课外研学报告-关于电力机车的探究
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关于电力机车的探究
一、机车的发展历史
早在1804年，一个名叫德里维斯克的英国矿山技师，首先利用瓦特的蒸汽机造出了世界上第一台蒸汽机车。这是一台单一汽缸蒸汽机，能牵引5节车厢，它的时速为5至6公里。这台机车没有设计驾驶室，机车行驶时，驾驶员跟在车旁边走边驾驶。因为当时使用煤炭或木柴做燃料，所以人们都叫它“火车”引，于是一直沿用至今。人类历史上最重要的机械交通工具，早期称为蒸汽机车，也叫列车，有独立的轨道行驶。铁路列车按载荷物，可分为运货的货车和载客的客车，亦有两者一起的客货车。
在1781年，火车先驱乔治.斯蒂芬森出生在一个英国矿工家庭。直到18岁，他还是一个目不识丁的文盲。他不顾别人的嘲笑，和七八岁的孩子一起坐在课堂里学习。1810年，他开始制造蒸汽机车。1817年，当斯蒂芬森决定他主持修建从利物浦到曼彻斯特的铁路线上完全用蒸汽机车承担运输任务。但是，保守的铁路拥有者却对蒸汽机车的能力表示怀疑。他们提出，在铁路边上固定的牵引机，用拖缆来牵引火车。斯蒂芬森为了让人们充分相信火车的性能，制造出了性能良好的“火箭号”机车。这种机车的卓越表现终于让怀疑者改变了态度，利物浦--曼彻斯特铁路因此成为世界上第一条完全靠蒸汽机运输的铁路线。
最早使用燃煤蒸汽动力的燃煤蒸汽机车有一个很大的缺点，就是必须在铁路沿线设置加煤、水的设施，还要在运营中耗用大量时间为机车添加煤和水，这些都很不经济。在19世纪末，许多科学家转向研究电力和燃煤蒸汽机车。
世界上第一列真正在轨上行驶的蒸汽火车是由康瓦耳的工程师查理特里维西克所设计的。它的火车有四个动力轮，1840年2月22日试车，空车时，时速20公里，载重时，每小时8公里(相当于人快步行走的速度)。不幸，火车的重量压垮了铁轨。
1879年，德国西门子电气公司研制了第一台电力机车，重约954公斤，只在一次柏林贸易展览会上做了一次表演。1903年10月27日，西门子与通用电气公司研制的第一台实用电力机车投入使用，其时速达到200公里。
燃油机车1894年，德国研制成功了第一台汽油内燃机车。并将它应用于铁路运输，开创了内燃机车的新纪元。但这种机车烧汽油，耗费太高，不易推广。
1924年，德、美、法等国成功研制了柴油内燃机车，并在世界上得到广泛使用。1941年，瑞士研制成功新型的燃油汽轮机车，以柴油为燃料。且结构简单、震动小、运行性能好，因而，在工业国家普遍采用。
20世纪60年代以来，各国都大力发展高速列车，例如法国巴黎至里昂的高速列车，时速到达260公里；日本东京至大阪的高速列车时这也达到200公里以上。
人们对这样的高速列车仍不满足。法国、日本等国率先开发了磁悬浮列车。我国也在上海修建了世界第一条商用磁悬浮列车线，由地铁龙阳路站到浦东机场。这种列车悬浮于轨道之上，时速可达400－500公里。但我相信磁悬浮列车并不是人类研究火车的终点，而应该是一个新的高度上的新起点。中国第一辆火车
古老火车中国磁悬浮列车
中国磁悬浮新湖明珠号
中国高速火车－动车组
中国子弹头动车组和谐号日本、法国、德国是当今世界高速火车技术发展水平最高的三个国家。
法国高速火车
二、电力机车的动力原理
1879年出世的世界第一台电力机车，是利用两条铁轨之间的第三条轨将电力引进机车里的，但是这种供电方式适合于电压和功率都比较低的情况。随着电力机车的发展，要使它跑得快，运载量大，就得提高电力机车供电系统的电压和功率，因而需要使用高压输电线和变电装置。在这种情况下，就不能再使用设在地面上的第三条轨供电的方式了，因为这既不安全，又给使用带来不便。
1881年，德国试验成功一种适合以高压输电线供电的电力机车新的供电系统，叫做“架空接触导线”供电系统，也就是将电力机车的供电线路由地面转向空中。实际上，这种供电系统和现在城市中的有轨电车相似，在车顶上装着一条“长辫子”。它与以前使用蓄电池的电动机车的主要不同在于，它自身不带电源，由电厂供电，所以机车的结构比较简单，但需要一套供电设备。
