交流變頻調速在軌道交通牽引系統中的應用

交流傳動(dòng)全面取代直流傳動(dòng)已經(jīng)成為不可逆轉的趨勢
伴隨著(zhù)電力半導體器件的發(fā)展和微電子、計算機技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動(dòng)機調速控制理論也有較大發(fā)展最開(kāi)始的轉差－頻率控制基于異步電動(dòng)機的穩態(tài)數學(xué)模型，動(dòng)態(tài)性能差，調速不理想。20世紀70年代初提出了矢量控制(又稱(chēng)轉子磁場(chǎng)定向控制)概念，它基于直流調速系統的控制思想對異步電動(dòng)機進(jìn)行矢量解耦，實(shí)現了磁鏈、轉矩的獨立調節，且動(dòng)態(tài)響應性能好，但同時(shí)也帶來(lái)了新的難題，即轉子參數及變化規律難以測定。80年代中期提出了直接轉矩控制，它基于定子磁場(chǎng)，數學(xué)模型簡(jiǎn)單，定子參數及變化規律易于測定，動(dòng)態(tài)響應性能好，但諧波不受控制。90年代智能控制如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，以及非線(xiàn)性控制理論的發(fā)展，也給電動(dòng)機調速注入了新的活力，目前這方面的研究很活躍。矢量控制和直接轉矩控制作為比較精確的交流調速方案，都已經(jīng)應用到實(shí)際的商業(yè)化產(chǎn)品中，在機車(chē)牽引傳動(dòng)領(lǐng)域也有其重要應用(見(jiàn)表1)，使機車(chē)在電氣牽引領(lǐng)域上了一個(gè)臺階，發(fā)揮了重要的作用。特別是直接轉矩控制，由于其與矢量控制相比較，具有控制結構簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應快，對電動(dòng)機本身參數變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)，是一種特別適合對速度的精度要求不高，但是要求快速準確的轉矩控制的電氣牽引的控制方案。所以，從80年代提出以來(lái)，直接轉矩控制得到廣泛重視，在電氣牽引、機車(chē)傳動(dòng)領(lǐng)域得到了很好的應用。

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。

在電力機車(chē)用高壓大容量的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，自80年代初GTO研制成功以來(lái)，就成為該領(lǐng)域的主力器件。如日本日立公司在1981年成功研制出用2 500 V/1 000 A 的大功率GTO器件組成的600 kVA GTO變頻器率先用于電力機車(chē)上。1989年國外利用4 500 V/2 000A GTO研制成5 600kW PWM控制的時(shí)速為200 km的電力機車(chē)。近幾年來(lái)，電力半導體器件的發(fā)展重點(diǎn)是MOS雙極型器件(IGBT 和IGCT)和場(chǎng)控器件，其中IGBT已日趨成熟，并在中小功率應用中成為主要器件。IGBT是80年代中期問(wèn)世的一種新型電力半導體器件。它兼有MOSFET的快速響應，高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降，高電流密度的特性。目前已發(fā)展到第三代，如日本三菱公司1995年推出專(zhuān)門(mén)用于電力機車(chē)和其輔助電源用的1 700 V/400 A IGBT模塊。EUPEC公司可生產(chǎn)耐壓達3 300～4 500 V ，電流達2 400 A 的模塊，并逐漸向更高電壓、更大功率應用領(lǐng)域進(jìn)軍，有取代GTO的趨勢。法國也在研究采用IGBT器件構成的新一代高速電力機車(chē)。與GTO相比，電力機車(chē)采用IGBT器件有如下優(yōu)點(diǎn)：
1) 可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)控制 IGBT 開(kāi)關(guān)頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過(guò)幾百赫茲，頻率提高可使系統實(shí)現低噪聲和小型化。
2)通過(guò)電壓驅動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，驅動(dòng)功率小。由于IGBT 是M O S 與雙極型復合器件。它具有MOSFET 高輸入阻抗特性，可以通過(guò)電壓驅動(dòng)。而GTO的關(guān)斷門(mén)極電流可達導通電流的20%～50%。它的驅動(dòng)電路需要專(zhuān)門(mén)設計。
3)IGBT易于并聯(lián)，可做成模塊化的IPM，以簡(jiǎn)化裝置結構。這方面三菱公司已有產(chǎn)品推出。

可以預計，下一代的電力機車(chē)等高壓大容量電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，也將普遍應用IGBT，以取代 GTO，這已成為一種趨勢。