变频传动技术在城市交通车辆中的应用

作者：南车集团资阳机车厂 蔡永量

欢迎访问e展厅 展厅 2 变频器展厅 矢量变频器, 变频调速设备, ... 摘要：本文介绍了变频传动技术在城市交通车辆中的应用，所产生的社会经济效益，同时阐述了变频传动技术的发展趋势。 一．概述： 随着现代电力电子器件、智能功率集成模块问世，控制理论及微电子技术的发展使异步电动机的调压变频调速得以顺利实现，从而使交流变频传动广泛应用于国民经济各部门，并正在逐步取代直流传动系统，同时随着大功率自关断器件的日趋完善和以微处理器件为核心的数字控制技术的发展更促进了交流变频传动系统在城市交通车辆中的应用。 二．变频传动技术在国外的应用情况 城市轨道机车在国外发展已有100多年的历史，随着现代技术的应用及发展，其电力传动系统有了很大的变化，其驱动与调速系统由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进而发展到应用交流三相异步牵引电动机采用调压变频调速（VVVF）的传动技术。由于这种变频传动技术的优良性，因此目前世界上德、日等发达国家近来研制的地铁和轻轨车辆几乎全部采用交流电传动变频调速技术。而且随着能源、环保与人类的关系越来越密切，采用这种调速技术的机车将会被更广阔的市场及社会所接受。 例，根据有关资料记载的德国采用BR120型交流变频传动电力机车试验的结果表明这种性能的机车比直流传动车辆具有以下显著的优点： ①.在相同粘重时，牵引力提高30%； ②.功率因素高(COSφ可达到1)，电网利用率提高30%； ③.由于它采用电力电子器件取代了有触点器件，维修费可降低50%； ④.无故障运行超过40万KM； ⑤.节能显著，采用GTO变频器的交流电传动装置比相同容量使用斩波调速的直流传动装置效率可提高6～7%。据有关资料介绍，一辆5600KW的机车每小时可节电392度，若按年运行3000小时，则每年节电可达117.6万度。其显著的节能效果，将会带来显著的社会经济效益。 目前国际上，在交流电传动车辆处于领先水平的日本和德国基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVV逆变器（简称GTO变频器）和异步牵引电动机配套组成变频传动系统。 日本在1990年后生产的GTO变频器容量就达到了4500V、3000A。日本于1991年11月统计公布的所有日本交流变频调速车的主要参数。其本上都是采用由日立、东芝、三菱电机、富士电机和东洋电公司制造的GTO变频器。东洋公司从1986年到1990年底止，就已为23种车型提供的GTO变频器。据有关资料介绍，1 9 9 4年日本生产的1 0 0 KW以下的中小功率变频器已达1 00万台。除日本外，欧美等发达国家目前已形成了较完整的变频器技术产业体系。 目前，世界上德、日等发达国家近年来新研制的地铁和轻轨列车，几乎全部采用交流变频传动技术；而三点式逆变器用于交流传动系统，在德国和日本则已有应用，在1993年德国就已经有成千台用此方案构成的IGBT三点式逆变器用于轻轨电车上。 三．变频传动技术在我国城市交通车辆上应用的特点及效益 1）.交流变频调速传动的车辆的优点： 交流变频传动系统一般由三相交流异步电动机、变频器及其控制装置组成。它与直流传动系统相比其显著的优点如下： 异步电动机比直流电动机结构简单，没有换向器，运行可靠，重量轻，效率较高而且价格低廉。其机械特性较硬，具有优异的牵引性能。而用其控制电路比直流传动系统简单，维护十分容易。 2）目前，我国使用新型的变频节能无轨电车的节能情况： 如广州本田公司将200台变频电车取代152台电阻式控制的旧电车和48台斩波控制车。在实际的营运路线上，他们分别对各种电车进行了耗电量测定，他们测量的结果表明，新型车耗电量为电阻式控制车的72.6%。其测量结果见下表： 根据他们对200台新型变频车与200台旧车一年的耗电量比较计算，新型车的耗电约减少24%，由此可见新型变频传动控制的车辆节电效果十分明显。根据有关资料介绍，采用GTO变频器传动的装置比相同容量的斩波调速直流传动装动装置效率提高6～7%。如上所述，变频传动技术在城市交通辆的应用已取得了明显的技术经济效益。因此，我国电子工业部在电子工业“九五”规划中就已经将以变频器传动装置为代表的节能技术列为发展重点之一。 