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摘要：电气化铁路作为一种新型的交通运输工具，主要通过电能发挥出牵引作用，因此又被称为电力牵引。与内燃和蒸汽牵引有所区别的是电动汽车自身不具备能源，需要外界为其提供。本文将站在机车车辆的角度，对交流传动电力机车特征进行分析，并从功率因数、谐波电流、再生制动几个方面对系统的影响加以阐述。
关键词：牵引力；交流传动；电气化铁路；供电系统
引言：
现阶段，我国机动车数量显著增加，城市轻轨、铁路、内燃机车、电力机车所采用的几乎均为交流传动技术，牵引动力交流传动已经成为铁路车辆牵引方面的主要发展趋势，是实现铁路现代化发展的主要内容。
1.交流传动电力机车特征
与以往传统的交直传动相比来看，交流传动电力机车具有较为明显的优势特征。从供电系统角度来看，现阶段，我国大部分铁路所使用的均是传统的交直传动，这种机车的主要不足在于电网谐波较大、功率因数较大、低次谐波分量较高。因此，在使用的过程中需要安装因数补偿装置来提升功率。而在现代交流传动电力机车中，以电压型变流器作为变流系统，包括四象限脉宽调整器、三相逆变器、直流环节构成。其中，四象限整流器的主要作用便是能够将电网当中的单相交流电向直流电转变。不但能够对机车电网的测功率进行调整，使其因数逐渐向1接近，还能够使三次谐波的分量也得到顯著的降低。交流传动机车的另一个特征在于再生制动的功率较大，几乎与牵引功率相一致，并且功率因数也与1相近[1]。
2.功率因数
电力机车功率因素的计算公式为：
式中，P代表的是机车原边功率，P的计算公式为：
式中，U1代表的是原边电压的基波分量；I1代表的是原边电流的基波分量。U代表的是原边电压；I代表的是原边变流。
当四象限整流器通过脉宽调制器进行调制时，可以首先将机车的原边电流和电压的相位角调整为0，也就是的值为1。由于受到谐波电流的影响，通过上式能够看出，机车因数数值不超过1。但是，在经过脉宽进行调制以后，机车原边电流中的谐波逐渐降低，导致机车因数逐渐向1靠拢，通常达到0.98-0.99范围内。
在相控交直传动机车中，由于机车不具备功率因数补偿装置，功率最高值达到0.82左右，通常情况下不超过0.82。在拥有功率因素补偿装置的机车中，从理论上来看能够使机车补偿因数提升到0.9，但是事实上，并没有达到十分良好的补偿效果。因此，在牵引变电中设置功率因数补偿装置，在对补偿容量进行计算时，通常因数值为0.78，要求补偿后的因数应上升到0.9以上。
牵引负荷功率因数将会对因数补偿装置的容量产生极大的影响，同时还会影响到接触网供电臂中的容量、长度等。在计算的过程中，假设交流传动机车的数值为0.99，则交直机车的为0.85，接触网的阻抗值为0.83Ω，长度为65.22Ω。同时，假设牵引负荷主要集中在供电臂的末端，且阻抗长度、供电形式与接触网的结构有较大的关联。通过上述交流传动机车的计算能够得出，随着功率因数的不断提升，变电所输出电压逐渐增加，最大达到27.5kv，供电臂末端电压最小为19kv，相同供电臂长度的条件下，变电所输出的牵引负荷容量得到显著的提升。当供电臂的长度为15km时，通过交流传动的方式，使牵引负荷量由12390kw上升到18220kw，大约提升了47%。从另一方面来看，在保障满足电压的情况下，假设牵引容量的数值不发生变化，通过交流传动机车的方式，适当的增加供电臂的长度，也能够使变电所中的数量减少。当牵引负荷的数值为12390kv时，通过交流传动的方式，供电臂的长度范围为15km到22.05km之间，大约提升了47%[2]。
