交流變頻調(diào)速在軌道交通牽引系統(tǒng)中的應(yīng)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?yàn)槿魏我环N新器件的出現(xiàn)，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(kuò)大其應(yīng)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(dá)國(guó)家廣泛地應(yīng)用于鐵路和城市軌道交通系統(tǒng)。我國(guó)目前鐵路和城市軌道交通的發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)柏林舉辦的世界貿(mào)易博覽會(huì)上，由西門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(zhǎng)只有300m，在上面運(yùn)行的電力機(jī)車只有954kg，最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)13 km，看起來(lái)好像現(xiàn)在的電動(dòng)玩具。但在其拖車上，確實(shí)能夠搭載數(shù)名乘客，在4個(gè)月的展覽期間共運(yùn)送8萬(wàn)多位乘客。這被認(rèn)為是世界電氣化鐵路的先驅(qū)。1881年，西門子和哈爾斯克公司又在柏林近郊的利希特菲爾德車站和軍事學(xué)院之間修建了一條長(zhǎng)2 145m的電車線路，同年又在法國(guó)巴黎國(guó)際電工展覽會(huì)上展出了第一條長(zhǎng)500m的由2條架空導(dǎo)線供電的電車線路，這就為提高電壓、采用大功率牽引電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造了條件。這種電車形式的電氣化鐵路的出現(xiàn)，引起了西歐、美國(guó)和日本的極大興趣，在接下來(lái)的一段時(shí)間，英國(guó)、瑞典、美國(guó)、日本、德國(guó)、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(yīng)用在市內(nèi)交通、近郊線路和工礦線路上。隨著工業(yè)的發(fā)展，電氣化鐵路也開始發(fā)展到城市間的干線鐵路上來(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(tǒng)在電氣化鐵路的機(jī)車牽引中并沒(méi)有占主導(dǎo)地位，但是人們對(duì)交流傳動(dòng)的追求和探索一直沒(méi)有停止。

20世紀(jì)50年代后，西方工業(yè)化國(guó)家為了滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需求，開始大規(guī)模地進(jìn)行鐵路現(xiàn)代化建設(shè)。各國(guó)都開始大量興建電氣化鐵路，電氣化鐵路在總的鐵路通車?yán)锍讨兴急壤絹?lái)越大，修建的國(guó)家也越來(lái)越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(guó)家和地區(qū)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(guó)家和地區(qū)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(guó)家的電氣化率為23％，歐洲國(guó)家的電氣化率達(dá)到了46％。共有11個(gè)國(guó)家(瑞士、瑞典、意大利、日本、西班牙、波蘭、俄羅斯、南非、德國(guó)、法國(guó)、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(dá)98％。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步，又重新喚起人們對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的熱情。自1971年世界首臺(tái)采用異步交流傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車DE2500問(wèn)世以來(lái)，交流傳動(dòng)系統(tǒng)以其突出的優(yōu)越性受到了各國(guó)鐵路運(yùn)輸部門的關(guān)注，獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并已基本取代了直流傳動(dòng)系統(tǒng)。與直流傳動(dòng)機(jī)車相比，交流傳動(dòng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，這已經(jīng)在各國(guó)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中得到了廣泛的驗(yàn)證。交流傳動(dòng)所用的三相交流異步電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)的功率／體積比和功率／重量比更大，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)，故障率低。異步電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)比直流電動(dòng)機(jī)大許多，轉(zhuǎn)速更高，起動(dòng)牽引力大，持續(xù)功率大，有利于實(shí)現(xiàn)重載和高速牽引。交流傳動(dòng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)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(jié)能節(jié)油的作用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。另外，交流傳動(dòng)機(jī)車的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)良的粘著特性，由于異步交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很硬的機(jī)械特性，車輪更不容易打滑或者空轉(zhuǎn)。其次，交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引和再生工況的功率因數(shù)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(duì)信號(hào)和通信系統(tǒng)的干擾。再者，機(jī)車采用交流牽引電動(dòng)機(jī)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(jī)車輪緣磨耗。隨著磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能異步電動(dòng)機(jī)控制策略的應(yīng)用，交流傳動(dòng)機(jī)車的調(diào)速性能已經(jīng)能夠達(dá)到甚至超過(guò)直流傳動(dòng)機(jī)車。表1是國(guó)外比較有代表性的使用交流傳動(dòng)的電力機(jī)車和電動(dòng)車組。

大容量交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)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(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是出現(xiàn)了高壓IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)為代表的雙極型復(fù)合器件，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅(qū)動(dòng)、低損耗和智能模塊化的方向推進(jìn)。伴隨著器件的發(fā)展，高壓大容量交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也日益高性能化。90年代在歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)，大功率半導(dǎo)體元件的應(yīng)用已由晶閘管進(jìn)入到GTO，甚至到高壓IGBT；機(jī)車電力傳動(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(jī)車已停止生產(chǎn)，完成了向交流傳動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

此外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使十分復(fù)雜的交流傳動(dòng)控制變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)，其電壓和電流及開關(guān)頻率不斷提高，已完全能滿足機(jī)車車輛變流領(lǐng)域的需要。變流裝置結(jié)合完善的冷卻技術(shù)、保護(hù)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(duì)鐵路運(yùn)輸又提出了更高的要求，例如快速、舒適，節(jié)能及減少污染等。隨著科學(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(xiàn)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開通運(yùn)營(yíng)，拉開了世界高速鐵路發(fā)展的序幕。1981年以后，法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙等國(guó)相繼進(jìn)行高速鐵路建設(shè)。法國(guó)的TGV，德國(guó)的ICE系列高速列車就是其中的代表。國(guó)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的鐵路新線或允許最高運(yùn)營(yíng)速度大于200km/h的鐵路既有線，可以稱為高速鐵路。如今的高速列車早就采用了交流傳動(dòng)并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，采用GTO以及更新的IGBT變流元件，運(yùn)營(yíng)速度可以達(dá)到300km/h，最新的法國(guó)的AGV列車和韓國(guó)的HSR350x列車時(shí)速可以達(dá)到350km。高速鐵路將傳統(tǒng)的發(fā)展了100多年的鐵路的固有優(yōu)勢(shì)更加提升，在綜合交通運(yùn)輸體系中與其他現(xiàn)代交通運(yùn)輸方式相比具有如下優(yōu)勢(shì)：1)最安全的大運(yùn)能交通 高速鐵路現(xiàn)代化的、完善的安全保障技術(shù)，可以防止人為的過(guò)失、設(shè)備故障及自然災(zāi)害等突發(fā)事件引起的事故。2)高效節(jié)能的綠色交通 相對(duì)而言，按照每人km消耗能量計(jì)，高速鐵路比汽車和飛機(jī)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(jì)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。高速鐵路沿線地區(qū)還有利于吸引人口，增加就業(yè)機(jī)會(huì)，有助于工商企業(yè)發(fā)展和增加城市財(cái)政收入，是一條生氣勃勃的經(jīng)濟(jì)帶。