交流變頻調速在軌道交通牽引系統中的應用

電氣化鐵路和城市軌道交通從直流到交流傳動(dòng)的迅猛發(fā)展，是和新興的電力電子器件的發(fā)展密不可分的。因為任何一種新器件的出現，都會(huì )為電力變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展創(chuàng )造突破口，從而大幅度提高變頻器的性能和擴大其應用范圍。

電氣化交通已經(jīng)有上百年的發(fā)展歷史，在工業(yè)發(fā)達國家廣泛地應用于鐵路和城市軌道交通系統。我國目前鐵路和城市軌道交通的發(fā)展與國民經(jīng)濟的需求及世界先進(jìn)水平相比，還存在很大差距。但是，通過(guò)幾代人的努力，一個(gè)交通全面電氣化和牽引交流變頻化的時(shí)代正在到來(lái)。

世界軌道交通電氣化的發(fā)展歷程
1879年5月31日，在德國柏林舉辦的世界貿易博覽會(huì )上，由西門(mén)子和哈爾斯克公司展出了世界上第一條電氣化鐵路。這條鐵路長(cháng)只有300m，在上面運行的電力機車(chē)只有954kg，最高運行時(shí)速達13 km，看起來(lái)好像現在的電動(dòng)玩具。但在其拖車(chē)上，確實(shí)能夠搭載數名乘客，在4個(gè)月的展覽期間共運送8萬(wàn)多位乘客。這被認為是世界電氣化鐵路的先驅。1881年，西門(mén)子和哈爾斯克公司又在柏林近郊的利希特菲爾德車(chē)站和軍事學(xué)院之間修建了一條長(cháng)2 145m的電車(chē)線(xiàn)路，同年又在法國巴黎國際電工展覽會(huì )上展出了第一條長(cháng)500m的由2條架空導線(xiàn)供電的電車(chē)線(xiàn)路，這就為提高電壓、采用大功率牽引電動(dòng)機創(chuàng )造了條件。這種電車(chē)形式的電氣化鐵路的出現，引起了西歐、美國和日本的極大興趣，在接下來(lái)的一段時(shí)間，英國、瑞典、美國、日本、德國、意大利也都紛紛興建了各自的電氣化鐵路。早期的電氣化鐵路大都采用低壓直流和三相交流供電，主要應用在市內交通、近郊線(xiàn)路和工礦線(xiàn)路上。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，電氣化鐵路也開(kāi)始發(fā)展到城市間的干線(xiàn)鐵路上來(lái)。但是由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的制約，交流傳動(dòng)系統在電氣化鐵路的機車(chē)牽引中并沒(méi)有占主導地位，但是人們對交流傳動(dòng)的追求和探索一直沒(méi)有停止。

20世紀50年代后，西方工業(yè)化國家為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的運輸需求，開(kāi)始大規模地進(jìn)行鐵路現代化建設。各國都開(kāi)始大量興建電氣化鐵路，電氣化鐵路在總的鐵路通車(chē)里程中所占比例越來(lái)越大，修建的國家也越來(lái)越多。據不完全統計，到2002年底，全世界鐵路的總營(yíng)業(yè)里程為1 185 518．5km，其中沒(méi)有修建電氣化鐵道的國家和地區為64個(gè)，鐵路總營(yíng)業(yè)里程為105 054 km；已修建電氣化鐵道的國家和地區為65個(gè)，鐵路總營(yíng)業(yè)里程為1 080 464．5 km，電氣化鐵道總營(yíng)業(yè)里程為261 688 km。已經(jīng)興建了電氣化鐵路的國家的電氣化率為23％，歐洲國家的電氣化率達到了46％。共有11個(gè)國家(瑞士、瑞典、意大利、日本、西班牙、波蘭、俄羅斯、南非、德國、法國、烏克蘭)電氣化鐵道營(yíng)業(yè)里程在5 000km以上且電氣化率在40％以上，其中瑞士的電氣化率更是高達98％。

