问题

中国铁路的牵引传动系统发展中,是否跳过了交流同步电机这一步?

回答
中国铁路的牵引传动系统发展,在是否跳过了交流同步电机这一步的问题上,情况比较复杂,并非简单的“跳过”。更准确地说,中国铁路在电气化牵引发展过程中,并没有将交流同步电机作为主流技术在早期大规模应用,而是直接选择了交流异步电机作为早期主力的技术路径,随后快速迭代升级,将重心转向了更先进的交流同步电机(特别是永磁同步电机)技术。

我们来详细梳理一下这个过程:

早期电气化:对可靠性和成熟度的选择

中国铁路的电气化进程始于20世纪70年代末80年代初。当时,国际上电气化铁路的牵引技术主要有两类:

1. 直流牵引系统: 虽然效率不高,但技术成熟,控制相对简单。
2. 交流异步牵引系统: 相比直流系统,交流异步电机具有结构简单、维护方便、效率更高、功率重量比更好的优点。当时,交流异步电机配合变频器(VVVF,Variable Voltage Variable Frequency)控制已经成为国际上铁路牵引的主流技术趋势。

在这个阶段,中国铁路面临的首要任务是快速普及电气化,提高运输能力,解决“卡脖子”的技术问题。因此,选择当时技术相对成熟、产业链相对完善、并且在国际上已经被广泛验证的交流异步电机技术,是符合实际需求和技术发展逻辑的。

技术引进与消化吸收: 初期,中国铁路在引进国外电气化机车技术时,主要引进的就是采用交流异步牵引电机的方案。通过与外国厂商合作,中国消化吸收了交流异步电机及其变频控制系统的设计、制造和集成技术。
国产化进程: 随着技术的掌握,中国开始自主设计和制造交流异步牵引电机。大同电力机车研究所(后来的中国北车大同电力机车有限公司,现为中车大同)等单位在这一领域取得了重要进展,成功研制出适用于铁路牵引的交流异步电机,并装备到韶山系列电力机车等早期国产电气化机车上。

为何没有大规模采用交流同步电机(早期)?

在早期,交流同步电机(尤其是直流励磁同步电机)在铁路牵引领域虽然存在,但其控制复杂性、成本以及在可靠性方面,相比于成熟的交流异步电机,并没有显示出压倒性的优势,尤其是在需要高加速性能和宽调速范围的铁路牵引场景下。

控制复杂性: 早期的同步电机控制,特别是需要精确同步运行的,其控制系统(如静态Thyristor换流器)相对复杂,成本也较高。
励磁方式: 传统的直流励磁同步电机需要通过滑环和电刷进行励磁,这增加了维护量和故障点,对于需要高可靠性的铁路运输来说是个潜在的挑战。
成熟度与产业链: 相比之下,异步电机配合VVVF控制技术在当时的国际铁路行业已经形成了相对成熟的产业链和技术标准。

快速的迭代与对更优技术的追求

然而,中国铁路并未止步于交流异步电机。随着中国工业技术的飞速发展,以及对更高效率、更优性能、更低能耗的需求日益增长,对更先进的牵引技术——交流同步电机(特别是永磁同步电机,PMSM)的研发和应用,成为了新的发展方向。

永磁同步电机(PMSM)的崛起: 90年代末、21世纪初,随着永磁材料技术的突破和电力电子器件(如IGBT)性能的飞跃,永磁同步电机(PMSM)在铁路牵引领域展现出了显著的优势:
更高的效率: PMSM取消了励磁损耗,效率更高,特别是在中低速运行时。
更高的功率密度: 相同的功率下,PMSM体积更小,重量更轻,有利于提高机车性能。
更好的调速性能: PMSM配合先进的矢量控制技术,可以实现更精确、更平滑的转矩控制,提升牵引性能。
更高的可靠性: PMSM结构更简单,没有励磁绕组和电刷,可靠性更高。

中国在此领域的超车: 值得注意的是,中国在引进和应用永磁同步电机技术方面,可以说是走在了世界前列,甚至可以说是在此领域实现了“跨越式”发展。 虽然早期电气化以异步电机为主,但当PMSM技术成熟并显示出优势后,中国铁路迅速将其作为下一代的主流技术进行研发和推广。

2000年代中期开始: 中国开始进行永磁同步牵引电机和变频牵引系统的研究和试验。
2008年左右: 第一批采用永磁同步牵引电机的地铁列车在中国出现,这标志着中国铁路牵引传动系统开始大规模向PMSM转型。
随后: 随着CRH(中国高速铁路)系列动车组的研制和推广,特别是CRH3、CRH380系列等,大量采用了高性能的永磁同步牵引电机。这些机车不仅在国内市场占据主导地位,其技术也达到了世界先进水平。
持续创新: 中国在永磁同步牵引电机方面持续投入研发,包括更大功率的电机、更优的控制策略、更可靠的系统集成等,不断推动技术的进步。

结论:并非跳过,而是技术路径的选择与快速迭代

因此,总结来说:

中国铁路的牵引传动系统发展,确实是以交流异步电机作为早期电气化的主流技术起点,并没有在那个阶段大规模采用交流同步电机。 但这并非“跳过”,而是基于当时的技术成熟度、成本效益和实际需求做出的合理选择。

随后,中国铁路紧跟甚至引领了国际技术发展潮流,非常迅速地将重心转移到了更先进的永磁同步电机技术上,并在该领域取得了举世瞩目的成就。 这种快速的技术迭代和对先进技术的拥抱,是中国铁路技术快速发展的一个重要特征。

所以,与其说“跳过”,不如说中国铁路在牵引传动技术发展中,经历了一个从相对成熟的异步电机向更优越的同步电机(尤其是永磁同步电机)的技术演进过程,并且在这个演进过程中,对于同步电机特别是永磁同步电机,我们并非“跳过”,而是选择了迎头赶上并快速超越。

网友意见

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直流车韶山之后直接就是交流异步电机的和谐系列,励磁同步电机去哪里了呢?

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