交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用与发展趋势

交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用与发展趋势

电气化铁路和城市轨道交通从直流到交流传动的迅猛发展，是和新兴的电力电子器件的发展密不可分的。因为任何一种新器件的出现，都会为电力变换技术和控制技术的发展创造突破口，从而大幅度提高变频器的性能和扩大其应用范围。
　　电气化交通已经有上百年的发展历史，在工业发达国家广泛地应用于铁路和城市轨道交通系统。我国目前铁路和城市轨道交通的发展与国民经济的需求及世界先进水平相比，还存在很大差距。但是，通过几代人的努力，一个交通全面电气化和牵引交流变频化的时代正在到来。
　　

世界轨道交通电气化的发展历程
　　1879年5月31日，在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路。这条铁路长只有300m，在上面运行的电力机车只有954kg，最高运行时速达13 km，看起来好像现在的电动玩具。但在其拖车上，确实能够搭载数名乘客，在4个月的展览期间共运送8万多位乘客。这被认为是世界电气化铁路的先驱。1881年，西门子和哈尔斯克公司又在柏林近郊的利希特菲尔德车站和军事学院之间修建了一条长2 145m的电车线路，同年又在法国巴黎国际电工展览会上展出了第一条长500m的由2条架空导线供电的电车线路，这就为提高电压、采用大功率牵引电动机创造了条件。这种电车形式的电气化铁路的出现，引起了西欧、美国和日本的极大兴趣，在接下来的一段时间，英国、瑞典、美国、日本、德国、意大利也都纷纷兴建了各自的电气化铁路。早期的电气化铁路大都采用低压直流和三相交流供电，主要应用在市内交通、近郊线路和工矿线路上。随着工业的发展，电气化铁路也开始发展到城市间的干线铁路上来。但是由于科学技术发展水平的制约，交流传动系统在电气化铁路的机车牵引中并没有占主导地位，但是人们对交流传动的追求和探索一直没有停止。
　　20世纪50年代后，西方工业化国家为了满足日益增长的运输需求，开始大规模地进行铁路现代化建设。各国都开始大量兴建电气化铁路，电气化铁路在总的铁路通车里程中所占比例越来越大，修建的国家也越来越多。据不完全统计，到2002年底，全世界铁路的总营业里程为1 185 518．5km，其中没有修建电气化铁道的国家和地区为64个，铁路总营业里程为105 054 km；已修建电气化铁道的国家和地区为65个，铁路总营业里程为1 080 464．5 km，电气化铁道总营业里程为261 688 km。已经兴建了电气化铁路的国家的电气化率为23％，欧洲国家的电气化率达到了46％。共有11个国家(瑞士、瑞典、意大利、日本、西班牙、波兰、俄罗斯、南非、德国、法国、乌克兰)电气化铁道营业里程在5 000km以上且电气化率在40％以上，其中瑞士的电气化率更是高达98％。
　　20世纪70年代以来，电力电子学和微电子技术的出现和进步，又重新唤起人们对交流传动系统的热情。自1971年世界首台采用异步交流传动系统的内燃机车DE2500问世以来，交流传动系统以其突出的优越性受到了各国铁路运输部门的关注，获得了长足的发展，并已基本取代了直流传动系统。与直流传动机车相比，交流传动具有无可比拟的优越性，这已经在各国铁路运输系统中得到了广泛的验证。交流传动所用的三相交流异步电动机比直流电动机的功率／体积比和功率／重量比更大，无需经常维护，故障率低。异步电动机的恒功率区比直流电动机大许多，转速更高，起动牵引力大，持续功率大，有利于实现重载和高速牵引。交流传动可以很容易地实现电气制动，大大减少制动闸瓦的消耗，并可以利用制动时反馈的能量，起到节能节油的作用，经济效益显著。另外，交流传动机车的一个突出的优点在于其优良的粘着特性，由于异步交流电动机变频调速系统具有很硬的机械特性，车轮更不容易打滑或者空转。其次，交流传动电力机车牵引和再生工况的功率因数均接近于1，不仅降低了电网损耗而且在再生制动时可将高质量电能反馈给电网，消除了电网对信号和通信系统的干扰。再者，机车采用交流牵引电动机后，簧下重量大大减轻，改善了轮轨动力学性能，降低了机车轮缘磨耗。随着磁场定向矢量控制和直接转矩控制等高性能异步电动机控制策略的应用，交流传动机车的调速性能已经能够达到甚至超过直流传动机车。表1是国外比较有代表性的使用交流传动的电力机车和电动车组。

