課外研學報告-關于電力機車的探究

課外研學報告書

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關于電力機車的探究

一、機車的發(fā)展歷史

早在1804年，一個名叫德里維斯克的英國礦山技師，首先利用瓦特的蒸汽機造出了世界上第一臺蒸汽機車。這是一臺單一汽缸蒸汽機，能牽引5節(jié)車廂，它的時速為5至6公里。這臺機車沒有設計駕駛室，機車行駛時，駕駛員跟在車旁邊走邊駕駛。因為當時使用煤炭或木柴做燃料，所以人們都叫它“火車”引，于是一直沿用至今。人類歷史上最重要的機械交通工具，早期稱為蒸汽機車，也叫列車，有獨立的軌道行駛。鐵路列車按載荷物，可分為運貨的貨車和載客的客車，亦有兩者一起的客貨車。

在1781年，火車先驅喬治.斯蒂芬森出生在一個英國礦工家庭。直到18歲，他還是一個目不識丁的文盲。他不顧別人的嘲笑，和七八歲的孩子一起坐在課堂里學習。1810年，他開始制造蒸汽機車。1817年，當斯蒂芬森決定他主持修建從利物浦到曼徹斯特的鐵路線上完全用蒸汽機車承擔運輸任務。但是，保守的鐵路擁有者卻對蒸汽機車的能力表示懷疑。他們提出，在鐵路邊上固定的牽引機，用拖纜來牽引火車。斯蒂芬森為了讓人們充分相信火車的性能，制造出了性能良好的“火箭號”機車。這種機車的卓越表現終于讓懷疑者改變了態(tài)度，利物浦--曼徹斯特鐵路因此成為世界上第一條完全靠蒸汽機運輸的鐵路線。

最早使用燃煤蒸汽動力的燃煤蒸汽機車有一個很大的缺點，就是必須在鐵路沿線設置加煤、水的設施，還要在運營中耗用大量時間為機車添加煤和水，這些都很不經濟。在19世紀末，許多科學家轉向研究電力和燃煤蒸汽機車。

世界上第一列真正在軌上行駛的蒸汽火車是由康瓦耳的工程師查理特里維西克所設計的。它的火車有四個動力輪，1840年2月22日試車，空車時，時速20公里，載重時，每小時8公里(相當于人快步行走的速度)。不幸，火車的重量壓垮了鐵軌。

1879年，德國西門子電氣公司研制了第一臺電力機車，重約954公斤，只在一次柏林貿易展覽會上做了一次表演。1903年10月27日，西門子與通用電氣公司研制的第一臺實用電力機車投入使用，其時速達到200公里。

燃油機車1894年，德國研制成功了第一臺汽油內燃機車。并將它應用于鐵路運輸，開創(chuàng)了內燃機車的新紀元。但這種機車燒汽油，耗費太高，不易推廣。

1924年，德、美、法等國成功研制了柴油內燃機車，并在世界上得到廣泛使用。1941年，瑞士研制成功新型的燃油汽輪機車，以柴油為燃料。且結構簡單、震動小、運行性能好，因而，在工業(yè)國家普遍采用。

20世紀60年代以來，各國都大力發(fā)展高速列車，例如法國巴黎至里昂的高速列車，時速到達260公里；日本東京至大阪的高速列車時這也達到200公里以上。

人們對這樣的高速列車仍不滿足。法國、日本等國率先開發(fā)了磁懸浮列車。我國也在上海修建了世界第一條商用磁懸浮列車線，由地鐵龍陽路站到浦東機場。這種列車懸浮于軌道之上，時速可達400－500公里。但我相信磁懸浮列車并不是人類研究火車的終點，而應該是一個新的高度上的新起點。中國第一輛火車