这种装有“长辫子”的火车，依靠装在车顶上的受电弓子把电力从架在空中的电线上引到机车里。高压输电线送来的电是高达110千伏的三相交流电，必须经过牵引变电所变成25千伏的单相交流电，方能供机车使用。因此，在电力机车行驶的铁道沿线上，每隔50公里左右设一个牵引变电所。变电所的电又被送到邻近的沿线接触网上，通过机车上的受电弓将交流电引到机车的整流器上，把交流电变成直流电，使直流电动机旋转，再经过一套传动装置，带动车轮转动，机车就会跑动起来。三、交流电力机车的结构
交流电力机车由电气系统和机械结构两大部分组成。电气系统包括受电弓、主断路器、一台大容量的牵引变压器、4～6台牵引电动机，两套司机控制设备、一套由晶闸管或可关断晶闸管构成的变流器，以及功率不等的辅助电动机和大量电器、电子器件等。此外，还有通讯设备、仪表，有些电力机车还装有电脑控制装置。牵引电动机装在轮轴和转向架上，通过齿轮传动驱动力。受电弓装在车顶，其余电工设备均在车体内。机械结构主要由车体、车架和转向架构成。车体通过车架安装在转向架上，转向架再通过弹性支承装置和轴箱，将机车重量均匀地分配到各个轮对上。中国电力机车的每轴载重量为23t。
四、交流电力的电气原理
交流电力机车所用电能从接触网获得,再由装在车顶的受电弓导入车体，然后经过主断路器进入牵引变压器的原边,降压后输入特殊形式的整流器(变流器)和电抗器,使之成为电压可以平滑调节的直流电流，供给牵引电动机。通过调节整流器的直流输出电压，即电动机的端电压以及电动机的励磁电流，实现机车的起动和调速。
交流电力机车的电气原理图
五、交流电力机车的特点
交流电力机车由于接触网供给的是交流电,因此在牵引变电所中不需要整流装置，比直流电力机车供电设备简单、经济。交流接触网的电压高、电流小、所需的牵引变电所因距离加大而数量减少，故比直流供电系统更为经济，同时机车的功率也大为提高。因接触网电压高、电流小，接触点的用铜量和损耗都相对减小。牵引电动机的端电压由车内的变压器供给，不受接触网电压的限制，可以选择对电机最有利的电压定额，从而提高了牵引电动机的可靠性和经济性。
此外，交流牵引变电所还可以与其他供电网连接起来，统一供电，促进铁路沿线地区的电气化。因此用工频交流电的交流电力机车，在要求功率强大，运行地区宽广的铁路干线电力牵引中，得到了世界范围的发展。由于交流电力机车采用单相交流接触网，仅有一条架空导线（另一导线由铁路钢轨实现），对其沿线的导体产生不对称的电磁影响，故对沿线通信线路的干扰较大，通信电缆需要屏蔽，或者改用微波通信及光纤通信，因此增加了投资费用。此外,交流电力机车上的电器设备绝大多数为变流装置,这些装置（如常用的相控整流器）难免给电网带来较多的谐波分量污染和供电质量问题；因机车中整流器的相位控制，使电网电流滞后于网压，这种相位后移和谐波分量，又降低了电网的功率因数。
六、交流电力机车的发展前景
电力机车虽然问世较早，但直到20世纪60年代才开始受到人们的重视，被大量普遍
地使用起来，已成为铁路机车家族中的佼佼者。目前，有的国家已制成了具有万匹马力的电力机车，使火车的速度超过了每小时200公里。还有的在研制14000马力的大功率电力机车，将会使火车的速度得到进一步提高。由此可见，电力机车将有着美好的发展前景。
用鼠笼式感应电动机驱动的交流电力机车，因鼠笼式电动机简单、可靠、造价低、重量轻、体积小、易于维护检修、防潮和抗有害气体性能好、牵引特性硬等优点，可以防止机车轮对和钢轨间的打滑（空转），运行部分的牵引特性又可调节成恒功率性能，最大程度地利用了机车上机电设备的功率。因此，这种电力机车具有重载、高速、可靠等特点，是电力机车的发展方向。
由于我每次从家里到学校都要坐火车，因此关于火车的未来我也有很多想法。大家都知道火车晚点是很正常的，但是每个人都希望火车能准时到站，我想晚点不仅仅是单辆火车的速度或者其他方面的问题，更重要的是与铁路系统的调度有关。这就需要更完善的调度制度和更合理的管理方案。还有火车硬座座位的设计接近九十度，这样的座位对长途旅客来说容易引起腰酸背疼和其他不适感，将来的火车设计必将会越来越人性化。
