電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展

1、電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展第一組電力牽引傳動(dòng)與電力電子器件存在相互促進(jìn)和相互依存的密切關(guān)系， 電力傳 動(dòng)是按照直一直傳動(dòng)、 交一直傳動(dòng)再到交一直一交傳動(dòng)的過(guò)程發(fā)展的， 而為了滿(mǎn) 足這一發(fā)展歷程， 離不開(kāi)電力電子器件和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的高速發(fā)展。 現(xiàn)代 電力電子器件的發(fā)展迅猛，開(kāi)發(fā)周期愈來(lái)愈短，如快速晶閘管、GTQft閘管、GIBT、 IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對(duì)新器件的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，從而促 進(jìn)了牽引傳動(dòng)方式的進(jìn)步。1 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的發(fā)展1.1 電力電子器件的發(fā)展自 1957 年晶閘管問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕

2、生，從此電子技術(shù)向兩個(gè) 分支發(fā)展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對(duì)信息處理的微電子技術(shù)， 其發(fā) 展特點(diǎn)是集成度愈來(lái)愈高， 集成規(guī)模越來(lái)越大， 功能越來(lái)越全。 另一支是以晶閘 管為核心形成對(duì)電力處理的電力電子技術(shù)， 其發(fā)展特點(diǎn)是晶閘管的派生器件越來(lái) 越多，功率越來(lái)越大，性能越來(lái)越好。傳統(tǒng)的電力電子器件已發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段， 但在實(shí)際中卻存在兩個(gè)制約 其繼續(xù)發(fā)展的致命因素。 一是控制功能上的欠缺， 因?yàn)橥ㄟ^(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通 而不能控制其關(guān)斷， 屬于半控型器件。 二是此類(lèi)器件立足于分立元件結(jié)構(gòu)， 開(kāi)通 損耗大，工作頻率難以提高，一般情況下難以高于 400Hz,因而大大地限制了其 應(yīng)用圍。因此，

3、半控制器件的發(fā)展已處于停滯狀態(tài)。到了 70年代末，可關(guān)斷晶閘管（GTO）器件日趨成熟，標(biāo)志著電力電子器件 已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控制型器件。進(jìn)入 80年代以后，伴隨著GTO器件的 發(fā)展及成熟，MOS器件的開(kāi)發(fā)則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）獨(dú)占鰲頭。 至此電力電子器件又從電流控制型器件發(fā)展到電壓控制型器件。 90 年代，電力 電子器件又在向智能化、 模塊化方向發(fā)展， 力求將電力器件與驅(qū)動(dòng)電路、 保護(hù)電 路、檢測(cè)電路等集成在一個(gè)芯片或模塊，使裝置更趨小型化、智能化，其典型器 件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)又具有 GTC器件的 導(dǎo)通特性，且制造成本較低（與G

4、TC和IGBT相比），可以獲得和GTC晶閘管一樣 的產(chǎn)量，即其集IGBT與GTC二者優(yōu)勢(shì)于一身，預(yù)計(jì)今后會(huì)在更多的工業(yè)和牽引領(lǐng)域中發(fā)揮作用總之，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了從半控到全控、 從電流控制型到電壓控制 型、從單個(gè)元件到模塊化再到智能化的發(fā)展過(guò)程。1.2 電氣牽引控制技術(shù)的發(fā)展1.2.1 牽引 / 制動(dòng)特性軌道運(yùn)輸裝備的牽引 / 制動(dòng)特性是其最基本、 最重要的性能， 是運(yùn)輸裝備設(shè) 計(jì)首要考慮的重要因素之一， 它包括了運(yùn)輸裝備的持續(xù)運(yùn)行速度、 最高運(yùn)行速度、 牽引/ 制動(dòng)力特性以及裝備的加速性能，以滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸?shù)男枨?。在軌道運(yùn)輸裝 備減速制動(dòng)時(shí)通常優(yōu)先采用再生制動(dòng)， 將電機(jī)回饋的電能通過(guò)變流

