模块0 绪论《列车电力传动与控制》教学课件

《列车电力传动与控制》✩精品课件合集第X章XXXX模块0绪论绪论

0.1列车电力传动系统基本类型

0.2电力传动技术的发展趋势0.3本课程的性质、任务及要求附件1铁路运输发展附件2铁路牵引动力发展历程使用教材：列车电力传动与控制

张喜全主编西南交通大学出版社列车电力牵引传动控制系统作为电气传动控制系统的一个独立分支，在交通运输牵引动力领域发挥着重要作用。在交通运输领域采用电动机驱动的电气传动部分,称为电力传动控制系统。它是以牵引电动机为控制对象,通过开环或闭环控制系统对牵引电动机的转速和转矩实施控制,以达到对驱动对象的控制与调节。根据牵引电动机工作电流性质的不同，电力传动系统可分为直流传动系统和交流传动系统。电力传动控制系统其覆盖范围很广，包括铁道机车与动车组、城市轨道交通车辆和电动车辆等领域的电气传动控制。铁道机车主要有电力机车、电传动内燃机车，铁道动车组主要有内燃动车组(DMU)和电力动车组（EMU）；城市轨道交通车辆主要有地铁、轻轨及中低速磁悬浮列车等；电动车辆主要包括无轨电车、有轨电车、电动汽车及双动力汽车等。铁道机车、动车组和城市轨道车辆在传动方式上具有相似性，一般将它们统称为轨道列车。本课程以轨道列车为主线，从电气传动与控制原理出发，根据电能供给形式方面的差异，融合电力传动内燃机车与电力机车之共同点，以大机车的视角，系统介绍列车电力牵引传动控制系统的基本概念、高速动车组和现代机车交流传动控制的工作原理。分析电传动内燃机车、电力机车/EMU、城轨列车的电力传动与控制系统。同时结合铁路牵引动力的变革和现场运用实际，处理电力传动技术的延续性和继承性，以较少篇幅继承现有技术，对交-直流传动主型机车的技术特征加以归纳分析。列车电力传动系统是一个需要广调速的传动系统，调速系统要保证列车在可运行速度范围内实现高效、平滑的速度调节，具有良好的静态性能和动态性能，满足列车牵引需要。2024/8/2250.1列车电力传动系统基本类型