记得有一次回家，火车上播放广播讲到关于火车的科普小知识，里面说到现在的火车都安装了“黑匣子”，这种装置类似于飞机上的黑匣子，能够实时记录火车的运行速度、显示轨道状况和列车的运行细节，为列车的安全运行提供了更可靠的保障。同时还安装了全球定时定位系统。我想随着科学技术的发展，列车的运行将会越来越安全，运行速度也会的到很大的提高
希望有一天火车也会像现代战斗机一样实现无人驾驶。
扩展阅读：关于电力机车新技术应用的调研报告
关于电力机车新技术应用的调研报告
一、摘要
近年来,为了适应“提速、重载”的要求,功率大、性能技术先进的新型国产内燃、电力机车的投人运用,成为我国铁路运输的主要牵引动力。自1995年以来,我国铁路机车迅速更新换代,不仅蒸汽机车迅速退出历史舞台,而且国产第一代内燃机车和第二代内燃机车的早期产品也批量报废,国产第一代电力机车早期产品已开始批量报废,第二代国产电力机车正通过大修改造为第三代相控电力机车。近年来,大批量生产的是适应“提速、重载”的第三代内燃、电力机车,并在积极研制第四代新型内燃、电力机车。本文拟就我国电力机车新技术做一个简单的调研报告。
二、调研基本情况
（一）调研地点：北京机务段
（二）调研时间：201*年9月28日201*年10月28日（三）调研方法：
本次调查主要通过文案调查法和询问调查法对交流传动技术和微机控制技术进行更深一步的调研。（四）调研目的：
通过对机车车辆新技术的调查了解，我们可以更好的掌握高速重载电力机车车的原理、构造、性能及交流传动的基础理论和最新技术，具备机车运用、保养和维修的能力，并能够应用先进技术对机车进行故障分析和诊断。在学校学习期间，我们主要学习了变流技术基础知识、机车电子电路两部分。主要学习晶闸管器件原理、参数，单、三相整流电路，无源、有源逆变电路原理、参数计算；机车电子电路的原理及常见故障的分析处理方法。通过这次调查使我的对机车电子
电路原理，具有分析整流、逆变电路的能力、对机车电子电路常见故障处理的能力可以有显著的提高。并且对交流传动技术和微机控制技术有了更深一步的了解。
三、调研内容
（一）交流传动技术
1.交流传动技术的发展概况
我国交流传动技术的研究始于20世纪70年代初，可说是起步不晚，但国际上20世纪80年代初交流传动机就已经进入商用化，技术日趋成熟。因此铁道部主管领导曾指出，我国发展交流传动不要更在别人后面KK，后GTO，再IGBT一步一步地走老路绕弯子，应跨过GTO阶段，直接发展IGBT技术，缩短我国已国际上当今先进技术的差距。
20世纪90年代我国有株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院共同研究院共同研制的，功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功。在此基础上由南车集团株洲电力机车有限公司、株洲电力机车研究所于1996年共同研究的4轴4000kW,我国第一台交流传动电子机车诞生。已AC4000命名的交流传动机车的研制，标志着我国电力机车金属交流传动时代。
我国同时也进行着交流传动内燃机车的研制。1999年9月8日我国首台交流传动内燃机车“捷力”型吊车内燃机车研制成功，它标志我国机车工业有直流传动向交流船从转换发展战略迈出关键的一步。交流传动机车是以现金的交流传动技术替代传统的直流传动技术的新一代机车。是我国铁路机车发展的方向和主流机车。目前只有美国、德国、日本等少数生产。
未来十年将是铁路机车交流传动技术“十年转换”工程的关键时期。交流转动电力机车和内燃接车牵引运载装备将成为牵引动力主流。通过与国威合资研发生产、引进技术，200km/h及以上交流传动电力机车、内燃机车和动车这要到达产业化，交流传动电力牵引摆式列车技术在工程换上将有所突破，构成具有自主知识产权的摆式列车技术，满足既有线路客运进一步提速的要求。交流传动技术将为我国铁路牵引动力的发展和技术升级换代做出贡献。
2、交流传动技术的原理简介