5、裝置回饋給電 網(wǎng)，達(dá)到綠色環(huán)保節(jié)能的目的。 在系統(tǒng)研究與實(shí)際工程應(yīng)用中， 采用高功率密度 變流裝置、 變壓器、牽引電機(jī)和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)電機(jī)控制策略， 在實(shí)現(xiàn)對(duì)電 機(jī)的牽引 / 制動(dòng)特性準(zhǔn)確控制的同時(shí)，獲得毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)矩階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。電氣牽引傳動(dòng)粗分為以下幾種方式：1）直流電網(wǎng)供電直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即直直傳動(dòng)。2）直流供電交流異步傳動(dòng)，即直交傳動(dòng)。3）單相交流供電直流（脈流）電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即交直傳動(dòng)。4）單相交流供電三相交流異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng) , 即交交傳動(dòng)。1.3 控制技術(shù)1.3.1 PWM 控制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（pwm是現(xiàn)代變流技術(shù)廣泛應(yīng)用的起點(diǎn)，是奠定綠色變 頻節(jié)能的基礎(chǔ)。 其通過(guò)改變輸

6、出脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的輸出電壓與頻率， 從 而實(shí)現(xiàn)交流到直流，直流到交流的能量變換。通常采用的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM技術(shù)在三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)，以合成旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量為參 考，三相逆變器8種不同開(kāi)關(guān)模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。1.3.2 傳動(dòng)控制技術(shù)傳動(dòng)控制技術(shù)是牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)， 傳動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)由轉(zhuǎn)差電流控 制發(fā)展成矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。1）轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)是一種早期的用于控制交流異步電機(jī)的方法， 基于異步電 動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型， 控制性能遠(yuǎn)不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 差。2）矢量控制技術(shù)矢量控制，又稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制

7、（FOC,其基本原理是將異步電動(dòng)機(jī)的定子 電流正交分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 （勵(lì)磁電流） 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 （轉(zhuǎn) 矩電流）分別加以控制， 并同時(shí)控制兩分量的幅值， 從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 矩的目的。 矢量控制策略存在一些固有缺點(diǎn)， 比如轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)， 對(duì)電 機(jī)參數(shù)比較敏感， 實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)矢量控制必須具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)功 能。與直接轉(zhuǎn)矩控制相比， 矢量控制具有直接的電流閉環(huán)控制特點(diǎn)， 電流控制的 穩(wěn)定性高，有獨(dú)立的PW碉制單元，決定其轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的平均 值。如果在大功率低開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用時(shí)， 高速區(qū)必須采用同步調(diào)制技術(shù)。 同步調(diào)制 技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制相比， 開(kāi)關(guān)

8、頻率利用不充分， 在逆變器峰值電流、 電機(jī)諧波 損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、 直流側(cè)電流諧波等重要性能指標(biāo)上比直接轉(zhuǎn)矩控制差。 而直接 轉(zhuǎn)矩控制PWMB制在磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制中直接實(shí)現(xiàn)， 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能高，但在低速高 開(kāi)關(guān)頻率區(qū)性能比矢量控制差。 通常在小功率高開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用矢量控制， 在 大功率低開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制。3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能異步電動(dòng) 機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。 與矢量控制不同， 直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來(lái)間 接控制電流， 不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換， 因此具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及 對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)， 它在很大程度上解決了

9、矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 計(jì)算量大、 對(duì)參數(shù)變化敏感等問(wèn)題。 直接轉(zhuǎn)矩控制可以充分利用逆變器的開(kāi)關(guān)頻率， 從而特 別適用于大功率牽引傳動(dòng)領(lǐng)域。2 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用2.1 電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引中的應(yīng)用發(fā)展80 年代以前，在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域，電力電子器件主要用于直流傳動(dòng)系統(tǒng) 中的整流器和斬波器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件主要是晶閘管。進(jìn)入 80 年代以后，隨著交流傳動(dòng)技術(shù)日趨成熟，電力電子器件又有了新的 用武之地，其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：整流器、斬波器、電力制動(dòng)、逆變器 以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。 這一時(shí)期在這些應(yīng)用領(lǐng)域采用的電力電子器件主要是晶閘管 和 GTO。進(jìn)入 90 年代

10、以后，交流傳動(dòng)在電力機(jī)車(chē)、燃機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組上得以大量地推 廣應(yīng)用，使電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域中有了更廣闊的應(yīng)用前景。 這一時(shí) 期其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要是牽引變流器，主要采用的電力電子器件是GTO和IGBT。根據(jù)電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)， 預(yù)計(jì)在今后幾年， 電力電子器件將在 以下方面取得進(jìn)展：(1) 已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級(jí)、易于驅(qū)動(dòng)和更高工作頻率這 三個(gè)方面繼續(xù)改善和提高。(2) 由于 MCT、IGBT、IGCT 等器件的大容量化及實(shí)用化， 在更多的領(lǐng)域， IGBT 和 IGCT 將取代 GTO。(3) IGCT 等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。(4) 功率集成電路將會(huì)有