列车电力传动系统一般由能源供给单元、变换单元、动力输出单元和控制单元等几部分组成。能源供给单元为系统提供适当地工作能源，一般有一次能源石油和二次能源电能。一次能源主要为柴油，二次能源电能通过接触网线提供；变换单元是将工作能源通过相应的装备变换成为动力输出单元（负载）所需要的电能，提供给动力输出单元。柴油机将一次能源柴油转换为机械能，拖动牵引发电机组工作产生电能。接触网线上的二次能源电能通过车载受电装置引入车内，经变流环节变换为合适的电能，供给动力输出单元；动力输出单元主要由牵引电动机、传动装置和转向架轮对组成，牵引电动机接受电能并将其转换为机械能从转轴上输出，通过传动机构带动车轮旋转，在轮轨之间产生牵引力或制动力，牵引列车运行；控制单元是电力传动系统的中枢神经部分，承担着整个系统各单元内部及相互间的控制和通讯任务。列车电力传动系统的基本组成框图如图0-1所示。0.1.1列车电力传动系统分类列车电力传动系统的分类方法很多，可以按能源供给方式分类，也可按照牵引电动机工作电流的性质分类。1.按照能源供给方式分类按照能源供给方式的不同，可分为自备能源系统和外接能源系2024/8/227统。自备能源系统主要为电传动内燃机车，外接能源系统的外接能源为电能，主要有电力机车、电动车组（EMU）、城市轨道列车和中低速磁悬浮列车等。内燃机车为自备能源的机车，目前大功率内燃机车的传动装置主要有电力传动和液力传动两种，受国情和技术习惯的影响，各个国家采用的传动方式以及对两种传动方式的认识也有所不同。液力传动具有质量轻、耗铜少、运营维护保养简单及成本低等优点；电力传动具有效率高、工作可靠、自动化程度高和综合性能优异等优点。一般机械、液压技术制造能力强的国家倾向于生产和应用液力传动机车，诸如德国、奥地利、日本等，其他绝大多数国家主要生产和使用电力传动内燃机车，我国一直以发展电传动内燃机车为主，曾经生产、进口过一些液力传动内燃机车，现已全部退出国铁2024/8/228干线牵引，现服役和生产的的内燃机车全部采用电力传动。曾经倾向于液力传动的国家，由于受市场销售影响以及电力传动技术的不断进步，也逐步放弃液力传动转向电力传动内燃机车的研制与应用，因此，电力传动已成为内燃机车的主流传动模式。电力传动内燃机车是由柴油机驱动一台牵引发电机，将柴油机输出的机械能转换为电能供给变流装置，经变流装置变换后向转向架上的牵引电动机供电，牵引电动机获得电能后将其转换为机械能通过传动齿轮箱驱动机车动轮旋转，在轮轨之间产生牵引力驱动列车运行。电力机车、电动车组为外接能源的动力装置。现代电力机车、电动车组均采用单相交流供电制式，通过受电弓从接触网线上受流，将电能引入车内，经过适当地变流后输出给牵引电动机，牵引2024/8/229电动机将电能转换为机械能驱动轮对旋转，在车轮与钢轨间产生牵引力，驱动列车运行。城市轨道列车、中低速磁悬浮列车也为外接能源的动力装置，由于功率相对较小，一般采用直流供电方式。2.按照工作电流性质分类按照牵引电动机的工作电流不同，列车电力传动系统可分为直流传动系统和交流传动系统。结合牵引发电机输出电压或接触网电压的不同性质，在内燃机车中，牵引发电机、牵引电动机都有直流、交流之分，其电力传动系统可进一步划分为直流-直流传动、交流-直流传动和交流传动。城市轨道列车、中低速磁悬浮列车电力传动系统可分为直-直流传动系统和直-交流传动系统。在单相交流供电制式下，电力机车、电动车组的电力传动系统2024/8/2210可分为交-直流传动系统和交流传动系统。根据工作电流性质的不同，综合能源供给方式的差异，列车电力传动系统总体上可分为直流传动系统和交流传动系统两个大的类别，而直流传动系统又可进一步划分为直-直流传动和交-直流传动。因此，列车电力传动系统由直-直流电力传动系统、交-直流电力传动系统和交流电力传动系统组成。列车电力传动系统的基本类型如下所示0.1.2直流电力传动系统直流电力传动系统是以直流牵引电动机作为驱动电动机，实现机电能量转换，驱动转向架上轮对旋转，在车轮与钢轨的作用下产生牵引力，完成列车牵引。由于电源性质不同，直流电力传动系统由直-直流电力传动系统和交-直流电力传动系统组成。长期以来受电源技术限制，列车电力传动系统主要采用直流电力传动系统，以直流牵引电动机作为驱动电动机，主要是由直流牵引电动机具有优异的调速性能所决定的。直流牵引电动机从电磁过程来看是一个双端励磁的电动机，其磁场电流和电枢电流可独立进行控制，调节控制很方便，其起动、调速性能和转矩控制特性比较理想，并容易获得良好的动态响应。特别是交-直流电力传动系统,曾经是列车电力传动系统的主要传动模式，在列车电力传动以及其2024/8/2212他工业电气传动领域发挥了重要作用，至今仍在许多国家和地区在用列车牵引中充当着主力军作用，我国干线列车牵引机车仍以交-直流电力传动系统为主，交-直流电力传动机车保有量很大。尽管直流电力传动系统具有理想的牵引性能，然而不可否认，直流牵引电动机由于电枢结构复杂、惯量较大，存在接触式的机械换向器，运行中不可避免的产生换向火花，很容易发生环火（正负电刷间短路）故障，在一定程度上降低了电动机运行可靠性。为了保证电动机能够可靠换向，严格限制换向器上各换向片间的电压，同时又受电枢机械强度的限制，其输出功率和最高转速都基本达到了极限值，直流传动系统遇到了不可逾越的障碍。至今直流牵引电动机的设计制造能力很难超过1000kW，最高运行转速均在3000r/min以下，制约了直流传动机车功率的进一步增加。2024/8/22131.直-直流电力传动系统直-直流电力传动系统就是采用直流电源供电的直流传动系统，牵引发电机输出电压或接触网供电电压为直流。直流电能供给直流牵引电动机将其转换为机械能驱动轮对旋转，在轮轨之间产生牵引力。牵引电动机采用直流串励电动机，是由直流串励电动机的优点所决定的。直流串励电动机具有适合牵引的软特性，过载能力强，通过改变电枢两端电压或对其磁场进行削弱，就可调节电动机转速。因此曾被普遍应用于内燃机车、小电力机车、地铁列车和城市电车上。直-直流传动内燃机车采用直流牵引发电机和直流牵引电动机。柴油机拖动直流牵引发电机发电，将输出的直流电能供给数台直流牵引电动机，牵引电动机将直流电能转换为机械能，通过传动齿轮箱驱动车轮旋转，在轮轨间产生牵引力。在该传动系统中，牵引发电机采用他励直流发电机，通过调节励磁电流来改变发电机的输出电压、电流；牵引电动机采用直流串励电动机，通过改变电枢两端电压或对其磁场进行削弱，就可调节电动机转速。早期的内燃机车中使用直-直流电力传动方式，由于当时对机车功率要求不高，直流牵引发电机的性能、容量能够满足需要，故使这种传动方式持续了很长时间，生产了许多直-直流传动的内燃机车，如我国的DF1～DF3型、进口的ND1、ND2型等机车都属于此类传动方式。直-直流电力传动装置如图0-2所示。直流牵引发电机因受换向条件、机车限界尺寸及轴重等因素限制，单机功率被限制2200kW以下，致使机车功率受限制。从上世纪六十年代后期，随着柴油机制造技术、交流电机技术和电力电子技术的不断进步，为发展大功率内燃机车提供了技术支持。交流牵引发电机的应用克服了直流牵引发电机存在的不足，满足了内燃机车朝更大功率发展的需要，形成了交-直流电力传动方式，推动了内燃机车电力传动技术的进步。地铁列车与城市电车采用直流外供电源，单机功率较小，直流牵引电动机的工作定额一般为短时制，在许多城市应用比较成熟。2.交-直流电力传动系统交-直流电力传动系统就是采用交流电源供电的直流电力传动系统。交-直流电力传动内燃机车与电力机车的电源均为交流电，2024/8/2216但在性能上存在着较大的差异。内燃机车牵引发电机输出三相交流电，频率较高，一般为工频的2倍以上，但电压较低；电力机车与EMU通过接触网获得高压单相工频交流电，需经牵引变压器降压。对于内燃机车，三相同步发电机作为牵引发电机，由柴油机驱动产生三相交流电能，通过大功率硅整流器将三相交流电变换为直流电，供给数台直流牵引电动机，如图0-3所示。交-直流电力传动内燃机车既保留了直流牵引电动机，又采用交流牵引发电机与硅整流器来取代了直-直流传动系统中的直流牵引发电机，使得传动系统结构简单、运行可靠、省铜、维护保养简单。在功率相同的条件下，交流牵引发电机的质量只有直流牵引发电机的二分之一。交流牵引发电机的功率不受2200kW的限制，在总体布置限界范围内，发电机的功率都可以满足需要。因此，在交-直流电力传动系统中，2024/8/2217牵引发电机功率不再是制约机车功率增大的因素。交-直流电力传动一度成为国内外大功率内燃机车的主要传动方式，曾研制生产了许多型号的此类机车，保有量巨大，在许多国家至今仍为主型机车。美国GE公司的Dash8系列、GM公司的EMD-60系列，我国生产的DF4～DF11G型以及进口的ND4、ND5型内燃机车均属于此类传动方式。对于电力机车与电动车组，由接触网提供单相工频高压交流电能，通过车载受电弓将单相高压交流电引入车内牵引变压器原边绕组，经变压器降压在副边绕组上输出1000V左右的单相交流电，供给可控整流器，进行相控调压，输出交流分量较大的脉动电压，经平波处理后送给直流（脉流）牵引电动机，完成机电能量转换，驱动列车运行。其工作过程如图0-4所示。交-直流传动电力机车由于相控整流器输出电压品质较差，牵引电动机采用脉流电动机，励磁方式主要为串励方式，具有较大的起动能力和较好的恒功率性能，少数系统也采用他复励方式。此类机车曾经持续发展了许多年，技术非常成熟，成为许多国家客货运输的主型电力机车。我国生产的SS3B～SS9G型机车都属于此类电力机车，仍在担当着繁重的客货运输列车的牵引任务。2024/8/2219交-直流传动的内燃机车、电力机车，由于供电电源方面的差异，其电流变换、调压电路结构不同，供给牵引电动机的电源品质差异较大，导致主电路结构不尽相同，牵引电动机同为直流（脉流）串励电动机，能够获得良好的牵引性能，但直流（脉流）牵引电动机固有的不足，诸如电枢结构复杂、换向问题及可靠性等，依然制约着电动机单机功率、转速的进一步提高，影响了此类机车的应用，不能适应高速、重载运输对牵引动力的更高要求。解决这一问题，只有从提高牵引电动机的功率、转速入手，采用交流牵引电动机是最佳选择。经过不懈努力，事实证明：只有交流传动才能使内燃、电力机车再创辉煌。0.1.3交流传动系统随着铁路运输向着高速、快捷化方向发展的需要，对牵引动力装置提出了高速、大功率要求，具体体现在牵引电动机上就是要提高转速、增加单机功率，这对直流传动系统而言是致命的弱点。相对于直流牵引电动机而言，三相交流笼式转子异步电动机具有结构简单，没有换向器不存在换向问题，惯量小，运行可靠，单机功2024/8/2221率大且可在更高转速下运转。因此采用三相交流笼式转子异步电动机作为牵引电动机，可以很好地解决直流牵引电动机存在的不足，满足现代列车牵引传动系统对于高速、大功率之需求。目前交流异步牵引电动机单机设计制造水平可超过2000kW，运行转速超过4000r/min，最高试验转速达到7100r/min，已装车最大功率达到1840kW。从功率、转速上看，交流异步牵引电动机具有很大优势，完全能够满足现代列车对速度、牵引力的需求。但从调速性能方面来看，交流异步牵引电动机实现平滑调速比较困难。交流异步电动机属于单端励磁的电动机，电动机工作所需的磁场及作功能量均需由定子绕组上输入，建立磁场的无功电流与对外输出机械功率的有功电流都来自定子同一电流，相互耦合在一起，即定子磁场与转子磁场之间存在相互耦合，不能对其分别进行独立控制，使得调2024/8/2222速特别是平滑调速异常困难。在“电机与拖动”课程中，曾讨论过交流异步电动机可能的调速方法有三种，即改变磁极对数调速、改变转差率调速和改变频率调速。改变磁极对数调速最多只能得到3～4个转速等级，属于有级调速；改变转差率调速是在不改变电动机同步转速的前提下进行的调速，只适合于绕线式转子，调速范围很有限，调速过程存在着效率低损耗大等不足；改变频率调速就是通过改变电动机输入电源的频率，进而改变电动机的同步转速实现调速的一种方法，与改变磁极对数调速和改变转差率调速有着本质上的不同，在高低速范围都可以保持很小的转差率，具有调速范围大、效率高、调速精度高等优点，是交流异步电动机最理想的平滑调速方法，但需一套高性能的变频电源。也就是说，交流异步牵引电动机实现平滑调速的关键是变频电源，也是交流传动技术发展的关键。2024/8/2223寻求新的电力传动方式是解决铁路运输高速、重载发展的关键要素之一。为此，从20世纪70年代开始，以德国、法国、日本为代表的发达国家相继开展了对交流传动技术、变频电源的工程研究与应用，在异步牵引电动机的研发、控制方式方面取得了突破性的进展。1971年德国DE2500型内燃机车的研制成功，揭开了交流传动技术发展的序幕，其优异的技术性能极大地促进了交流传动技术在牵引动力领域的广泛应用。80年代，交流传动技术以法国TGV列车及德国E120型电力机车的成功应用为起点，其优越性能得到了充分发挥，开始在全球广泛应用。德国在90年代基本完成了从直流传动技术向交流传动技术的过渡与跨越，实现了交流传动技术的工程化与产业化，相继研制了许多系列的交流传动机车、动车组及城市轨道列车，满足了铁路运输发展需要，提升了牵引动力装置的技术水平.2024/8/2224交流传动技术无可争议地成为现代列车的主流牵引传动方式，正在快速替代直流传动系统。与此同时，随着微型计算机技术、网络技术的发展与广泛应用，列车控制技术也发生了革命性的变化，从传统的控制方式进入到了微机网络控制时代，微机网络控制已成为主流控制模式，正在发挥着重要作用。列车走行部作为列车运行的重要载体，高性能走行部设计制造技术取得了重大突破，以高速转向架、径向转向架为代表的现代转向架技术，在高速、重载列车的发展中发挥着重要作用。因此，采用交流传动技术、现代转向架技术和网络控制技术是现代列车的主要技术标志。轨道列车交流传动系统，目前主要以采用三相交流异步牵引电动机作为驱动电动机的电力传动系统，主要有交-直-交流传动和直-交流传动二种形式。1.交-交流传动系统交-交流传动系统是将某一频率的交流电源直接供给变频器，经逆变器变换以后，可获得频率可调的交流电源，供给交流牵引电动机。对于采用单相交流供电的系统，变频器只能改变频率提供单相变频电源，不能向三相交流牵引电动机供电，此交流传动系统不适合作为电力机车的传动。对于三相交流电源而言，经过变频器可直接改变输出频率，为交流牵引电动机供电，从工作原理上看适合内燃机车的交流传动。在交-交流传动中，变频器的输入频率与输出频率之间有着直接的关系，此类变频器的输出频率总是低于其输入频率，一般最高输出频率仅为输入频率的三分之一。因此，它适合于调速范围很小、运行转速很低的系统。以柴油机作为原动机的传统内燃机车，因柴2024/8/2226油机额定转速较低，三相交流同步发电机的输出电压频率很有限，使牵引电动机的最高运行转速很低，不能满足机车调速要求。也就是说，交-交流传动系统不适合作为当前内燃机车的传动系统，至今也没有应用的范例。对于自备发电装置的牵引动力装置而言，当原动机的转速足够高时，交流同步发电机将可输出频率较高的三相交流电，经直接变频后可获得调速所需的最高频率，满足牵引调速需要。因此，交-交流传动系统适合于由高速原动机驱动的动力系统，诸如燃气轮机驱动的牵引动力系统-燃气轮机车等。2024/8/22272．交-直-交流传动系统交-直-交流传动系统是具有中间直流环节的间接变流系统，输入的交流电源与输出的交流电源之间完全独立，在频率上没有任何关系，其变流过程由交-直流变换和直-交流变换两部分组成。交-直流变换是将输入交流电源通过变流器变换为直流电，此变换为整流过程；直-交流变换是将平直的直流电通过变流器转换为频率、电压均可调节的三相交流电，即VVVF，供给三相交流牵引电动机实现机电能量转换和转速、转矩的控制，为列车运行提供动力，此变换为逆变过程。因此，交-直-交流传动系统是由整流器和逆变器组成，即网(电源)侧整流器和电动机(负载)侧逆变器，逆变器直接从中间直流环节取得电能。根据中间直流环节采用的滤波元件不同，其性能及逆变器的工2024/8/2228作特性也不同。采用电容器作为滤波元件时，中间直流环节的电压始终维持稳定，相当于电压源，此时的逆变器称为电压型逆变器；采用电感元件作为滤波元件时，中间直流环节的电流始终维持恒定，相当于电流源，此时的逆变器称为电流型逆变器。电压型逆变器与电流型逆变器的工作过程和输出特性完全不同，电路结构差异很大。在交-直-交流传动系统发展之初采用的是电压型逆变器，此传统一直延续至今。现代机车和动车组牵引电动机一般为异步电动机，电压型逆变器更适合于异步电动机工作，故交-直-交流传动系统基本都采用电压型逆变器。电流型逆变器电路结构相对简单一些，它更适合于为同步电动机供电，由于受习惯势力影响，只在一些采用交流同步牵引电动机的系统或在一些城市、市郊运输装备中使用。在未来发展中，随着永磁同步电动机的成熟应用，电流型逆变器将会得到快速发展应用。20世纪90年代，交流传动技术成为机车技术热点，被认为是现代机车的主要标志而日益风靡世界。美国厂商研发交流传动内燃机车异军突起，1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流传动内燃机车，之后又相继推出SD70MAC、SD80MAC、SD90MAC型交流传动内燃机车。在80年代一直静默的GE公司也不甘示弱，相继推出AC4000、AC6000型交流传动内燃机车。中国北车大连机车公司引进生产的HXN3型交流传动内燃机车就是以SD90MAC型为原型车，中国南车戚墅堰机车公司引进生产的HXN5型交流传动内燃机车是以AC6000型为原型车。HXN3、HXN5型均为6000马力(4474kW)大功率干线货运机车，最高运行速度为120km/h。HXN3型采用转向架集中供电方式（架控式）,HXN5型采用牵引电动机独立供电（轴控）方式。2024/8/2230交-直-交流传动内燃机车采用交流牵引同步发电机和交流牵引电动机，同步发电机输出的三相交流电通过硅整流器整流为直流电，再经过数台电压型逆变器将直流电变为频率、电压均可调的三相交流电，供给三相交流牵引电动机。中间直流环节使得逆变器输出的三相交流电的频率与牵引发电机发出的三相交流电的频率之间没有任何关系，并起到隔离换流影响的作用。在机车起动和调速的整个工作范围内，逆变器输出的三相交流电的频率和电压都能平滑地调节。在起动过程中为了充分利用粘着质量，逆变器的输出特性必须使电动机要按恒转矩的方式运行，而在正常运行时则要按恒功率方式控制。此类机车都设置有电阻制动装置，实施电阻制动时，交流牵引电动机将作为发电机工作，将机车的惯性能量转换为三相交流电能，经牵引逆变器转换为直流电能，通过开关与制动电阻接2024/8/2232通，对机车进行制动，最终将机车惯性能量变为热能，通过通风机散失在大气中。交-直-交流传动内燃机车工作原理如图0-5、0-6所示。交-直-交流传动电力机车和电动车组的工作原理相同，如图0-7所示。其系统通过受电弓将单相高压交流电源从接触网引入车内，经牵引变压器降压，由传动控制单元控制四象限整流器完成交流到直流的变换，再控制逆变器完成直流到三相交流的VVVF(变压变频)变换，向异步牵引电动机供电，对其转矩、转速进行控制。牵引时，系统从电网取用单相高压交流电，经牵引变压器降压、牵引变流器变流后，输出频率、电压可调的三相交流电供给牵引电动机，将电能转化成机械能产生牵引力。制动时，过程相反，机车惯性机械能被转化成电能，通过牵引变流器变换和牵引变压器升压，将电能回馈到电网，产生制动作用。2024/8/22333.直-交流传动系统直-交流传动系统主要应用于城轨系统中地铁、轻轨和中低速磁悬浮列车，都采用直流供电方式。直流电源通过受电弓或第三轨从电网引入，经高速断路器、滤波电抗器等高压电器再接入逆变器。在传动控制单元的控制下，逆变器将输入的直流电能变换成频率、电压可调的三相交流电，供给异步牵引电动机，实现对异步牵引电动机的转速与转矩控制，完成机电能量转换产生牵引动力并达到调速目的。地铁、城轨列车交流传动系统组成如图0-8所示。交流传动地铁、轻轨列车设置了电制动系统，电制动优先采用再生制动，也可采用电阻制动。0.2电力传动技术的发展趋势电力传动技术诞生于十九世纪，二十世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中，受当时科学技术的制约，直流电力传动应用于高性能的可调速传动系统，而交流传动多用于不需要调速的传动系统。自1879年世界上出现第一条电气化铁路以来，电力牵引经历了将近60年交流传动的初期探索，20世纪50年代初整流器电力机车的诞生，使交流传动的研究暂告一段落。至此，直流传动成为电力牵引无可争辩的主体。长期以来，列车电力传动系统主要采用直流传动系统，以直流牵引电动机作为驱动电动机，主要是由直流牵引电动机具有优异的调速性能所决定的。尽管直流传动系统具有理想的牵引性能，但直流牵引电动机由于电枢结构复杂、惯量较大，存在2024/8/2235着复杂的换向问题，在一定程度上降低了电动机运行可靠性，进一步提高单机功率、转速面临着很多困难，至今直流牵引电动机的设计制造能力很难超过1000kW，最高运行转速均在3000r/min以下，限制了直流传动系统的发展。直流传动已不能满足现代铁路高速、重载的需要。随着电力电子技术的发展、控制理论的不断完善，变频调速电源技术取得了突破性进展，为交流异步电动机平滑调速提供了可靠支撑，使交流传动技术日趋成熟，其优良的技术性能完全和直流传动媲美，引领列车电力传动技术发展潮流，在铁路高速、重载运输中发挥着巨大作用。0.2.1交流传动技术是发展趋势