　　大容量交流电动机控制系统的发展和电力电子器件的发展是休戚相关的。 80年代以来，以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件有了长足的发展，尤其是出现了高压IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)为代表的双极型复合器件，使得电力电子器件正沿着大容量、高频、易驱动、低损耗和智能模块化的方向推进。伴随着器件的发展，高压大容量交流电动机控制系统也日益高性能化。90年代在欧、美、日等发达国家与地区，大功率半导体元件的应用已由晶闸管进入到GTO，甚至到高压IGBT；机车电力传动已由直流传动全面发展到交流传动，直流传动机车已停止生产，完成了向交流传动的转换。
　　此外，计算机技术的发展使十分复杂的交流传动控制变得越来越容易实现，从而进一步促进了交流传动技术的成熟与发展。新型可关断功率器件不断涌现，其电压和电流及开关频率不断提高，已完全能满足机车车辆变流领域的需要。变流装置结合完善的冷却技术、保护技术使其具有可靠、无维修的优点。
　　在铁路电气化、牵引交流化的发展浪潮中，人们对铁路运输又提出了更高的要求，例如快速、舒适，节能及减少污染等。随着科学技术的发展以及人们生产生活的需要，高速电气化铁路已经成为现在世界铁路的发展方向。1964年10月1日，日本东京至大阪的东海道新干线开通运营，拉开了世界高速铁路发展的序幕。1981年以后，法国、德国、意大利、西班牙等国相继进行高速铁路建设。法国的TGV，德国的ICE系列高速列车就是其中的代表。国际铁路联盟(UIC)曾经有过一个定义，允许最高速度大于等于250km/h的铁路新线或允许最高运营速度大于200km/h的铁路既有线，可以称为高速铁路。如今的高速列车早就采用了交流传动并采用计算机进行控制，采用GTO以及更新的IGBT变流元件，运营速度可以达到300km/h，最新的法国的AGV列车和韩国的HSR350x列车时速可以达到350km。高速铁路将传统的发展了100多年的铁路的固有优势更加提升，在综合交通运输体系中与其他现代交通运输方式相比具有如下优势：1)最安全的大运能交通 高速铁路现代化的、完善的安全保障技术，可以防止人为的过失、设备故障及自然灾害等突发事件引起的事故。2)高效节能的绿色交通 相对而言，按照每人km消耗能量计，高速铁路比汽车和飞机要小得多。而且高速铁路使用的是二次能源——电力，牵引无废气、煤烟和粉尘污染，噪声也比高速公路小，占用的土地也要少得多。3)经济和社会效益好 高速铁路处于产业链和交通链的顶端，发展高速铁路能够起到拉动相关产业和相关交通的龙头作用。高速铁路沿线地区还有利于吸引人口，增加就业机会，有助于工商企业发展和增加城市财政收入，是一条生气勃勃的经济带。
　　现在，越来越多的国家已经拥有了或者正在或者准备建设高速铁路。截至2003 年底，世界上时速超过250km的高速铁路运营里程已达到5 900km，还有近3 000km高速铁路在建。计划到2015年，世界上拥有高速铁路的国家和地区将达到23个，总里程会达到30 000km，欧洲地区将形成高速铁路网联通。表2所列的是到2002年底国外正在运营的高速铁路概括。
 　　铁路电气化的发展也带动了城市轨道交通的发展，地铁、轻轨等城市轨道交通也已经采用交流传动系统。随着城市经济、文化活动的日益发展，人口以及道路车辆的增加， 城市交通量与运能之间的矛盾日显突出， 城市交通问题成为影响市民工作生活的突出问题，也成为制约城市经济发展的重要障碍。另外，由汽车带来的废气、噪声、振动等环境污染也愈来愈引起人们的重视。在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通系统来解决日益恶化的城市交通问题，并且逐步形成了目前以地铁为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通发展格局。其中发展最快最多的就是地铁。地铁跟城市中其他交通工具相比，除了有运量大、速度快、无污染的优点外，还十分安全。1989年10月17日，美国旧金山海湾地区发生7.1级大地震，正在运行的地铁安然无恙。据日本地下铁道协会统计，到1999年全世界已有115个城市建成了地下铁道线路总长度超过7 000 km。现在，地铁、轻轨以及其他轨道交通在城市交通系统中正发挥着越来越重要的作用。
　　例如莫斯科地铁是世界上最繁忙的地铁之一，800多万莫斯科市民平均每人每天要乘坐一次地铁，地铁担负了该市客运量的44％。东京地铁的营业里程和年客运量与莫斯科地铁十分接近。巴黎地铁的日客运量已超过1000万人次。纽约的公共交通以地铁为主，它的营业线路总长居世界首位，日客运量已达到2000万人次，占该市各种交通工具运量的60％。香港地铁运行后大大缓解地面交通，现在在公共交通市场的占有率达到47％。