3.谐波电流
在相关条例中对高压系统总谐波的电压畸变率进行了规定，畸变率的比率应为3%，并且对畸变负荷的衡量方式进行了明确。在铁路中的牵引负荷类型为畸变负荷，在电流中具有谐波分量，因此需要采取相应的措施，使电流当中的谐波值尽量的减少，使公用电网中对谐波限制的要求得到充分的满足。
在对交直传动机车进行牵引是，谐波大多为三、五、七次，尤其是在三次谐波当中，含有率最大，大约为22%。随着谐波次数的逐渐增加，谐波的含有率开始逐渐的降低。相控机车中谐波的含有率具有较强的随机性，需要根据实际需求来设置，在交流传动机车中，主要使用脉宽调制四象限整流器的方式是，使电流中的谐波量降低，并且也不再以三次谐波为主，而是采用更高次的谐波。交流电力机车的谐波数值与四想象脉宽的调制策略有较大的关联，并且调制的方式有许多种，其中最为常用，也是最行之有效的方式便是正弦脉宽调制。
正弦脉宽调制的主要原理为：在控制系统中，首先将正弦波Ur与反弦波-Ur之间进行对比，三角波Uc与正弦波的交界处为四象限整流器元件开关，从而能够在整流器输入端得出三角波的幅值比例。载波Uc与正弦波Ur频率的比例为P，P的计算方式为fe与fr的比值。在四想象整流器的输出端，电压基波的分量为U1，Ur为频率和控制新系统的相位相同。通过对实际情况的分析可知，U1的最大值与M之间呈现出正相关关系，也就是U1max=M：Ud；电压谐波的最大值与调制比M之间存在联系，M的数值越大，则电压的谐波越小，当M的数量为1时，电压的谐波处于最小状态。
由整流器输入端所产生的电流谐波的计算方式为：
式中，I（h）为四象限的输入端中电流和电压的有效值，其中，I（h）归算原边为电网电流的第h次谐波。其中，h代表的是谐波的次数，X代表的是归算的短路电抗与供电网路中电抗的总和，对于高次谐波来说，电阻对其产生的影响可以忽略不计[3]。
4.再生制动
在我国国产的电力机车当中，除了SS7系列机车属于再生制动以外，其他均属于电阻制动。在电阻制动的过程中，机车不但需要从电网当中吸收功率，为辅助电源提供电量。在加馈电阻制动区域中，还能够从电网当中吸收进大量的功率，为牵引电机制动功率提供电量，以此来保障机车的制动力始终处于充足状态。而再生制动机车则能够将能量反馈给电网，由于在机车制动保护的过程中，对稳定性拥有较高的要求，通常在牵引电机回路中需要吸收大量的电阻，并且电阻将消耗掉大量的能量，真正进入到电网当中的能量实则较少。例如，SS7系列机车中，机车最大的功率因数为4000kw，要想提升电阻的稳定性，则需要消耗掉1400KW，也就是制动功率中的30%。同时，机车在再生制动的过程中，功率因数与电流畸变相比来看，也要相差很多。
在交流传动机车当中，其再生制动的功率值较大，通常与额定的牵引功率相同，除了制动功率与机车辅助电路的消耗以外，剩余的功率全部返还到了电网当中，起到十分显著的节能效果，并且制动的功率因数与1之间也较为接近，电流当中的谐波分量较小。
结束语：
综上所述，交流传动机车具有功率因数较高、再生制动功率较大、谐波电流较小等特征。功率因数的提升能够为供电网提供更多能量，在牵引负荷相同的情况下，适当的延长供电臂长度，能够使变电所设置的数量减少。同时，牵引变电所中补偿系统的容量也将有效降低，甚至无需设置滤波器。另外，通过对交流传动的使用，能够使电力牵引供电系统的投资量降低，节省了大量线路运行成本，使经济性得到显著提升。
参考文献：
[1]陈学民. 浅谈电气化铁路供电系统对变电站电气设备影响分析与对策[J]. 电子制作，2013（10）：219-219.