交流传动是一门跨学科的综合技术，它涉及到电力电子器件、2024/8/2236变流器电路、交流牵引电动机、控制理论及微电子学等诸多学科领域。电力电子器件是交流传动技术发展的基础与支柱，传动技术的发展总是随着器件的发展而发展，新器件的出现，都使交流传动技术向前迈进一步。20世纪下半叶，电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为采用交流电动机驱动提供了重要的物质基础；交流传动系统是一个多变量、非线性且强耦合的系统，输入量一般为电压和频率，输出量则是转速、位置和转矩，输入量与输出量之间以及与气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部变量之间都是非线性耦合，使得系统模型非常复杂，而且在运行中又不可能准确测定，传统控制理论都是基于反馈环节来实现对传动系统的控制，只能保证系统的静态性能，并不能保证其动态性能。现代控制理论解决了传统控制理论所不能解决的问题，矢量控制、直接转矩控制都是在现代控制2024/8/2237理论基础上发展起来的很有发展前景的控制方法，因此控制策略的发展，为传动技术提供了坚实的理论基础；微型计算机不仅能够实现诸如控制信号的产生、运行参数的检测、传动方式的选择与转换以及信号的变换运算、存储等一般的控制，而且能够快速、高精度的对建立在现代控制理论基础上的复杂控制算法及方案进行优化。微型计算机技术的广泛应用和现代控制手段的进步，为变流技术(传动技术)进步提供技术保证，加速了交流异步电动机在广调速领域的应用。20世纪70年代初，DE2500型交流传动内燃机车的研制成功，揭开现代交流传动技术发展的新篇章，开创了交流传动技术应用的先河。80年代，交流传动技术以法国TGV列车及德国E120型电力机车的成功应用为起点，其优越性能得到了充分发挥，开始在全球2024/8/2238DE2500型交流传动内燃机车