11、更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入 一個(gè)新的時(shí)代。(5) 新型半導(dǎo)體材料 SiC 的問(wèn)世， 將預(yù)示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生一種集高耐 壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度、無(wú)吸收電路、簡(jiǎn)單的門(mén)極驅(qū)動(dòng)、低損耗等所有優(yōu)點(diǎn)于 一身的新型 SiC 電力器件。2.2 IGBT 在軌道車(chē)輛牽引變流器的應(yīng)用由于 IGBT 器件屬電壓驅(qū)動(dòng)的全控型開(kāi)關(guān)器件，脈沖開(kāi)關(guān)頻率高，性能好， 損耗小，且自保護(hù)能力也強(qiáng)。 為此，目前世界上無(wú)論是干線(xiàn)鐵路還是城市軌道的 電動(dòng)車(chē)輛的電氣系統(tǒng)中均采用 IGBT 模塊來(lái)構(gòu)成。隨著 IGBT 性能的迅速發(fā)展， IGBT 模塊的電壓等級(jí)和電流容量在不斷提高， 從1991 年生產(chǎn)出了小型 IGB

12、T 模 塊，其電壓等級(jí)為1200V/300A,很快取代了在工業(yè)上通用變頻器中所用的雙極 型晶體管；1993年出現(xiàn)了 1700V/300A的IGBT，并已開(kāi)始在城市電車(chē)上獲得推廣 應(yīng)用；到 2000 年后更出現(xiàn)了 1700V/2400A , 3300V/1200A 和 6500V/600A 的高壓 IGBT，這些高壓HV IGBT很快地應(yīng)用到鐵道與城市地鐵輕軌車(chē)輛中，由于其性 能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊， 整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊輕巧， 且采用了低感母線(xiàn)技 術(shù)與軟門(mén)極的驅(qū)動(dòng)技術(shù)并解決了熱循環(huán)的壽命問(wèn)題，目前， HVIGBT 模塊已成為 軌道電力牽引系統(tǒng)中應(yīng)用的主導(dǎo)元件。 隨著城市發(fā)展， 城軌交通供電網(wǎng)

13、壓制也從 早期的 600V DC 和 750V DC 發(fā)展為 1500V DC 網(wǎng)壓制，以適應(yīng)大城市大客流量 發(fā)展的需要。網(wǎng)壓的提高對(duì)電力電子器件的電壓等級(jí)提出了更高的要求， IGBT 模 塊的電壓等級(jí)也從1200V發(fā)展到L700V, 3300V以及4500V和6500V電壓等級(jí)水 平。3 軌道車(chē)輛牽引變流器的發(fā)展3.1 車(chē)輛用 IGBT 逆變器的開(kāi)發(fā)當(dāng)電壓等級(jí)不夠高時(shí)，在德國(guó)和日本曾用 1200V 和 1700V 等級(jí) IGBT 構(gòu)成 三點(diǎn)式（三電平）逆變器用于750V和1500V電網(wǎng)。隨著新一代IGBT迅速發(fā)展， 尤其是 3300V 等級(jí) IGBT 的批量生產(chǎn)，用這類(lèi)電壓等級(jí)的模塊 （器件

14、）構(gòu)成兩電平 （兩點(diǎn)式）逆變器能夠滿(mǎn)足在 3300V 電網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用，因而在上世紀(jì)末國(guó)外生產(chǎn) 的地鐵輕軌電動(dòng)車(chē)輛以及部分干線(xiàn)電力機(jī)車(chē)動(dòng)車(chē)都已采用這類(lèi)高壓 HV IGBT 模 塊。雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、 脈沖頻率低、 電壓上升 率也低及損耗小等優(yōu)點(diǎn)， 但是其主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 所用器件多出一倍， 這是它不 足之點(diǎn)。所以在城軌車(chē)輛中目前都采用 IGBT 構(gòu)成的兩電平逆變器，而在干線(xiàn)電 力機(jī)車(chē)中，采用4500V等級(jí)或6500V等級(jí)的HV IGBT來(lái)構(gòu)成兩電平逆變器。當(dāng) 然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點(diǎn)， 目前在日本仍有不少的應(yīng) 用。3.2 無(wú)吸收電路式逆變器在軌道