古老火車中國磁懸浮列車

中國磁懸浮新湖明珠號

中國高速火車－動車組

中國子彈頭動車組和諧號日本、法國、德國是當今世界高速火車技術發(fā)展水平最高的三個國家。

法國高速火車

二、電力機車的動力原理

1879年出世的世界第一臺電力機車，是利用兩條鐵軌之間的第三條軌將電力引進機車里的，但是這種供電方式適合于電壓和功率都比較低的情況。隨著電力機車的發(fā)展，要使它跑得快，運載量大，就得提高電力機車供電系統(tǒng)的電壓和功率，因而需要使用高壓輸電線和變電裝置。在這種情況下，就不能再使用設在地面上的第三條軌供電的方式了，因為這既不安全，又給使用帶來不便。

1881年，德國試驗成功一種適合以高壓輸電線供電的電力機車新的供電系統(tǒng)，叫做“架空接觸導線”供電系統(tǒng)，也就是將電力機車的供電線路由地面轉向空中。實際上，這種供電系統(tǒng)和現在城市中的有軌電車相似，在車頂上裝著一條“長辮子”。它與以前使用蓄電池的電動機車的主要不同在于，它自身不帶電源，由電廠供電，所以機車的結構比較簡單，但需要一套供電設備。

這種裝有“長辮子”的火車，依靠裝在車頂上的受電弓子把電力從架在空中的電線上引到機車里。高壓輸電線送來的電是高達110千伏的三相交流電，必須經過牽引變電所變成25千伏的單相交流電，方能供機車使用。因此，在電力機車行駛的鐵道沿線上，每隔50公里左右設一個牽引變電所。變電所的電又被送到鄰近的沿線接觸網上，通過機車上的受電弓將交流電引到機車的整流器上，把交流電變成直流電，使直流電動機旋轉，再經過一套傳動裝置，帶動車輪轉動，機車就會跑動起來。三、交流電力機車的結構

交流電力機車由電氣系統(tǒng)和機械結構兩大部分組成。電氣系統(tǒng)包括受電弓、主斷路器、一臺大容量的牽引變壓器、4～6臺牽引電動機，兩套司機控制設備、一套由晶閘管或可關斷晶閘管構成的變流器，以及功率不等的輔助電動機和大量電器、電子器件等。此外，還有通訊設備、儀表，有些電力機車還裝有電腦控制裝置。牽引電動機裝在輪軸和轉向架上，通過齒輪傳動驅動力。受電弓裝在車頂，其余電工設備均在車體內。機械結構主要由車體、車架和轉向架構成。車體通過車架安裝在轉向架上，轉向架再通過彈性支承裝置和軸箱，將機車重量均勻地分配到各個輪對上。中國電力機車的每軸載重量為23t。

四、交流電力的電氣原理

交流電力機車所用電能從接觸網獲得,再由裝在車頂的受電弓導入車體，然后經過主斷路器進入牽引變壓器的原邊,降壓后輸入特殊形式的整流器(變流器)和電抗器,使之成為電壓可以平滑調節(jié)的直流電流，供給牽引電動機。通過調節(jié)整流器的直流輸出電壓，即電動機的端電壓以及電動機的勵磁電流，實現機車的起動和調速。

交流電力機車的電氣原理圖

五、交流電力機車的特點

交流電力機車由于接觸網供給的是交流電,因此在牽引變電所中不需要整流裝置，比直流電力機車供電設備簡單、經濟。交流接觸網的電壓高、電流小、所需的牽引變電所因距離加大而數量減少，故比直流供電系統(tǒng)更為經濟，同時機車的功率也大為提高。因接觸網電壓高、電流小，接觸點的用銅量和損耗都相對減小。牽引電動機的端電壓由車內的變壓器供給，不受接觸網電壓的限制，可以選擇對電機最有利的電壓定額，從而提高了牽引電動機的可靠性和經濟性。

此外，交流牽引變電所還可以與其他供電網連接起來，統(tǒng)一供電，促進鐵路沿線地區(qū)的電氣化。因此用工頻交流電的交流電力機車，在要求功率強大，運行地區(qū)寬廣的鐵路干線電力牽引中，得到了世界范圍的發(fā)展。由于交流電力機車采用單相交流接觸網，僅有一條架空導線（另一導線由鐵路鋼軌實現），對其沿線的導體產生不對稱的電磁影響，故對沿線通信線路的干擾較大，通信電纜需要屏蔽，或者改用微波通信及光纖通信，因此增加了投資費用。此外,交流電力機車上的電器設備絕大多數為變流裝置,這些裝置（如常用的相控整流器）難免給電網帶來較多的諧波分量污染和供電質量問題；因機車中整流器的相位控制，使電網電流滯后于網壓，這種相位后移和諧波分量，又降低了電網的功率因數。