揭开现代交流传动技术发展的新篇章（1971年）

联邦德国亨舍尔公司和瑞士勃朗-包维利股份公司(BBC)合作，共生产了3台。(202-003)B0-B0

(002/004))C0-C0其高速试验转向架用以ICE。广泛应用。90年代以来，发达国家新造的高速机车、动车组、重载机车以及客货通用机车已经全部采用交流传动技术。展望未来，交流传动机车(动车组)必将成为主型牵引动力，交流传动技术必然成为电力牵引传动系统的核心技术(关键技术)。迄今为止，交流异步鼠笼式电动机已成为运输装备交流传动系统主要的牵引电动机，甚至说是唯一仍在得以继续拓展中的电动机，其性能将更加优良。但随着稀土永磁材料技术的突破和普及，采用新型永磁材料钴、钐制成的交流同步永磁电动机，将会对异步鼠笼式电动机产生严重挑战。0.2.2模块化使内燃、电力机车平台通用采用新的工艺，改进控制系统，使电力传动装置趋向小型化、微型化及组件模块化方向发展，提高动力车主要部件的工作可靠2024/8/2242中车大连机车公司为南非Transnet公司设计的交流传动窄轨内燃机车，功率高达3300kW，轨距1065mm，Co-Co转向架，机车最高速度100km/h，可与南非当地既有电力内燃机车重联运营，是目前技术水平最先进、功率最大的窄轨机车。销售合同232台，是国内企业内燃机车出口海外最大的单笔订单。

