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汽車電子論文|變頻傳動技術(shù)在城市交通車輛中的應(yīng)用
【論文摘要】本文介紹了變頻傳動技術(shù)在城市交通車輛中的應(yīng)用，所產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)效益，同時闡述了變頻傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢。--------------------------------------------------------------------------------
一。概述：
隨著現(xiàn)代電力電子器件、智能功率集成模塊問世，控制理論及微電子技術(shù)的發(fā)展使異步電動機(jī)的調(diào)壓變頻調(diào)速得以順利實(shí)現(xiàn)，從而使交流變頻傳動廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，并正在逐步取代直流傳動系統(tǒng)，同時隨著大功率自關(guān)斷器件的日趨完善和以微處理器件為核心的數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展更促進(jìn)了交流變頻傳動系統(tǒng)在城市交通車輛中的應(yīng)用。
二。變頻傳動技術(shù)在國外的應(yīng)用情況
城市軌道機(jī)車在國外發(fā)展已有100多年的歷史，隨著現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，其電力傳動系統(tǒng)有了很大的變化，其驅(qū)動與調(diào)速系統(tǒng)由最初的變阻調(diào)速發(fā)展到斬波器調(diào)速，進(jìn)而發(fā)展到應(yīng)用交流三相異步牽引電動機(jī)采用調(diào)壓變頻調(diào)速（VVVF）的傳動技術(shù)。由于這種變頻傳動技術(shù)的優(yōu)良性，因此目前世界上德、日等發(fā)達(dá)國家近來研制的地鐵和輕軌車輛幾乎全部采用交流電傳動變頻調(diào)速技術(shù)。而且隨著能源、環(huán)保與人類的關(guān)系越來越密切，采用這種調(diào)速技術(shù)的機(jī)車將會被更廣闊的市場及社會所接受。
例，根據(jù)有關(guān)資料記載的德國采用BR120型交流變頻傳動電力機(jī)車試驗的結(jié)果表明這種性能的機(jī)車比直流傳動車輛具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
�、佟Ｔ谙嗤持貢r，牽引力提高30%;
�、�。功率因素高（COSφ可達(dá)到1），電網(wǎng)利用率提高30%;
�、�。由于它采用電力電子器件取代了有觸點(diǎn)器件，維修費(fèi)可降低50%;
�、�。無故障運(yùn)行超過40萬KM;
�、�。節(jié)能顯著，采用GTO變頻器的交流電傳動裝置比相同容量使用斬波調(diào)速的直流傳動裝置效率可提
高6——7%.據(jù)有關(guān)資料介紹，一輛5600KW的機(jī)車每小時可節(jié)電392度，若按年運(yùn)行3000小時，則每年節(jié)電可達(dá)117.6萬度。其顯著的節(jié)能效果，將會帶來顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。
目前國際上，在交流電傳動車輛處于領(lǐng)先水平的日本和德國基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVV逆變器（簡稱GTO變頻器）和異步牽引電動機(jī)配套組成變頻傳動系統(tǒng)。
日本在1990年后生產(chǎn)的GTO變頻器容量就達(dá)到了4500V、3000A.日本于1991年11月統(tǒng)計公布的所有日本交流變頻調(diào)速車的主要參數(shù)。其本上都是采用由日立、東芝、三菱電機(jī)、富士電機(jī)和東洋電公司制造的GTO變頻器。東洋公司從1986年到1990年底止，就已為23種車型提供的GTO變頻器。據(jù)有關(guān)資料介紹，1 9 9 4年日本生產(chǎn)的1 0 0 KW以下的中小功率變頻器已達(dá)1 00萬臺。除日本外，歐美等發(fā)達(dá)國家目前已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。
目前，世界上德、日等發(fā)達(dá)國家近年來新研制的地鐵和輕軌列車，幾乎全部采用交流變頻傳動技術(shù)；而三點(diǎn)式逆變器用于交流傳動系統(tǒng)，在德國和日本則已有應(yīng)用，在1993年德國就已經(jīng)有成千臺用此方案構(gòu)成的IGBT三點(diǎn)式逆變器用于輕軌電車上。
三。變頻傳動技術(shù)在我國城市交通車輛上應(yīng)用的特點(diǎn)及效益
1）。交流變頻調(diào)速傳動的車輛的優(yōu)點(diǎn)：
交流變頻傳動系統(tǒng)一般由三相交流異步電動機(jī)、變頻器及其控制裝置組成。它與直流傳動系統(tǒng)相比其顯著的優(yōu)點(diǎn)如下：
異步電動機(jī)比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，沒有換向器，運(yùn)行可靠，重量輕，效率較高而且價格低廉。其機(jī)械特性較硬，具有優(yōu)異的牽引性能。而用其控制電路比直流傳動系統(tǒng)簡單，維護(hù)十分容易。
2）目前，我國使用新型的變頻節(jié)能無軌電車的節(jié)能情況：
如廣州本田公司將200臺變頻電車取代152臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制車。在實(shí)際的營運(yùn)路線上，他們分別對各種電車進(jìn)行了耗電量測定，他們測量的結(jié)果表明，新型車耗電量為電阻式控制車的72.6%.其測量結(jié)果見下表：