我国于1996年研制成功了AC4000型交流传动电力机。目前750VDC系统下的地铁车辆每台牵引电动机功率约90～160KW，因此采用600～1000A/1200V 的IBGT构成三点式逆变器传动系统，已能达到所需的容量。我国的广州地铁车原来准备用直流斩波调速车，为了考虑到与国际先进水平发展趋势一致、节约能源及经济合理性，因而最终也确定了选择三相交流异步电动机变频调速的传动方案。 目前在我国工业生产的各个领域中为了节约能源，也开始了用变频传动技术来改造设备。 四．变频传动技术的发展 城市轨道交通车辆的牵引电动机长期以来都普遍采用直流旋转电动机。其传动方式有变阻控制和斩波调压控制。变阻控制在老式城市轨道车辆上普通使用，虽然结构简单，但由于车频繁启动和制动，使20%的电能消耗在电阻上，这种方式大多已被淘汰。 随着电力电子器件的迅速发展，从不控型整流管到半控型晶闸管（SCR）、80年代中后期以来的门极可关断全控型晶闸管（GTO）、巨型晶体管GTR到绝缘门极双极型晶体管IGBT等的研制成功，从而便研制、开发出了功率等级不同的将驱动、保护、自我检测及功率输出集于一体的变频调速产品。交流变频调速装置一出现就以其优秀的调速性能及明显的节电效果迅猛发展，并逐步取代的过去的滑差调速、整流子电机调速、串级调速、中频发电机组及直流调速装置。因而，世界上各国都非常重视其发展。 在80年代后期，发展起来的使用VVVF变频控制最新技术的城市轨道车辆已进入实用阶段。VVVF传动系统是将直流750V或1500V通过GTO逆变器和微机获得一个频率和电压可控制的三相交流电源，使交流异步牵引电动机的转速可以平滑调节。由于采用了微机控制，可使系统更可靠，还可实现系统自动检测和故障珍断，为车辆安全的运行、维修及保养提供了极大方便。 由于GTO关断增益低、关断损耗大、且存在二次击穿危险等缺点，因此使GTO的应用前景正引起争议。近年来兼有GTR 和MOS-FET两者优点的IGBT发展很快，目前已进入第四代产品，耐压也已提高到3300～4500V，电流可达到1000A以上。IGBT器件与可关断晶闸管GTO相比有较多优点，IGBT为电压驱动、开关频率高及抗干扰与贯穿短路保护能力强，因而损耗小，性能好及工作可靠，此外大功率IGBT模块本身绝缘，外壳不带电，冷却方便，系统结构简单。虽然目前IGBT耐压不如GTO高，但可采用新型的三点式电压型逆变器，其电压不仅可用耐压等级低一半的器件，而用还有效地减少谐波电流，抑制了电磁噪声，IGBT的开关时间只有GTO的1/6，开关频率可提高到以往约3倍的1500HZ，使三点式IGBT逆变器噪声降低15DB，IGBT的门极控制功率不到GTO的1/1000，电流、电压的安全工作区宽，所需的吸收用电容器小，因而比GTO变频器体积和重量降低40%左右。 目前由高压大电流的GTO和IGBT模块构成的变压变频装置和微机技术在车辆上的应用已取得了很大进展。 由于交流变频传动比直流传动有着粘着利用高，几乎无需维护，运行可靠及节约能源等一系列优点，因而除干线铁路外，对城市轨道交通用地铁与轻轨列车发展交流变频调速传动是当前必然的趋势。 如上所述，目前在750VDC系统下运行的地铁中采用成熟的批量生产的价廉的耐压1200V TGBT构成三点式逆变器实现地铁车辆交流传动方案，造价不贵，也是符合现在城市轨道机车发展的趋势。 五．结语 我国地铁车辆电力传动系统从直流到交流，从变阻调速到斩波器调速，进而发展到使用三相异步电动机的变频传动技术。而且对城市轨道交通750VDC系统中地铁或轻轨车辆上采用交流传动所需的电气设备，我国已完全能够自已设计和制造。目前在规划的上海地铁二号线和新建的广州地铁一号线都选择了三相异步电机交流变频传动方案。从而使我国铁路机车工业跨入了研制发展绿色交通的国际先进行列。 最新发展的交流牵引电动机采用变频变压控制（VVVF）的调速方式，它使用逆变器将直流换成为交流，以电压和频率的变化来控制交流电机的调速系统已被公认为在调速性能和节能上是最为先进的调速方式，它与交流电机配合，无换向部分，运行可靠，过载能力强，结构简单，重量轻，几乎不须维修，现已在德国、日本等国已经得到了应用。它也是今后城市轨道交通车辆发展的趋势。(end)

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