性，延长其工作寿命。在采用新技术、新工艺的同时，融合内燃机车、电力机车结构平台，将内燃机车与电力机车结构平台通用，通过更换柴油机-发电机组或牵引变压器，就可在同一平台上实现内燃机车与电力机车的相互转换。将各种功率等级以及不同类型的机车采用统一、通用的零部件，实行集中规模化生产，充分利用先进工艺设备，提高产品质量，在一定功率等级的机车上将会实现主要零部件的通用化，诸如牵引电动机、牵引变流器、控制及通讯系统、辅助器件、制动系统、转向架、司机室等在电力机车与内燃机车上完全通用，简化使用和降低运营维修成本，其经济效益将是很显著的。庞巴迪公司的TRAXX平台首次将内燃机车与电力机车结构平台通用，只需更换柴油发电机组或牵引变压器就可实现机车类型的转2024/8/2244换。在TRAXX平台上，车体、转向架、牵引电动机、牵引变流器、司机室及操作台、控制通讯系统均完全相同。TRAXXDE内燃机车有70%的部件与TRAXXAC电力机车相同，可作为客运、货运机车使用，牵引相同定数的列车时可产生300kN的牵引力。新一代中等功率(4000HP)低轴重内燃机车需求量最大。新一代体现在节能、环保，高RAMS、低LCC交流传动机车是潮流，直流/交流传动将长期共存，但需求不一定全是交流传动，却一定是性价比高、全寿命周期成本最低的。需求趋向多品种、小批量模块化平台建设是关键！0.2.3双动力通用机车适应性更强铁路可分为电气化铁路与非电气化铁路，两者之间由于能源供给的原因使用不同类型的机车，不能实现一种机车贯通牵引，需要更换适合的机车来完成牵引任务，需要配置大量的电力、内燃机车，从机务管理、运输组织上来看都是不经济的。如何实现机车在电气化铁路与非电气化铁路通用问题，采用双动力机车就是一个很好地解决方案。所谓双动力机车，就是在一台机车上同时设置牵引变压器和柴油发电机组，既可当电力机车使用，也可作为内燃机车使用，实现真正意义上的通用机车。由庞巴迪公司研制的世界上第一台双动力机车已在北美地区应用，2011年已有46台双动力通用机车在北美地区投入运营。此机车当按电力机车方式运行时，采用单相交流25kV接触网供电，轮轴功率可达到5360马力（3942kW）；当按内燃机车运行时，将由两台2100马力(1544kW)的柴油发电机组提供动力。配置两台Caterpillar3512型高速12缸柴油机(1800rpm)每台机车价值约$1200万ALP-45DP----AmericanlocomotivePassenger,4-axles,5MW,DualPowered0.2.4采用高速柴油机实现整车轻量化目标采用高速柴油机实现低轴重的目标。因为柴油机排放指标的提高，对机车冷却能力提出了更高的要求，同时还需要增加一些前、后处理装置，如果仍用中速柴油机，对于低轴重机车则很难实现。GE公司开发了PowerHaul系列机车平台中PH37ACai型机车，主要供应欧洲市场。PowerHaul系列机车平台以其最新开发的PowerHaul柴油机为基础，是为了适应目前低轴重、大功率、高燃油效率和低排放的要求而开发的，包括12缸和16缸，将来将开发20缸三个系列。这是一款缸径190mm、行程220mm、转速1500rpm的新型高速柴油机，排放指标EUIIIA/IIIB。（1）装用最新开发的PowerHaul柴油机（2）柴油机油耗低，192g/kw.h，比EVO降低3%，整车经济性提高9%。（3）欧洲IIIA、欧洲IIIB级废气排放标准

北美内燃机车经历了从中等功率-----大功率——新一代中等功率的发展历程。目前，世界铁路内燃机车市场需求量最大的还是4000马力左右的中等功率内燃机车，但不一定全是交流传动，却一定是性价比低、全寿命成本最低的。四个内燃机车平台西门子庞巴迪福斯罗GE公司TraxxP160平台----装设4台CATC18柴油机、排放EUⅢB、内走道C18技术参数：PN522kW、nmax2100rpm、缸径/行程145/183mm、质量1332kg

外形(L×W×H)1388×921×1243mm功率输出灵活、冗余、节能机动灵活节能0.2.4牵引传动技术最新进展牵引传动技术在不断完善性能的基础上，朝着结构简单、运行可靠和轻量化的方向发展，已在无速度传感器控制技术、软开关技术、永磁同步电动机直接驱动技术、变压器小型化和轻量化技术、无变压器技术等方面取得一定地进步。1.无速度传感器控制技术目前，在交流传动系统中，高性能控制技术依赖于速度传感器。为实现高精度的转速闭环控制，必须要在牵引电动机的转轴上安装速度传感器。但是设置速度传感器不仅增加控制系统的成本，而且也是故障产生的根源，影响系统的可靠性。为了改变速度传感器不能满足传动控制对可靠性的要求，提出了无速度传感器的控制设想，可以减小牵引电动机的体积，提高输出功率/转矩（约提高转矩20%），提高传动控制系统的可靠性，避免因速度传感器故障导致的系统故障。目前无速度传感器控制技术主要有模型参考自适应控制器、全阶观测器、扩展卡尔曼滤波器和高频谐波注入控制器等。主要研究热点集中在：低速时的速度辨识、定子和转子电阻参数辨识。由于轨道电力牵引的特殊性，无速度传感器控制必须要解决：过电分相后电动机带速度重投、零速度附近稳定输出额定转矩、低速发电状态时整个控制系统的稳定性问题。2024/8/22542.软开关技术为进一步减小变流器中开关器件的开关损耗和通态损耗，采用软开关技术可以在零电流或零电压状态下实施换流。软开关需要两方面的条件：重复地使器件上的电压为零，或强迫流过器件的电流为零，并随即保持一个足够长的时间以完成换流；器件必须在零电压或零电流期间尽快完成换流过程。目前主要采用谐振直流环节和谐振吸收回路。3.永磁同步电动机直接驱动技术牵引电动机在输出功率与安装空间之间总是存在矛盾，设计中不可避免地要增加输出转速以减小电动机体积，传统的牵引电动机都是通过齿轮箱与动轮耦合。齿轮箱本省的故障也较多，在一定程度上影响着传动系统的可靠性及维修成本。若取消齿轮箱采用直接驱动，将牵引电动机与动轴直接耦合起来，电动机输出转矩不经过齿轮而直接传递到动轮上，可节省齿轮及润滑装置的制造、维修费用，消除齿轮传动的能耗，降低噪音。永磁（钴、钐材料具有很高的磁能积，对温度变化不敏感）同步牵引电动机是直接驱动的最佳电动机，也是直接驱动研究的热点，具有极对数多、转矩密度高、体积小、质量轻、输出功率大、控制简单2024/8/2255可靠性高、功率因数及效率高等优点。现代稀土永磁同步电动机朝着大功率、高转矩、微型化方向发展。西门子已研制出了500kW永磁同步电动机，AGV已采用永磁同步牵引电动机驱动。永磁同步电动机与异步电动机相比，没有励磁电流，可获得更高的功率因数（在低速时尤为突出）。在同等条件下，定子电流、铜耗较小，稳定运行时无转子铜耗，总损耗降低，通风冷却系统容量减小甚至可取消，效率可提高2%~8%，而体积比异步电动机小1/3。同时在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的功率因数和效率，使其在轻载运行和持续运行时节能效果显著。永磁同步牵引电动机因转子发热较小，可采取全封闭自冷却方式，可以大幅度降低电动机噪音外溢，减小维护。2024/8/2256车型Citadis型轻轨车AGV高速EMU最高转速rpm36004500牵引功率kW120720/760制动功率kW120720/760持续功率kW100720/760极数812电网电压DC600VDC3000V效率96%97%外形尺寸LW×H525×380×420650，直径650总质量kg285730/740Alstom研制的永磁同步牵引电动机图