15、車(chē)輛上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式 IGBT 模 塊比那些非絕緣式的 GTO器件就更能體現(xiàn)出滿(mǎn)足這一要求的特點(diǎn)。通過(guò)采用低 感母線(xiàn)技術(shù)以盡量降低母線(xiàn)的寄生電感來(lái)達(dá)到抑制關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓的目的， 使 逆變器可以取消吸收電路，這樣進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，縮小了體積。 在1500V網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電能押制在 2300V以。應(yīng)用了低感 母線(xiàn)技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低 了。3.3 軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般高壓IGBT模塊在關(guān)斷時(shí)其電壓上升率陡峭可達(dá) 5000V/卩S,通過(guò)應(yīng)用 軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大抑制電壓上升率 dV/dt，將其降

16、低到2000V/卩S,尖峰 電壓也控制 2300V 之。此外，這電壓上升率 dV/dt 的降低對(duì)裝置中工作的各類(lèi) 器件都是大為有利的。由于采用了軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)同時(shí)也降低了 IGBT 的損耗。4 未來(lái)技術(shù)的發(fā)展4.1 功率器件碳化硅（SiC）是一種物理化學(xué)特性?xún)H次于金剛石的化合物半導(dǎo)體材料，有 著非常優(yōu)秀的物理特性。 可極大地提高電力電子變換器的效率， 使各類(lèi)變換器的 體積減少到原來(lái)的5%20%具有耐高壓（達(dá)數(shù)萬(wàn)伏）、耐高溫（大于500 C）的 特性, 被公認(rèn)為是下一代電力電子器件的最佳候選者之一。4.2 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù) 現(xiàn)代高速列車(chē)通過(guò)車(chē)地信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到安全運(yùn)行的要求。 隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的 日益發(fā)展

17、， 無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越被各行各業(yè)所接受。 通過(guò)采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) （LAN）和GPRS/GS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快捷的信息處理；采用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)高 速列車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)； 采用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程列車(chē)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)技 術(shù)等，從而擺脫地面設(shè)備的束縛，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)列車(chē)狀態(tài)的跟蹤運(yùn)行。4.3 新一代傳動(dòng)控制技術(shù)4.3.1 永磁驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù) 與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高能流密度、高功率因數(shù)、高效率、體積小、重量輕等特點(diǎn)， 與同容量的異步電機(jī)相比， 永磁同步電機(jī)的體積和重量大 約能減少15%- 30加右；轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過(guò)載能力強(qiáng)；噪聲低，可靠性高；結(jié)構(gòu)多 樣化，應(yīng)用圍廣。 永磁同步電機(jī)將在未來(lái)取代

18、異步電機(jī)， 成為軌道牽引傳動(dòng)的主 流牽引電機(jī)。 近年來(lái)對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究， 小功率的永磁驅(qū)動(dòng) 技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)上批量裝車(chē)應(yīng)用，正針對(duì)“ 500 km/h 高速動(dòng)車(chē)組”項(xiàng)目進(jìn) 行大功率永磁驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)的研究。4.3.2 無(wú)速度傳感器控制技術(shù)無(wú)速度傳感器控制技術(shù)可減小牽引電機(jī)的體積和傳感器故障的發(fā)生率， 大大 提高了傳動(dòng)控制單元的系統(tǒng)可靠性。 省掉速度傳感器及連接電纜的費(fèi)用， 節(jié)約了 成本。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)近年來(lái)已成為交流傳動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)。 目前，已 經(jīng)成功完成了異步電機(jī)無(wú)速度傳感器技術(shù)的理論研究與地面試驗(yàn)， 攻克了逆變器 保護(hù)封鎖后的帶速度重投、 極低速定子零頻附近的額定轉(zhuǎn)矩發(fā)揮以及再生制動(dòng)狀態(tài)等技術(shù)難題，正在積極進(jìn)行工程化的應(yīng)用研究。4.3.3 現(xiàn)代控制技術(shù)改進(jìn)無(wú)論是矢量控制技術(shù)， 還是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)， 在對(duì)于電機(jī)參數(shù)可能發(fā)生的 變化時(shí)，都會(huì)影響變頻