[2]袁琳. 高速铁路牵引供电系统仿真建模与谐波分析[D]. 华东交通大学，2014.
[3]李健. 浅谈铁道电气化铁路牵引供电系统[J]. 商品与质量：房地产研究，2014（7）：59-59.
关键词：牵引力；交流传动；电气化铁路；供电系统
引言：
现阶段，我国机动车数量显著增加，城市轻轨、铁路、内燃机车、电力机车所采用的几乎均为交流传动技术，牵引动力交流传动已经成为铁路车辆牵引方面的主要发展趋势，是实现铁路现代化发展的主要内容。
1.交流传动电力机车特征
与以往传统的交直传动相比来看，交流传动电力机车具有较为明显的优势特征。从供电系统角度来看，现阶段，我国大部分铁路所使用的均是传统的交直传动，这种机车的主要不足在于电网谐波较大、功率因数较大、低次谐波分量较高。因此，在使用的过程中需要安装因数补偿装置来提升功率。而在现代交流传动电力机车中，以电压型变流器作为变流系统，包括四象限脉宽调整器、三相逆变器、直流环节构成。其中，四象限整流器的主要作用便是能够将电网当中的单相交流电向直流电转变。不但能够对机车电网的测功率进行调整，使其因数逐渐向1接近，还能够使三次谐波的分量也得到顯著的降低。交流传动机车的另一个特征在于再生制动的功率较大，几乎与牵引功率相一致，并且功率因数也与1相近[1]。
2.功率因数
电力机车功率因素的计算公式为：
式中，P代表的是机车原边功率，P的计算公式为：
式中，U1代表的是原边电压的基波分量；I1代表的是原边电流的基波分量。U代表的是原边电压；I代表的是原边变流。
当四象限整流器通过脉宽调制器进行调制时，可以首先将机车的原边电流和电压的相位角调整为0，也就是的值为1。由于受到谐波电流的影响，通过上式能够看出，机车因数数值不超过1。但是，在经过脉宽进行调制以后，机车原边电流中的谐波逐渐降低，导致机车因数逐渐向1靠拢，通常达到0.98-0.99范围内。
在相控交直传动机车中，由于机车不具备功率因数补偿装置，功率最高值达到0.82左右，通常情况下不超过0.82。在拥有功率因素补偿装置的机车中，从理论上来看能够使机车补偿因数提升到0.9，但是事实上，并没有达到十分良好的补偿效果。因此，在牵引变电中设置功率因数补偿装置，在对补偿容量进行计算时，通常因数值为0.78，要求补偿后的因数应上升到0.9以上。
牵引负荷功率因数将会对因数补偿装置的容量产生极大的影响，同时还会影响到接触网供电臂中的容量、长度等。在计算的过程中，假设交流传动机车的数值为0.99，则交直机车的为0.85，接触网的阻抗值为0.83Ω，长度为65.22Ω。同时，假设牵引负荷主要集中在供电臂的末端，且阻抗长度、供电形式与接触网的结构有较大的关联。通过上述交流传动机车的计算能够得出，随着功率因数的不断提升，变电所输出电压逐渐增加，最大达到27.5kv，供电臂末端电压最小为19kv，相同供电臂长度的条件下，变电所输出的牵引负荷容量得到显著的提升。当供电臂的长度为15km时，通过交流传动的方式，使牵引负荷量由12390kw上升到18220kw，大约提升了47%。从另一方面来看，在保障满足电压的情况下，假设牵引容量的数值不发生变化，通过交流传动机车的方式，适当的增加供电臂的长度，也能够使变电所中的数量减少。当牵引负荷的数值为12390kv时，通过交流传动的方式，供电臂的长度范围为15km到22.05km之间，大约提升了47%[2]。
3.谐波电流
在相关条例中对高压系统总谐波的电压畸变率进行了规定，畸变率的比率应为3%，并且对畸变负荷的衡量方式进行了明确。在铁路中的牵引负荷类型为畸变负荷，在电流中具有谐波分量，因此需要采取相应的措施，使电流当中的谐波值尽量的减少，使公用电网中对谐波限制的要求得到充分的满足。