永磁同步牵引电动机与异步电动机比较4.变压器小型化与轻量化技术传统电力机车、EMU采用工频变压器，存在着容量小、体积大、质量大、效率低等缺点，随着高速、重载发展需要，牵引变压器小型化、轻量化已成为下一代交流传动电力机车、EMU应优先解决的问题。主要解决方案包括硅油变压器、超导变压器和中频变压器。硅油变压器是采用硅油代替变压器油（矿物油），充分利用硅油更好的电气绝缘性能、高燃点、自熄性等特点，增大容量，实现牵引变压器小型化。硅油电气强度高，可以缩小电气绝缘距离。硅油燃点比矿物油高一倍，可允许变压器绕组在更高温升下运行。超导变压器采用超导导线代替铜导线，提高电流密度、较低损耗，实现变压器小型化。超导导体的电流密度要比铜大许多倍，远高于传统牵引变压器的6-8A/mm2，可以大大减少线圈的重量。当供电电压和频率一定时，通过增加线圈匝数可以减少铁芯截面积。与同等功率的普通牵引变压器相比，重量可减轻40-50％，损耗仅为5-6％。所以，使用超导导体能够实现牵引变压器的小型轻量化。2024/8/2259图高温超导变压器结构高温超导（77K）变压器与普通变压器比较采用中频变压器也可以实现交流传动系统的小型轻量化。根据交流绕组电势关系式，若绕组匝数及绕组感应电势不变，提高工作频率，磁通必然下降，铁心截面积将减小，中频变压器就是依据这一原理来实现牵引变压器小型轻量化的。但是小型化是以增加二倍变流器容量为代价。德国研制的样机，功率1MVA的400Hz（变比1∶1）中频变压器的重量为450kg，短路电抗为18.9%，效率达96.2%。5.无牵引变压器技术尽管使牵引变压器小型化可有效地减小变压器的质量和体积，但牵引变压器在牵引传动系统中仍占据着较大的质量、体积。2000年瑞士学者提出了采用高压电动机的无变压器交流传动系统结构，彻底取消了牵引变压器，无需增加变流器容量。相对于传统交流传动系统，对牵引变流器和牵引电动机的设计提出新的挑战。取消变压器，将变流器模块通过一个小的平波电抗器直接与高压接触网相连，这对当前的电力电子器件的耐压等级提出了新的挑战。当前由于受电力电子器件的耐压等级限制，可以采用将多个变流器模块串联起来，且每个模块采用多2024/8/2262电平的拓扑结构，以降低所需电力电子器件的耐压等级，这对变流器拓扑结构及控制技术提出了许多新的挑战。取消变压器后，交流侧牵引变流器串联连接，各个变流器模块直流中间回路电压的电位不同，对驱动侧则是每个直流中间回路为具有不同电位的独立驱动电路的一部分，需要引入一种新的电动机的概念。瑞士学者提出采用带有3个独立三相绕组的星形联接异步电动机，其三相绕组由接在不同电位的3个三相逆变器供电，这就需要用这种星形联接异步电动机的新型控制结构。对牵引电动机的拓扑结构和控制技术提出了新的挑战。2024/8/22630.2.5预测设计将引领设计潮流随着设计思维方式的改变，由过去的“经验设计”，逐步转变为“预测设计”。采用并行模式，即除传统学科(电机工程学、电子学、控制工程、空气及流体力学和机械学等)外，还要利用其它诸如可靠性、维修性、保障性、安全性、价值工程和人机工程等专业学科的知识和经验,审查和修改由传统学科得出的设计方案。同时在整个开发过程中，还要把销售、用户服务、制造、供货和组装结合起来，并对各个部件的成本进行核算，估计出电力传动装置的寿命周期成本(LCC)，以便在供货时，对用户提出的可靠性、维修性、有效性、所能达到的指标及其寿命周期成本等作出承诺，为用户使用、进行状态修提供指导依据。RAMS---Reliability、Availability、Maintainability、Safety

可靠性、可用性、可维修性、安全性ECO4---Energy，Efficiency，Economy，Ecology0.2.6后发展国家以市场换技术实现交流传动技术的跨越与突围

西方发达国家的电力传动系统已经完成了交直传动到交流传动的技术飞跃，并在交通运输、冶金自动化等多个行业的技术装备方面形成了巨大的竞争优势。欧盟和日本的相关公司一直禁止该技术的转让与合作，西方国家即便在当前“以市场换技术”压力下依然将交流传动高性能控制技术作为竞争法宝而拒绝转让。后发展国家为了掌握交流传动技术等关键技术，只能借力跨越发展，采取了各种途径。合作引进以市场换技术是一条可行之路，韩国铁路高速列车的自主研制、试验成功，就是一个成功范例。交流传动技术的开发与应用是一项系统工程，无论是新器件的开发、应用，还是新理论的创立、工程化应用，无论系统整体变革，还是部件品质跨越，都是一个循序渐进的过程，需结合特定的运营条件和现场应用经验，完善系统功能，调整、优化系统参数。一方面保证核心技术、部件、系统的可靠应用，另一方面，完美的结合可以提升系统的性能。我国在交流传动技术工程化应用方面曾作了一些初步尝试，设计生产了少量2024/8/2266的各种机车、动车组，没有形成批量，“中华之星”、“先锋号”动车组就是例证。锻炼和培养了一支研发、制造的技术队伍，基本形成了自主技术平台，但因没有掌握其核心技术，加之其它原因，最终以“中华之星”的封存而告终。我国铁路在跨越式发展中以市场换技术，与世界轨道交通领域各主要公司签署了多份技术合作引进合同，引进各种用途的机车、动车组满足运输需要。这次引进技术的共同特征是，选择国外同期先进成熟的车型作为原型车，所有引进机车、动车组均采用先进的交流传动技术、网络控制技术，这对于提升我国铁路运输装备技术水平具有积极意义，为自主研发提供技术参考，也决定了我国铁路牵引传动技术发展的方向，必然是跟踪技术潮流，走交流传动之路。

以市场换技术出发点不错，关键是能否换得核心技术，能否很好地吸收消化这是关键。我国在其他行业也走过以市场换技术之路，其结果是有目共睹。世界上从没有免费的午餐，韩国通过技术引进合作换得了高速列车关键技术，这只是一个孤证，并不具有必然性。韩国在引进技术之始就提出一条明确的政策法规，即技术只能引进一次，同时他们把科技经费进行调整，引进和消化、吸收的2024/8/2267费用比例是1：5，也就是说韩国花1元钱引进的技术要用5元钱进行消化研究和开发。我国目前每花1元钱引进技术，只用0.07元进行消化吸收，而日本是花1元钱引进技术，花5～8元钱进行吸收和技术创新。过往的事实是，韩国和中国的核电技术几乎是同时引进的，目前韩国核电技术都参与国际竞标了，而中国还在引进。但愿我国铁路能够以一定的市场换回关键技术、核心技术，构建我国的高速列车研发平台，不要步家电、汽车行业、核电之后尘。开弓没有回头箭，既然已走上了市场换技术之路，相信这是一条不平坦的路，需要国家在吸收消化、再创新方面给以积极合理的法规及经费支持，需要相关专业人员的共同努力，突破技术重围，尽快消化吸收关键技术为我所用，占领技术的制高点，实现关键技术的自主化与国产化。合理匹配牵引动力类别，优势互补优化配置，实现多样化。这次合作技术引进，对于铁路牵引动力制造业是一次难得的发展机遇，是一次变革，也是利益的再分配。车辆工程专业的师生以及从事轨道列车牵引传动专业的技术人员不能等闲视之，应积极投身于这场技术变革中去，研究新技术、解决国产化中出现的各种问题，为企业提供智力支持，为掌握关键技术实现交流传动技术在我国的飞跃发展做出应有的努力。3.本课程的性质、内容与任务

列车电力牵引传动控制是一门跨学科的应用技术，它涉及到电力电子器件、微电子学、变流器电路、电机学、控制理论、计算机、网络控制等在内的许多领域。是轨道车辆专业牵引动力方向的一门专业课。为了适应我国铁路牵引动力装备的技术升级与跨越，结合技术合作引进的进程以及牵引传动技术的发展方向，重点突出以下几方面：1.反映我国当前电力牵引传动技术的水平，分析各干线主型机车的技术特征，揭示交-直流传动机车的技术平台，针对典型车型进行剖析，力求在理论上有一定的深度。2.重点分析交流传动技术的基本原理，介绍交流传动技术的关2024/8/2269键部件及其控制方式。对引进动车组、机车的交流传动系统进行全面分析。