六、交流電力機車的發(fā)展前景

電力機車雖然問世較早，但直到20世紀60年代才開始受到人們的重視，被大量普遍

地使用起來，已成為鐵路機車家族中的佼佼者。目前，有的國家已制成了具有萬匹馬力的電力機車，使火車的速度超過了每小時200公里。還有的在研制14000馬力的大功率電力機車，將會使火車的速度得到進一步提高。由此可見，電力機車將有著美好的發(fā)展前景。

用鼠籠式感應電動機驅動的交流電力機車，因鼠籠式電動機簡單、可靠、造價低、重量輕、體積小、易于維護檢修、防潮和抗有害氣體性能好、牽引特性硬等優(yōu)點，可以防止機車輪對和鋼軌間的打滑（空轉），運行部分的牽引特性又可調節(jié)成恒功率性能，最大程度地利用了機車上機電設備的功率。因此，這種電力機車具有重載、高速、可靠等特點，是電力機車的發(fā)展方向。

由于我每次從家里到學校都要坐火車，因此關于火車的未來我也有很多想法。大家都知道火車晚點是很正常的，但是每個人都希望火車能準時到站，我想晚點不僅僅是單輛火車的速度或者其他方面的問題，更重要的是與鐵路系統(tǒng)的調度有關。這就需要更完善的調度制度和更合理的管理方案。還有火車硬座座位的設計接近九十度，這樣的座位對長途旅客來說容易引起腰酸背疼和其他不適感，將來的火車設計必將會越來越人性化。

記得有一次回家，火車上播放廣播講到關于火車的科普小知識，里面說到現在的火車都安裝了“黑匣子”，這種裝置類似于飛機上的黑匣子，能夠實時記錄火車的運行速度、顯示軌道狀況和列車的運行細節(jié)，為列車的安全運行提供了更可靠的保障。同時還安裝了全球定時定位系統(tǒng)。我想隨著科學技術的發(fā)展，列車的運行將會越來越安全，運行速度也會的到很大的提高

希望有一天火車也會像現代戰(zhàn)斗機一樣實現無人駕駛。

擴展閱讀：關于電力機車新技術應用的調研報告

關于電力機車新技術應用的調研報告

一、摘要

近年來,為了適應“提速、重載”的要求,功率大、性能技術先進的新型國產內燃、電力機車的投人運用,成為我國鐵路運輸的主要牽引動力。自1995年以來,我國鐵路機車迅速更新換代,不僅蒸汽機車迅速退出歷史舞臺,而且國產第一代內燃機車和第二代內燃機車的早期產品也批量報廢,國產第一代電力機車早期產品已開始批量報廢,第二代國產電力機車正通過大修改造為第三代相控電力機車。近年來,大批量生產的是適應“提速、重載”的第三代內燃、電力機車,并在積極研制第四代新型內燃、電力機車。本文擬就我國電力機車新技術做一個簡單的調研報告。

二、調研基本情況

（一）調研地點：北京機務段

（二）調研時間：201*年9月28日201*年10月28日（三）調研方法：

本次調查主要通過文案調查法和詢問調查法對交流傳動技術和微機控制技術進行更深一步的調研。（四）調研目的：

通過對機車車輛新技術的調查了解，我們可以更好的掌握高速重載電力機車車的原理、構造、性能及交流傳動的基礎理論和最新技術，具備機車運用、保養(yǎng)和維修的能力，并能夠應用先進技術對機車進行故障分析和診斷。在學校學習期間，我們主要學習了變流技術基礎知識、機車電子電路兩部分。主要學習晶閘管器件原理、參數，單、三相整流電路，無源、有源逆變電路原理、參數計算；機車電子電路的原理及常見故障的分析處理方法。通過這次調查使我的對機車電子