交直流传动电力机车是采用直流供电,，由直流或脉流串励电动机牵引的机车。其优点是串励电动机具有“软特性”，在电源电压一定时,电动机的转速和转矩中随着负载阻力的变化而自行调节，特别适合机车牵引特性的要求。其缺点是电机结构复杂，用铜多、重量大、维修不便，且由于换向器能力限制,负载大时易环火，故无法进一步提高电机功率。交流传动电力机车是采用交流供电，交流异步电动机牵引的机车，其优点是交流异步电动机结构简单、维修方便、体积小、重量轻、功率大，而且粘着利用率高，电机恒功区宽，特别适合大功率机车采用。其难点是交流异步电动机必须采用变频调整，且大功率变频器不仅技术难度大，而且需要大功率高性能的电力电子元件。
国产电力机车交流传动装置，基本上均采用架控供电方式的交直交电传动系统。电力机车的供电方式分为集中供电、架控供电和轴控供电三种。由一台大功率牵引逆变器向机车所有电机供电，称为集中供电方式由一台牵引逆变器向一个转向架的几个电机供电，称为架控供电方式；由一台牵引逆变器向一个动轴上的一个电机供电，称为轴控供电方式。因架控供电的逆便变器功率和数量适中，并且于实施轴重转移电气补偿，因此，国产交传动电力机车均采用架控供电方式。
交直交电传动机车的关键部件是牵引逆变器，它承担着将电压稳定的中间直流电转换为电压和频率均可调的三相交流电的任务，目前已经历了三代逆变器的发展过程。第三代牵引逆变器以智能功率模块为元件，它性能更好，关断电流大，开关频率很高。
3、交流传动技术的特点及优点
人们很早地认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。交流传动接车所以成为现代机车发展方向，正是由异步电动机的特点和有点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动
系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、黏着、维修、概率、质量尺寸等诸多方面。交流转动功能具有构造简单，黏着性能好，功率大，牵引力大，可靠性高，维修简便等优点。
（二）车载微机控制系统
1、微机控制系统的基本概念
控制系统一般都具有三个要素，即控制对象、信息处理机构、执行机构。控制对象给出控制目标；信息处理机构将目标值和实际情况进行比较、运算，给执行机构发出动作指令；执行机构根据接收到的动作指令进行调节，以求达到或尽量接近目标。
控制系统有开环指控和闭环控制之分。在开环控制中，输出信号不反馈到信息处理机构；在闭环控制中，信息处理机构是根据给定目标与反输出反馈信号的差值来进行控制。毫无疑问，闭环控制比开环控制易于稳定并具有较高的精度。
一个复杂的控制系统可以由多个闭环系统组合而成，如速度环、电流环、电压环等等。SS型电力机车微机控制系统，不论在正常工况还是故障工况下都采用闭环控制，有系统自动调节，从而减轻司机的劳动强度，简化司机的操纵程序。
在电力机车上，微机的控制目标主要是电机电枢电流和机车速度，信息处理机构是微型计算机，执行机构是晶闸管变流装置。机微机根据司机给定的手柄级位以及实际一车速度来调节晶闸管的触发角，从而是机车稳定运行在司机希望的工况。
SS8型电力机车是国产电力机车中首次采用微机控制制度车型。以往的机车都采用模拟控制，如SS3、SS4改和SS7型机车等，它们都是采用以运算放大器为基础的模拟控制方式。随着电力电子技术、半导体集成技术的发展和控制要求提高，用为微机控制来取代模拟控制是牵引动力技术发展的必由之路，他标志着机车控制技术水平上升到新阶段。
2、电力机车计算机控制系统发展概况
国产交直传动电力机车控制系统发展经历了有接点控制，SS1型电力机车；模拟控制，SS3型、SS4型电力机车；微机控制，SS8，SS4B,TM1，SS9，DDJ1、春城号动车SS7D和SS7E等车型。
国产交直传动电力机车的微机控制从1987年开始研究，1991年底装于SS4型0038号机车试运行，1993年底通过部级技术审查，1996年底通过部级鉴定，1997年开始批量生产，并推广到各型新研制的交直传动电力机车上。