3.着重介绍分布式网络控制技术在列车上的应用情况，以引进机车、动车组为蓝本，分析列车网络控制的基本拓扑结构。4.作为专业课程，要结合实际，及时准确地反映电力牵引传动技术的发展动态及发展趋势。在现有课时下，既要兼顾既有技术的学习，又要探讨交流传动及网络控制等新技术，存在着一定的难度。要完成教学任务，必须要改变教学方式，形成课堂内与课堂外互动。课堂上主要讲述基本原理及应用，对于一些基本问题需要在课下自己收集资料，进行分析、整理。同时由于受技术保密的限制，对引进技术的一些细节问题，必须要借助各种资源，全方位的搜集资料，并加以分析、归纳和整理，建立完整的知识体系。思考题：1.电力牵引传动系统的定义及实质。2.电力牵引传动技术的发展历程及发展趋势。3.交流传动技术发展的基础。4.现代列车的主要标志。

内燃机再制造是指将失效的内燃机进行集中拆解、零部件清洗、检测分类，按照原新产品技术规范要求，通过一定的工艺重新加工制造后，使再制造后内燃机产品的使用寿命及其动力性、经济性、环保性、可靠性等指标不低于原型机新机的标准要求。内燃机再制造经济效益、社会效益十分显著，与原始制造相比，再制造可节约能源消耗80%、节省材料70%以上，降低制造成本30%~50%。截止2015年12月31日，全国铁路机车拥有量为21027台，比上年减少69台，其中内燃机车占43.2%，9084台，比上年下降1.8%；电力机车占56.8%，11943台，比上年提高1.8%。附件1铁路运输发展交通运输作为国民经济的大动脉，占有重要的地位。在我国铁路运输作为一种主要的运输方式，在经济建设中发挥着重要作用。世界铁路发展的大趋势是“高速、重载、安全、节能、环保”。电力传动与控制技术（机车、动车组）将在牵引动力方式的变革中发挥着重要的作用，已成为我国铁路主要的牵引动力传动方式。

一、铁路客、货运输发展

1825年第一条铁路在英国诞生，以其速度和运能上的优势，极大地推动着世界经济的发展和社会进步。20世纪50年代，民运飞机大规模跻身于世界长途运输领域，与此同时，短途运输又迎来了一场全球性的汽车竞赛。于是铁路在公路、民航运输的双重夹击下迅速衰弱，曾一度被贬为“夕阳产业”，仅美国在20世纪中叶，就拆除了9万多公里铁路，比今天我国铁路里程的总和还要多。“身边不见火车行，耳畔频闻拆路声”就是其真实写照。上世纪60年代一场浴火重生的挑战摆在铁路牵引动力研发设计者面前，铁路精英们不愿退出历史舞台，积极寻求新的技术模式，依靠技术变革突破重围，走出颓势。“子归夜半犹啼血，不信东风唤不回”。牵引动力作为铁路运输的排头兵，引领技术的升级与突围，以电气化和内燃化为代表的铁路现代牵引动力开始崭露头角，与此相适应的运输管理组织模式相继出现，给铁路运输业振兴带来了希望和曙光。新技术、新工艺的研发与应用，促进了新型运输装备技术的升级换代，推动了重载货运、高速客运和信息技术发展，加速了铁路运输业恢复生机、获得新生的步法。2024/8/2273

1964年10月1日,日本东海岸新干线的开通运营,在世界铁路运输史上写下了光辉的一页，开创了高速铁路发展的新纪元。随着新干线高速列车投入运行，其安全、快捷、舒适、节能、环保等优点等到了充分的体现，使曾一度被贬为“夕阳产业”的铁路运输业由此得以重生，步入了快速发展的轨道。经过40多年的不懈努力，铁路牵引动力发生了革命性的变化，在大功率交—直—交变流技术、分布式网络控制技术、诊断技术、高性能走行部设计制造技术、大功率柴油机制造技术、材料科学、空气动力学、高性能的复合制动技术、可靠地供电受流技术和智能化检修技术等很多领域取得了重大突破。

铁路牵引动力的不断发展影响着铁路运输方式的变化，在货运重载、客运高速和信息技术等方面取得了重大突破。

1.重载运输技术发展在重载运输方面,美国、加拿大、俄罗斯、瑞典、南非、澳大利亚和中国等少数国家已经开行了重载货运列车。美国开行单元式重载列车，采用25t以上的机车车辆，牵引总重在10000吨以上，是名副其实的万吨列车，并曾创造总重达44066吨的世界最高纪录。俄罗斯采用组合式重载列车，牵引列车重量达到6000t以上，并成功地试验开行了总重43047吨的重载列车。

1991年，南非在艾尔梅格--理查兹弯中在铁路开行了一列由9节电力机车和7节内燃机车牵引的总重71600吨、编组660辆、长度达7200m的铁矿石列车，创造了当时列车长度和重量的世界纪录。澳大利亚铁路采用单元组合重载技术，由大功率内燃机车牵2024/8/2275引,采用25t以上轴重的重载机车车辆，开行万吨列车，使单线年运量可达1亿吨。2001年6月21日澳大利亚BHP铁矿公司在纽曼山-海德兰间开行的超级列车，创造了重载运输的最高纪录。该列车装载82000吨铁矿石、总重达99732吨。列车由682辆货车和8台AC6000内燃机车组成，长度达7353m。在长度和重量上都超过了以往的重载列车，成为迄今为止世界上最长最重的重载列车。该超级列车运行情况如下图所示。我国是世界上唯一在既有线开展提速与重载的国家，所面临的技术难度也是空前的。铁路客运经过六次全面提速，线路基础条件有了很大改善，重载运输能力有了较大的提高。在既有线路2024/8/2276超级列车长度：7.353km重量：99732t净载重:82000t机车:8台AC6000CW2+1+2+1+2单司机

Locotrol车辆:682辆平均速度:55km/h澳大利亚BHP公司纽曼-黑德兰276km准轨单线内燃牵引2001.6.212024/8/2277超级列车列车长7.353公里

列车重99732吨线路长276公里

8台AC6000CW

编组682节车辆机车使用分布式同步控制系统运行时间(往返)～10小时上采用HXD3(和谐3型电力机车)，以单机车、单司机方式开行了5000吨以上的整列重载列车，最高运行速度为120km/h。随着合作引进的各型HX大功率干线机车的陆续投入运行，既有线重载运输定数将会不断提高到8000吨以上；在大秦铁路运煤专线上已开行了2万吨级的单元组合列车，由HXD1/2或四台SS4G/SS4B电力机车牵引,制动系统全部采用CCBII系统，控制系统采用GE公司Locontrol分布式机车无线同步操纵系统，通信系统采用GSM-R综合数字移动通信系统，信号覆盖全线，消除了多年来因山区通信盲区对运输造成的困扰。自2006年正式开行2万吨级重载列车以来，每年以5000万吨的能力逐年递增，2007年运输量已达3亿吨。2014年4月2日6时31分，一列由4台电力机车牵引、编组320辆、总长3971m、满载3万吨煤炭的组合式试验列车，由北同蒲线袁树林站始发，经过12小时25分、738.4公里的运行，于当日18时56分安全顺利到达终点站大秦线柳村南站，3万吨重载列车运行试验取得圆满成功，实现了我国铁路重载列车牵引重量从2万吨到3万吨的跨跃，使我国成为世界上仅有几个掌握3万吨铁路重载技术的国家之一。铁路、公路和航空的单位运输成本之比为1：6.4：9.35。列车牵引定数发展历程