電路原理，具有分析整流、逆變電路的能力、對機車電子電路常見故障處理的能力可以有顯著的提高。并且對交流傳動技術和微機控制技術有了更深一步的了解。

三、調研內容

（一）交流傳動技術

1.交流傳動技術的發(fā)展概況

我國交流傳動技術的研究始于20世紀70年代初，可說是起步不晚，但國際上20世紀80年代初交流傳動機就已經進入商用化，技術日趨成熟。因此鐵道部主管領導曾指出，我國發(fā)展交流傳動不要更在別人后面KK，后GTO，再IGBT一步一步地走老路繞彎子，應跨過GTO階段，直接發(fā)展IGBT技術，縮短我國已國際上當今先進技術的差距。

20世紀90年代我國有株洲電力機車研究所和鐵道部科學研究院共同研究院共同研制的，功率達1000kW的電力牽引交流傳動系統(tǒng)獲得成功。在此基礎上由南車集團株洲電力機車有限公司、株洲電力機車研究所于1996年共同研究的4軸4000kW,我國第一臺交流傳動電子機車誕生。已AC4000命名的交流傳動機車的研制，標志著我國電力機車金屬交流傳動時代。

我國同時也進行著交流傳動內燃機車的研制。1999年9月8日我國首臺交流傳動內燃機車“捷力”型吊車內燃機車研制成功，它標志我國機車工業(yè)有直流傳動向交流船從轉換發(fā)展戰(zhàn)略邁出關鍵的一步。交流傳動機車是以現金的交流傳動技術替代傳統(tǒng)的直流傳動技術的新一代機車。是我國鐵路機車發(fā)展的方向和主流機車。目前只有美國、德國、日本等少數生產。

未來十年將是鐵路機車交流傳動技術“十年轉換”工程的關鍵時期。交流轉動電力機車和內燃接車牽引運載裝備將成為牽引動力主流。通過與國威合資研發(fā)生產、引進技術，200km/h及以上交流傳動電力機車、內燃機車和動車這要到達產業(yè)化，交流傳動電力牽引擺式列車技術在工程換上將有所突破，構成具有自主知識產權的擺式列車技術，滿足既有線路客運進一步提速的要求。交流傳動技術將為我國鐵路牽引動力的發(fā)展和技術升級換代做出貢獻。

2、交流傳動技術的原理簡介

交直流傳動電力機車是采用直流供電,，由直流或脈流串勵電動機牽引的機車。其優(yōu)點是串勵電動機具有“軟特性”，在電源電壓一定時,電動機的轉速和轉矩中隨著負載阻力的變化而自行調節(jié)，特別適合機車牽引特性的要求。其缺點是電機結構復雜，用銅多、重量大、維修不便，且由于換向器能力限制,負載大時易環(huán)火，故無法進一步提高電機功率。交流傳動電力機車是采用交流供電，交流異步電動機牽引的機車，其優(yōu)點是交流異步電動機結構簡單、維修方便、體積小、重量輕、功率大，而且粘著利用率高，電機恒功區(qū)寬，特別適合大功率機車采用。其難點是交流異步電動機必須采用變頻調整，且大功率變頻器不僅技術難度大，而且需要大功率高性能的電力電子元件。

國產電力機車交流傳動裝置，基本上均采用架控供電方式的交直交電傳動系統(tǒng)。電力機車的供電方式分為集中供電、架控供電和軸控供電三種。由一臺大功率牽引逆變器向機車所有電機供電，稱為集中供電方式由一臺牽引逆變器向一個轉向架的幾個電機供電，稱為架控供電方式；由一臺牽引逆變器向一個動軸上的一個電機供電，稱為軸控供電方式。因架控供電的逆便變器功率和數量適中，并且于實施軸重轉移電氣補償，因此，國產交傳動電力機車均采用架控供電方式。