在对交直传动机车进行牵引是，谐波大多为三、五、七次，尤其是在三次谐波当中，含有率最大，大约为22%。随着谐波次数的逐渐增加，谐波的含有率开始逐渐的降低。相控机车中谐波的含有率具有较强的随机性，需要根据实际需求来设置，在交流传动机车中，主要使用脉宽调制四象限整流器的方式是，使电流中的谐波量降低，并且也不再以三次谐波为主，而是采用更高次的谐波。交流电力机车的谐波数值与四想象脉宽的调制策略有较大的关联，并且调制的方式有许多种，其中最为常用，也是最行之有效的方式便是正弦脉宽调制。
正弦脉宽调制的主要原理为：在控制系统中，首先将正弦波Ur与反弦波-Ur之间进行对比，三角波Uc与正弦波的交界处为四象限整流器元件开关，从而能够在整流器输入端得出三角波的幅值比例。载波Uc与正弦波Ur频率的比例为P，P的计算方式为fe与fr的比值。在四想象整流器的输出端，电压基波的分量为U1，Ur为频率和控制新系统的相位相同。通过对实际情况的分析可知，U1的最大值与M之间呈现出正相关关系，也就是U1max=M：Ud；电压谐波的最大值与调制比M之间存在联系，M的数值越大，则电压的谐波越小，当M的数量为1时，电压的谐波处于最小状态。
由整流器输入端所产生的电流谐波的计算方式为：
式中，I（h）为四象限的输入端中电流和电压的有效值，其中，I（h）归算原边为电网电流的第h次谐波。其中，h代表的是谐波的次数，X代表的是归算的短路电抗与供电网路中电抗的总和，对于高次谐波来说，电阻对其产生的影响可以忽略不计[3]。
4.再生制动
在我国国产的电力机车当中，除了SS7系列机车属于再生制动以外，其他均属于电阻制动。在电阻制动的过程中，机车不但需要从电网当中吸收功率，为辅助电源提供电量。在加馈电阻制动区域中，还能够从电网当中吸收进大量的功率，为牵引电机制动功率提供电量，以此来保障机车的制动力始终处于充足状态。而再生制动机车则能够将能量反馈给电网，由于在机车制动保护的过程中，对稳定性拥有较高的要求，通常在牵引电机回路中需要吸收大量的电阻，并且电阻将消耗掉大量的能量，真正进入到电网当中的能量实则较少。例如，SS7系列机车中，机车最大的功率因数为4000kw，要想提升电阻的稳定性，则需要消耗掉1400KW，也就是制动功率中的30%。同时，机车在再生制动的过程中，功率因数与电流畸变相比来看，也要相差很多。
在交流传动机车当中，其再生制动的功率值较大，通常与额定的牵引功率相同，除了制动功率与机车辅助电路的消耗以外，剩余的功率全部返还到了电网当中，起到十分显著的节能效果，并且制动的功率因数与1之间也较为接近，电流当中的谐波分量较小。
结束语：
综上所述，交流传动机车具有功率因数较高、再生制动功率较大、谐波电流较小等特征。功率因数的提升能够为供电网提供更多能量，在牵引负荷相同的情况下，适当的延长供电臂长度，能够使变电所设置的数量减少。同时，牵引变电所中补偿系统的容量也将有效降低，甚至无需设置滤波器。另外，通过对交流传动的使用，能够使电力牵引供电系统的投资量降低，节省了大量线路运行成本，使经济性得到显著提升。
参考文献：
[1]陈学民. 浅谈电气化铁路供电系统对变电站电气设备影响分析与对策[J]. 电子制作，2013（10）：219-219.
[2]袁琳. 高速铁路牵引供电系统仿真建模与谐波分析[D]. 华东交通大学，2014.
[3]李健. 浅谈铁道电气化铁路牵引供电系统[J]. 商品与质量：房地产研究，2014（7）：59-59.