2.客运高速技术发展在高速客运方面，目前已开行200km/h以上高速列车的国家和地区有日本、法国、德国、英国、意大利、西班牙、芬兰、瑞典、美国、俄罗斯、韩国、中国及台湾地区。已在建设或规划高速铁路的国家和地区有瑞士、奥地利、比利时、荷兰、丹麦、加拿大、澳大利亚、印度和越南（注：越南国会已于2010年6月19日否决了贯穿南北的高铁线路计划，主要原因是成本与收益问题）。至今已掌握了300km/h高速列车研制技术的国家，只有德国、法国、日本、意大利、韩国等少数几个国家，真正掌握原创技术的国家只有德国、法国和日本，其水平代表着世界高速铁路发展的技术水准，已形成了三种不同的技术平台。其他已开行或正在建设即将开通高速列车的国家和地区，其所采用的技术不外乎是这些技术平台的引进和改良。2024/8/2281随着高速铁路运输业的再次崛起和成功，铁路的发展正进入一个新时期。新干线动车组由0系发展到800系及E1-E5/6，从300系开始采用交流传动，运行速度达到270km/h,最高为300km/h，未来320km/h。德国ICE3、法国AGV采用动力分散、交流传动技术，运行速度已达到330-350km/h；韩国通过合作引进TGV技术，已在东线开通了300km/h高速列车，并自主研制了350km/h高速列车G7，近期将在西线投入运营;台湾引进了日本700系动车组,已于2006年底开通了贯通南北的高速铁路，运行速度达到300km/h,(运送旅客近期可达1亿人次)2007年4月18日第六次铁路大提速,我国在部分线路采用CRH1、CRH2、CRH5动车组，开行了200km/h的高速列车。

2008年8月1日以来，CRH3相继在京津、武广客运专线投入运营，最高速度为350km/h。2009年12月，CRH3在武广客运专线投入运行。2010年7月1日，CRH3在沪宁高铁开始350km/h运营。旅客列车速度发展历程2024/8/2283

二、中国铁路发展现状我国铁路经过了60多年的建设发展，营运总里程已超过12.1万公里，高铁运营里程达1.9万公里，其运输能力基本上能够满足经济发展的需要，运营管理水平、技术装备水平有了较大的提高，牵引动力实现了内燃、电力化，牵引传动方式采用电力牵引传动。在客货运输市场占有较为稳定的份额。2024/8/222012年各种运输方式货运总量2012年各种运输方式货物周转量

中国铁路发展历程（km）指

标计算单位本年累计完成

上年同期完成比上年同期增减比上年同期增减%一、铁路运输

1.旅客发送量万人2534842304602302410.0

2.旅客周转量亿人公里11960.6011241.85718.766.4

3.货运总发送量万吨335801381334-45533-11.9

4.货运总周转量亿吨公里23754.3127530.19-3775.88-13.7

5.总换算周转量亿吨公里35714.9138772.04-3057.12-7.9二、基本建设投资亿元5924.585512.61411.977.5

注：1.国家铁路含控股合资公司。2.统计范围不含港澳台。

中国铁路总公司计划统计部提供2015年1-12月国家铁路主要指标完成情况中国铁路运输发展现状附件2铁路牵引动力发展历程自1825年第一条铁路在英国诞生以来，铁路牵引动力随着技术的发展，经历了从蒸汽机车到电力、内燃机车牵引阶段。目前，各国基本都是以电力机车或内燃机车作为牵引动力，内燃机车主要采用电力传动。主要发达国家在上世纪90年代都已实现交流传动。列车的牵引性能、速度、功率、控制模式等有了很大的提高，实现了传统机/列车向现代机/列车的跨越。

交流传动技术、现代转向架技术、分布式网络控制技术的应用，是现代列车的主要标志。牵引动力的配置模式主要有动力集中和动力分散两种。动力集中是将列车所需动力集中于列车两端动力车的各动轴上，形成推挽式牵引；动力分散就是将列车所需动力分散置于各车辆轴或大部分车辆轴上。动力分散主要应用于300km/h及以上的高速动车组，动力集中式主要应用于300km/h以下的列车牵引。任何交通工具的发展，都是伴随着提高载重和速度这两个要素而进行。要实现“重载、高速”，首先要有足够大的牵引功率，因此现代牵引动力的基本特点是“大功率”，这尤其体现在单轴功率的提高上。目前国外的交流传动电力机车单轴功率已发展到了1200kW---1600kW，最高达到1840kW。当然，单轴功率的提高不是无止境的，它受到物理学、运动学的制约，既应该同电力机车性能相匹配、又能充分发挥粘着性能。现代的货运机车单轴功率都在1000kw以上,目前交流传动电力机车的单轴功率为1200—1600kW,且已被各国普遍采纳。2024/8/2289动力集中与动力分散的变迁

蒸汽机车(2370kW)内燃机车(4800kW)电力机车(9600kW)铁路牵引动力发展过程

一、蒸汽机车蒸汽机车在铁路运输发展中起到了巨大的作用，自1803年开始经历了多次改进，生产制造了许多型号的蒸汽机车，满足了当时铁路牵引之需要，推动了经济发展和社会进步，至中国大同机车厂前进型蒸汽机车停止生产、退出我国铁路干线牵引，历经190余年。蒸汽机车的发展历程就是一部近代铁路技术发展史。

蒸汽机车最大功率达2370kW，最高速度为200km/h。2024/8/2292曾经的宏大气势，如今看了别样滋味……最早在轨道上运行的机车英国人理查德特里.维西克制造了一台单汽缸和大飞轮的蒸汽机车，1804年2月29日在专门铺设的轨道上试车成功，牵引5辆车厢，时速8公里，被命名为“新城堡号”。

1825年9月27日，世界上第一条永久性公用运输设施，英国斯托克顿--达林顿铁路的通车典礼上，斯蒂芬森亲自驾驶“旅行”号从伊库拉因车站出发，驶向斯托克顿。下午3点47分到达目的地，共运行了31.8公里。“旅行”号机车现陈列于达林顿车站，编号为“№1”。乔治·斯蒂芬森也因此被人们尊称为“蒸汽机车之父”。1829年乔治和R.Stephenson父子设计制造的多烟管蒸汽机车“火箭号（Rocket）”1835年德国纽伦堡开行的第一列蒸汽旅客列车2024/8/22961881年唐山—胥各庄铁路用蒸汽机车最大功率2370kW

最高速度90km/h

轴式2-10-2世界最大功率蒸气机车高速蒸汽机车200km/h160km/h快速蒸汽机车180km/h快速蒸汽机车

2007年12月，内蒙古首届国际蒸汽机车旅游摄影节在克什克腾旗启动。来自世界各地的1000多名蒸汽机车迷、摄影师来到集通铁路经棚火车站参加旅游节。2024/8/22102

二、电力机车及EMU电力机车最早于1882年起源于矿山。第一台交流传动电力机车诞生于1903年，它为三相交流电供电。现代电力牵引机车均采用单相交流供电方式，主要经历了交—直流传动和交—直—交流传动阶段，发达国家已于20世纪90年代完成了直流传动向交流传动的跨越。交流传动电力机车无论从功率、速度还是可靠性与经济性方面，都远优越于直流传动机车。特别是在高速重载方面，正在发挥着越来越重要的作用。交流传动是电力机车及电动车组发展的必然趋势。电力机车的研发中心在欧洲，主要以西门子、阿尔斯通、庞巴迪公司的产品为代表。

交流传动电力机车最大轴功率已达1837.5kW。高速动车组最高试验速度达到574.8km/h，最高运营速度为320~350km/h。2024/8/22103世界最早的工矿电力机车（1882年）世界最早的交流传动动车（1903年）供电制式：3相交流；电机功率：2.2MW；速度：210km/h；2024/8/22105最大功率7350kW

最高速度200km/h轴功率最大的电力机车HSR350x台湾300km/h动车组引进日本三菱公司700系，转向架采用500系转向架，单元编组3M1T，试验速