁路目前的大功率交流传动内燃机车电气控制系统的研究新的规章制度，比如要求单司机执乘，尽量采用内走廊机车等，我们在引进中对外方也要提出类似的要求，以满足中国铁路司乘人员的操作习惯和规章制度。综上所述，我们此次引进的机车应具备下述有点：大功率

45、、交流主传动、交流辅助传动、微机控制及网络通讯功能、机车具有重联功能、具有电阻制动功能、具有微机控制的机车制动系统等，并具有先进、成熟、可靠、适应、经济的特点。基于此目标，经过与国外多家公司进行技术交流与谈判，最终铁道部选择了美国的G E 公司和E M D 公司作为我们的合作伙伴，签订机车技术转让合同及设备采购合同，实现引进先进技术后消化吸收再创新。下面先就我们公司与美国E M D 公司合作生产的大功率交流传动机车项目作以介绍。然后重点对此次引进机车的机车电气控制系统技术与国产化进行论述。大连理工大学专业学位硕士学位论文2 引进内燃机车概况2 1 项目概况自2 0 0 4 年1 0 月2 8

46、日取得。大功率交流传动内燃机车采购和技术引进项目”询价书以后，中国北车集团大连机车车辆有限公司(以下称大连公司)作为报价方与项目的技术支持方美国E M D 内燃机车公司(以下称啪)认真按照询价书的要求，积极有效地开展报价工作，就项目的技术规范要求，技术转让及国产化要求以及设备采购合同要求进行了全面细致的研究和交流，确定了合作意向。经过与询价方铁道部和中技公司的7 轮交流与谈判，最终于2 0 0 5 年9 月1 日正式签定了技术转让和设备采购合同。合同机车3 0 0 台，包括技术转让费的合同总价为6 6 4 2 亿人民币。为了全面完成投标工作，合作开始初期，集团领导带领公司总经理、总工程师等亲自

47、赴美访问E M D 公司，与其高层领导举行了会谈。为保证报价工作尽快完成，我公司成立了项目工作组。E M D 公司对该项目也非常重视，组成了由亚太地区销售总监为首、相关部门专家组成的项目组，多次来华对包括我公司在内的国内多家机车和相关部件制造企业进行了考察和访问，其高层领导董事长和总经理等也多次来华考察国内机车制造企业并与铁道部和集团领导进行了会谈。经过双方工作组成员卓有成效的工作，在短期内就机车的技术规范、设计合作分工，技术转让的范围、方式、国产化实施进程，以及国产化实施各阶段工作分工及目标达成了初步一致，并按照询价方要求于2 0 0 5 年1 月1 0 日如期开始向询价方递交了报价文件，如

48、期与询价方组织的专家组就所提交的报价文件分阶段进行了7 轮1 0 余次会谈，仅E M D 项目工作组在华工作就达6 0 0 余人日。最终，公司和E M D 通过与询价方专家组经过整1 0 个月的谈判，就技术转让总体协议，技术转让合同条款及附件、散件进口国内组装机车采购合同及附件、国内制造机车采购合同及附件的主要内容全面达成一致，并与买方(铁道部和上海铁路局)签定了四项主要合同。合同概况：机车总台数散件机车台数国产化机车台数合同总价机车交货进度3 0 0 台；7 5 台；2 2 5 台；6 5 8 1 2 7 亿人民币(汇率1$，8 1 1 铎)；合同生效后第1 1 2 月进行设计；大功率交流传

49、动内燃机车电气控制系统的研究第9 1 8 月散件开始制造；第1 9 2 0 月首批散件发运；第2 4 之5 个月交付首批1 0 台散件机车；第3 7,-4 0 个月交付其余6 5 台散件机车；第4 0 4 9 个月交付2 2 5 台国产化机车。2 1 1技术转让内容及国产化安排大功率交流传动内燃机车转让内容包括了整车、柴油机和交流传动控制等1 1 方面的设计、制造、检测和质量控制等技术，具体内容如下：(1)机车总成及试验(2)车体(3)转向架(4)柴油机(5)交流传动系统(6)主变流器(7)交流传动控制(8)车载微机网络控制系统(9)主辅发电机、牵引电机、各辅助电机(1 0)制动系统(1 1)

50、辅助系统散件组装机车及零部件国产化从3 0 0 台机车的第1 台开始实施，分5 个国产化阶段逐步实现，国产化率从开始的1 7 逐步提高到8 2。其中主辅发电机、牵引电机国产化由中国北车集团永济电机厂实施，车载微机和网络控制部件国产化由中国北车集团大连内燃机车研究所实施。机车车体和转向架构架从第一台车开始，根据E M D 公司提供的图纸和技术文件，在我们公司进行制造。空气制动系统采用的是克诺尔公司生产的C C B L I 系统，而该系统在前期的其他项目上实现了国产化。此次引进的机车部分采用了国产化后的C C B I I 制动机。所以国产化的主要内容集中在柴油机和机车电气系统以及相关部件，本章以后