交直交電傳動機車的關鍵部件是牽引逆變器，它承擔著將電壓穩(wěn)定的中間直流電轉換為電壓和頻率均可調的三相交流電的任務，目前已經歷了三代逆變器的發(fā)展過程。第三代牽引逆變器以智能功率模塊為元件，它性能更好，關斷電流大，開關頻率很高。

3、交流傳動技術的特點及優(yōu)點

人們很早地認識到交流傳動的優(yōu)越性。交流傳動技術是一門綜合技術，但其本質的特點是牽引電動機采用了交流異步電動機，其一系列的優(yōu)點都是由此而表現出來的。交流傳動接車所以成為現代機車發(fā)展方向，正是由異步電動機的特點和有點所決定的。和傳統(tǒng)的串激直流電動機驅動系統(tǒng)相比，交流異步電動機驅動

系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現在機械、絕緣、耐熱、耐潮、黏著、維修、概率、質量尺寸等諸多方面。交流轉動功能具有構造簡單，黏著性能好，功率大，牽引力大，可靠性高，維修簡便等優(yōu)點。

（二）車載微機控制系統(tǒng)

1、微機控制系統(tǒng)的基本概念

控制系統(tǒng)一般都具有三個要素，即控制對象、信息處理機構、執(zhí)行機構�？刂茖ο蠼o出控制目標；信息處理機構將目標值和實際情況進行比較、運算，給執(zhí)行機構發(fā)出動作指令；執(zhí)行機構根據接收到的動作指令進行調節(jié)，以求達到或盡量接近目標。

控制系統(tǒng)有開環(huán)指控和閉環(huán)控制之分。在開環(huán)控制中，輸出信號不反饋到信息處理機構；在閉環(huán)控制中，信息處理機構是根據給定目標與反輸出反饋信號的差值來進行控制。毫無疑問，閉環(huán)控制比開環(huán)控制易于穩(wěn)定并具有較高的精度。

一個復雜的控制系統(tǒng)可以由多個閉環(huán)系統(tǒng)組合而成，如速度環(huán)、電流環(huán)、電壓環(huán)等等。SS型電力機車微機控制系統(tǒng)，不論在正常工況還是故障工況下都采用閉環(huán)控制，有系統(tǒng)自動調節(jié)，從而減輕司機的勞動強度，簡化司機的操縱程序。

在電力機車上，微機的控制目標主要是電機電樞電流和機車速度，信息處理機構是微型計算機，執(zhí)行機構是晶閘管變流裝置。機微機根據司機給定的手柄級位以及實際一車速度來調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，從而是機車穩(wěn)定運行在司機希望的工況。

SS8型電力機車是國產電力機車中首次采用微機控制制度車型。以往的機車都采用模擬控制，如SS3、SS4改和SS7型機車等，它們都是采用以運算放大器為基礎的模擬控制方式。隨著電力電子技術、半導體集成技術的發(fā)展和控制要求提高，用為微機控制來取代模擬控制是牽引動力技術發(fā)展的必由之路，他標志著機車控制技術水平上升到新階段。

2、電力機車計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況

國產交直傳動電力機車控制系統(tǒng)發(fā)展經歷了有接點控制，SS1型電力機車；模擬控制，SS3型、SS4型電力機車；微機控制，SS8，SS4B,TM1，SS9，DDJ1、春城號動車SS7D和SS7E等車型。

國產交直傳動電力機車的微機控制從1987年開始研究，1991年底裝于SS4型0038號機車試運行，1993年底通過部級技術審查，1996年底通過部級鑒定，1997年開始批量生產，并推廣到各型新研制的交直傳動電力機車上。