20世紀70年代以來(lái)，電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的出現和進(jìn)步，又重新喚起人們對交流傳動(dòng)系統的熱情。自1971年世界首臺采用異步交流傳動(dòng)系統的內燃機車(chē)DE2500問(wèn)世以來(lái)，交流傳動(dòng)系統以其突出的優(yōu)越性受到了各國鐵路運輸部門(mén)的關(guān)注，獲得了長(cháng)足的發(fā)展，并已基本取代了直流傳動(dòng)系統。與直流傳動(dòng)機車(chē)相比，交流傳動(dòng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，這已經(jīng)在各國鐵路運輸系統中得到了廣泛的驗證。交流傳動(dòng)所用的三相交流異步電動(dòng)機比直流電動(dòng)機的功率／體積比和功率／重量比更大，無(wú)需經(jīng)常維護，故障率低。異步電動(dòng)機的恒功率區比直流電動(dòng)機大許多，轉速更高，起動(dòng)牽引力大，持續功率大，有利于實(shí)現重載和高速牽引。交流傳動(dòng)可以很容易地實(shí)現電氣制動(dòng)，大大減少制動(dòng)閘瓦的消耗，并可以利用制動(dòng)時(shí)反饋的能量，起到節能節油的作用，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。另外，交流傳動(dòng)機車(chē)的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)良的粘著(zhù)特性，由于異步交流電動(dòng)機變頻調速系統具有很硬的機械特性，車(chē)輪更不容易打滑或者空轉。其次，交流傳動(dòng)電力機車(chē)牽引和再生工況的功率因數均接近于1，不僅降低了電網(wǎng)損耗而且在再生制動(dòng)時(shí)可將高質(zhì)量電能反饋給電網(wǎng)，消除了電網(wǎng)對信號和通信系統的干擾。再者，機車(chē)采用交流牽引電動(dòng)機后，簧下重量大大減輕，改善了輪軌動(dòng)力學(xué)性能，降低了機車(chē)輪緣磨耗。隨著(zhù)磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉矩控制等高性能異步電動(dòng)機控制策略的應用，交流傳動(dòng)機車(chē)的調速性能已經(jīng)能夠達到甚至超過(guò)直流傳動(dòng)機車(chē)。表1是國外比較有代表性的使用交流傳動(dòng)的電力機車(chē)和電動(dòng)車(chē)組。

大容量交流電動(dòng)機控制系統的發(fā)展和電力電子器件的發(fā)展是休戚相關(guān)的。 80年代以來(lái)，以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關(guān)斷器件有了長(cháng)足的發(fā)展，尤其是出現了高壓IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)為代表的雙極型復合器件，使得電力電子器件正沿著(zhù)大容量、高頻、易驅動(dòng)、低損耗和智能模塊化的方向推進(jìn)。伴隨著(zhù)器件的發(fā)展，高壓大容量交流電動(dòng)機控制系統也日益高性能化。90年代在歐、美、日等發(fā)達國家與地區，大功率半導體元件的應用已由晶閘管進(jìn)入到GTO，甚至到高壓IGBT；機車(chē)電力傳動(dòng)已由直流傳動(dòng)全面發(fā)展到交流傳動(dòng)，直流傳動(dòng)機車(chē)已停止生產(chǎn)，完成了向交流傳動(dòng)的轉換。

此外，計算機技術(shù)的發(fā)展使十分復雜的交流傳動(dòng)控制變得越來(lái)越容易實(shí)現，從而進(jìn)一步促進(jìn)了交流傳動(dòng)技術(shù)的成熟與發(fā)展。新型可關(guān)斷功率器件不斷涌現，其電壓和電流及開(kāi)關(guān)頻率不斷提高，已完全能滿(mǎn)足機車(chē)車(chē)輛變流領(lǐng)域的需要。變流裝置結合完善的冷卻技術(shù)、保護技術(shù)使其具有可靠、無(wú)維修的優(yōu)點(diǎn)。

在鐵路電氣化、牽引交流化的發(fā)展浪潮中，人們對鐵路運輸又提出了更高的要求，例如快速、舒適，節能及減少污染等。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生產(chǎn)生活的需要，高速電氣化鐵路已經(jīng)成為現在世界鐵路的發(fā)展方向。1964年10月1日，日本東京至大阪的東海道新干線(xiàn)開(kāi)通運營(yíng)，拉開(kāi)了世界高速鐵路發(fā)展的序幕。1981年以后，法國、德國、意大利、西班牙等國相繼進(jìn)行高速鐵路建設。法國的TGV，德國的ICE系列高速列車(chē)就是其中的代表。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)定義，允許最高速度大于等于250km/h的鐵路新線(xiàn)或允許最高運營(yíng)速度大于200km/h的鐵路既有線(xiàn)，可以稱(chēng)為高速鐵路。如今的高速列車(chē)早就采用了交流傳動(dòng)并采用計算機進(jìn)行控制，采用GTO以及更新的IGBT變流元件，運營(yíng)速度可以達到300km/h，最新的法國的AGV列車(chē)和韓國的HSR350x列車(chē)時(shí)速可以達到350km。高速鐵路將傳統的發(fā)展了100多年的鐵路的固有優(yōu)勢更加提升，在綜合交通運輸體系中與其他現代交通運輸方式相比具有如下優(yōu)勢：1)最安全的大運能交通 高速鐵路現代化的、完善的安全保障技術(shù)，可以防止人為的過(guò)失、設備故障及自然災害等突發(fā)事件引起的事故。2)高效節能的綠色交通 相對而言，按照每人km消耗能量計，高速鐵路比汽車(chē)和飛機要小得多。而且高速鐵路使用的是二次能源——電力，牽引無(wú)廢氣、煤煙和粉塵污染，噪聲也比高速公路小，占用的土地也要少得多。3)經(jīng)濟和社會(huì )效益好 高速鐵路處于產(chǎn)業(yè)鏈和交通鏈的頂端，發(fā)展高速鐵路能夠起到拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)交通的龍頭作用。高速鐵路沿線(xiàn)地區還有利于吸引人口，增加就業(yè)機會(huì )，有助于工商企業(yè)發(fā)展和增加城市財政收入，是一條生氣勃勃的經(jīng)濟帶。