我国研制机车微机控制技术取得了较快的发展。1994年株洲厂研制成功的SS8型电力机车采用了微机控制系统，能自动控制机车牵引、电制动特性，并可以进行空转滑行保护，速度分级控制，空电取合制动控制，良动过分相控制和各种故障诊断、监测、显示及处理功能。1999年起大同厂和株洲电力机车研究所生产的SS7D、SS7E等型电力机车，均采用了微机控制系统。近年来，由株洲电力机车研究所等单位研制成功的、具有国际先进水平的电力机车分布式网络控制系统，在201*年株洲厂新制黔“奥星号”和“中原之星”号电力机车上采用。机车网络控制系统由若干个微机柜、司机室显示器和网卡所组成，是机车的神经中枢，它将列车控制、自动保护、监控记录、智能显示器、各车辆控制、牵引控制、制动控制、辅助系统控制、车门及轴温和空调监视等装置有机地连为一个整体，可有效实现整列车的控制、检测、诊断、安全防护及旅客信息管理等功能，大大提高列车的可靠性、安全性、实时性。采用机车微机网络控制系统，是国内的首创，株洲电力机车研究所，致力于加快机车网络控制系统的研制推广。今后国产机车的微机控制系统将由目前的集中控制方式提高到分布式的机车网络控制系统。
3、微机控制系统的原理特点
目前，国产机车微机控制系统大都采用集中控制方式，机车上几大控制部件，如机车微机控制装置、调速器控制或变流器控制单元等，集中装在微机柜内，其功能相当集中，各种信号检测装置遍布全车，而控制目标给定装置司机控器和诊断显示屏微机显示屏装在两端司机室内，各种部件通过机车总线相连接共同完成机车控制任务。机车微机控制系统有以下特点：
不仅需要有硬件，而且需要软件，硬件可以是通用的,而软件是灵活可变的。
对不同的机车控制要求，微机系统可采用相同的硬件，而以改变软件的方式来实现。
在微机控制中只有输人和输出部分与模拟控制相似，而中间运算过程为数字运算。所有输入的模拟信号，须经转换成数字量送入中央处理器处理同样，中央处理器送出的数字量，也须经转换成模拟信号输出。由于数字量本身不受环境温度影响，因此，微机控制系统工作稳定。
由于微机控制系统元器件集成度高，控制功能增加，控制速度快，而且大量的控制功能由软件来实现，只要中央处理器工作正常，软件执行就不会错，因此，微机控制更可靠。
微机本身具有记忆功能，可存储大量信息，以及某些特定时刻的信息可以进行逻辑判断，实现复杂的控制可以进行自检，故障检索和故障监控等工作,具有智能的特点。总之，微机控制具有通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性等特点，是机车控制的发展方向。
四、调研结论与建议
通过此次调研是我了解到，近年来，我国铁路在高速技术、重载技术、管理技术、安全技术和信息技术等方面均取得了重大进展。特别是201*年4月18日我国铁路顺利时间第六次大提速，更引发了铁路牵引领域以告诉动车组和大功率交流传动机车位载体的铁路牵引技术的巨大进步与飞跃。以三项交流传动技术、微机控制及诊断技术、高转速向架和径向转向架技术、机车柴油机电子喷射技术等为代表的牵引动力领域的典型领先技术已日益融入我国铁路科技现代化进程。
为了使我国铁路机务系统的从业人员方便学习掌握这些技术，提高专业素质，建议更全面的发展学习电力机车新技术，以更好地完成实践，运用新技术到实际工作中去，可以更高效更科技的做好机务工作。
致谢
本论文是在多位老师指导下完成的。在论文撰写期间，老师们给了我许多指导，也得到了现场有关人员的帮助，再次，对老师表示衷心的感谢和敬意。由于本人水平有限，论文中有许多不足之处，敬请指正。对引用的技术资料、参考书目的有关作者也在此一并致谢。
参考文献
[1]鲍维千，杜怡。铁路机务。成都：西南交通大学出版社，1998。
[2]李晓村，张中央。机车新技术概论。成都：西南交通大学出版社，201*。[3]韩才元。中国内燃机车发展50年。内燃机车，201*。[4]胡崇岳。现代交流调速技术北京：机械工业出版社，201*。
[5]刘可安，谭雪谦，马健.DF8BJ内燃机车交流传动控制系统.机车电动传动，201*。
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