我國研制機車微機控制技術取得了較快的發(fā)展。1994年株洲廠研制成功的SS8型電力機車采用了微機控制系統(tǒng)，能自動控制機車牽引、電制動特性，并可以進行空轉滑行保護，速度分級控制，空電取合制動控制，良動過分相控制和各種故障診斷、監(jiān)測、顯示及處理功能。1999年起大同廠和株洲電力機車研究所生產的SS7D、SS7E等型電力機車，均采用了微機控制系統(tǒng)。近年來，由株洲電力機車研究所等單位研制成功的、具有國際先進水平的電力機車分布式網絡控制系統(tǒng)，在201*年株洲廠新制黔“奧星號”和“中原之星”號電力機車上采用。機車網絡控制系統(tǒng)由若干個微機柜、司機室顯示器和網卡所組成，是機車的神經中樞，它將列車控制、自動保護、監(jiān)控記錄、智能顯示器、各車輛控制、牽引控制、制動控制、輔助系統(tǒng)控制、車門及軸溫和空調監(jiān)視等裝置有機地連為一個整體，可有效實現整列車的控制、檢測、診斷、安全防護及旅客信息管理等功能，大大提高列車的可靠性、安全性、實時性。采用機車微機網絡控制系統(tǒng)，是國內的首創(chuàng)，株洲電力機車研究所，致力于加快機車網絡控制系統(tǒng)的研制推廣。今后國產機車的微機控制系統(tǒng)將由目前的集中控制方式提高到分布式的機車網絡控制系統(tǒng)。

3、微機控制系統(tǒng)的原理特點

目前，國產機車微機控制系統(tǒng)大都采用集中控制方式，機車上幾大控制部件，如機車微機控制裝置、調速器控制或變流器控制單元等，集中裝在微機柜內，其功能相當集中，各種信號檢測裝置遍布全車，而控制目標給定裝置司機控器和診斷顯示屏微機顯示屏裝在兩端司機室內，各種部件通過機車總線相連接共同完成機車控制任務。機車微機控制系統(tǒng)有以下特點：

不僅需要有硬件，而且需要軟件，硬件可以是通用的,而軟件是靈活可變的。

對不同的機車控制要求，微機系統(tǒng)可采用相同的硬件，而以改變軟件的方式來實現。

在微機控制中只有輸人和輸出部分與模擬控制相似，而中間運算過程為數字運算。所有輸入的模擬信號，須經轉換成數字量送入中央處理器處理同樣，中央處理器送出的數字量，也須經轉換成模擬信號輸出。由于數字量本身不受環(huán)境溫度影響，因此，微機控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

由于微機控制系統(tǒng)元器件集成度高，控制功能增加，控制速度快，而且大量的控制功能由軟件來實現，只要中央處理器工作正常，軟件執(zhí)行就不會錯，因此，微機控制更可靠。

微機本身具有記憶功能，可存儲大量信息，以及某些特定時刻的信息可以進行邏輯判斷，實現復雜的控制可以進行自檢，故障檢索和故障監(jiān)控等工作,具有智能的特點�？傊�，微機控制具有通用性、靈活性、重現性、可靠性和智能性等特點，是機車控制的發(fā)展方向。

四、調研結論與建議

通過此次調研是我了解到，近年來，我國鐵路在高速技術、重載技術、管理技術、安全技術和信息技術等方面均取得了重大進展。特別是201*年4月18日我國鐵路順利時間第六次大提速，更引發(fā)了鐵路牽引領域以告訴動車組和大功率交流傳動機車位載體的鐵路牽引技術的巨大進步與飛躍。以三項交流傳動技術、微機控制及診斷技術、高轉速向架和徑向轉向架技術、機車柴油機電子噴射技術等為代表的牽引動力領域的典型領先技術已日益融入我國鐵路科技現代化進程。

為了使我國鐵路機務系統(tǒng)的從業(yè)人員方便學習掌握這些技術，提高專業(yè)素質，建議更全面的發(fā)展學習電力機車新技術，以更好地完成實踐，運用新技術到實際工作中去，可以更高效更科技的做好機務工作。

致謝

本論文是在多位老師指導下完成的。在論文撰寫期間，老師們給了我許多指導，也得到了現場有關人員的幫助，再次，對老師表示衷心的感謝和敬意。由于本人水平有限，論文中有許多不足之處，敬請指正。對引用的技術資料、參考書目的有關作者也在此一并致謝。

參考文獻

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