根據(jù)他們對200臺新型變頻車與200臺舊車一年的耗電量比較計算，新型車的耗電約減少24%,由此可見新型變頻傳動控制的車輛節(jié)電效果十分明顯。根據(jù)有關(guān)資料介紹，采用GTO變頻器傳動的裝置比相同容量的斬波調(diào)速直流傳動裝動裝置效率提高6——7%.如上所述，變頻傳動技術(shù)在城市交通輛的應(yīng)用已取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國電子工業(yè)部在電子工業(yè)“九五”規(guī)劃中就已經(jīng)將以變頻器傳動裝置為代表的節(jié)能技術(shù)列為發(fā)展重點(diǎn)之一。
我國于1996年研制成功了AC4000型交流傳動電力機(jī)。目前750VDC系統(tǒng)下的地鐵車輛每臺牽引電動機(jī)功率約90——160KW,因此采用600——1000A/1200V 的IBGT構(gòu)成三點(diǎn)式逆變器傳動系統(tǒng)，已能達(dá)到所需的容量。我國的廣州地鐵車原來準(zhǔn)備用直流斬波調(diào)速車，為了考慮到與國際先進(jìn)水平發(fā)展趨勢一致、節(jié)約能源及經(jīng)濟(jì)合理性，因而最終也確定了選擇三相交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的傳動方案。
目前在我國工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中為了節(jié)約能源，也開始了用變頻傳動技術(shù)來改造設(shè)備。
四。變頻傳動技術(shù)的發(fā)展
城市軌道交通車輛的牽引電動機(jī)長期以來都普遍采用直流旋轉(zhuǎn)電動機(jī)。其傳動方式有變阻控制和斬波調(diào)壓控制。變阻控制在老式城市軌道車輛上普通使用，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于車頻繁啟動和制動，使20%的電能消耗在電阻上，這種方式大多已被淘汰。
隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，從不控型整流管到半控型晶閘管（SCR）、80年代中后期以來的門極可關(guān)斷全控型晶閘管（GTO）、巨型晶體管GTR到絕緣門極雙極型晶體管IGBT等的研制成功，從而便研制、開發(fā)出了功率等級不同的將驅(qū)動、保護(hù)、自我檢測及功率輸出集于一體的變頻調(diào)速產(chǎn)品。交流變頻調(diào)速裝置一出現(xiàn)就以其優(yōu)秀的調(diào)速性能及明顯的節(jié)電效果迅猛發(fā)展，并逐步取代的過去的滑差調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速、串級調(diào)速、中頻發(fā)電機(jī)組及直流調(diào)速裝置。因而，世界上各國都非常重視其發(fā)展。
在80年代后期，發(fā)展起來的使用VVVF變頻控制最新技術(shù)的城市軌道車輛已進(jìn)入實(shí)用階段。VVVF傳動系統(tǒng)是將直流750V或1500V通過GTO逆變器和微機(jī)獲得一個頻率和電壓可控制的三相交流電源，使交流異步牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以平滑調(diào)節(jié)。由于采用了微機(jī)控制，可使系統(tǒng)更可靠，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動檢測和故障珍斷，為車輛安全的運(yùn)行、維修及保養(yǎng)提供了極大方便。
由于GTO關(guān)斷增益低、關(guān)斷損耗大、且存在二次擊穿危險等缺點(diǎn)，因此使GTO的應(yīng)用前景正引起爭議。近年來兼有GTR 和MOS-FET兩者優(yōu)點(diǎn)的IGBT發(fā)展很快，目前已進(jìn)入第四代產(chǎn)品，耐壓也已提高到3300——4500V,電流可達(dá)到1000A以上。IGBT器件與可關(guān)斷晶閘管GTO相比有較多優(yōu)點(diǎn)，IGBT為電壓驅(qū)動、開關(guān)頻率高及抗干擾與貫穿短路保護(hù)能力強(qiáng)，因而損耗小，性能好及工作可靠，此外大功率IGBT模塊本身絕緣，外殼不帶電，冷卻方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。雖然目前IGBT耐壓不如GTO高，但可采用新型的三點(diǎn)式電壓型逆變器，其電壓不僅可用耐壓等級低一半的器件，而用還有效地減少諧波電流，抑制了電磁噪聲，IGBT的開關(guān)時間只有GTO的1/6,開關(guān)頻率可提高到以往約3倍的1500HZ,使三點(diǎn)式IGBT逆變器噪聲降低15DB,IGBT的門極控制功率不到GTO的1/1000,電流、電壓的安全工作區(qū)寬，所需的吸收用電容器小，因而比GTO變頻器體積和重量降低40%左右。
目前由高壓大電流的GTO和IGBT模塊構(gòu)成的變壓變頻裝置和微機(jī)技術(shù)在車輛上的應(yīng)用已取得了很大進(jìn)展。
由于交流變頻傳動比直流傳動有著粘著利用高，幾乎無需維護(hù)，運(yùn)行可靠及節(jié)約能源等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而除干線鐵路外，對城市軌道交通用地鐵與輕軌列車發(fā)展交流變頻調(diào)速傳動是當(dāng)前必然的趨勢。
如上所述，目前在750VDC系統(tǒng)下運(yùn)行的地鐵中采用成熟的批量生產(chǎn)的價廉的耐壓1200V TGBT構(gòu)成三點(diǎn)式逆變器實(shí)現(xiàn)地鐵車輛交流傳動方案，造價不貴，也是符合現(xiàn)在城市軌道機(jī)車發(fā)展的趨勢。
五。結(jié)語
我國地鐵車輛電力傳動系統(tǒng)從直流到交流，從變阻調(diào)速到斬波器調(diào)速，進(jìn)而發(fā)展到使用三相異步電動機(jī)的變頻傳動技術(shù)。而且對城市軌道交通750VDC系統(tǒng)中地鐵或輕軌車輛上采用交流傳動所需的電氣設(shè)備，我國已完全能夠自已設(shè)計和制造。目前在規(guī)劃的上海地鐵二號線和新建的廣州地鐵一號線都選擇了三相異步電機(jī)交流變頻傳動方案。從而使我國鐵路機(jī)車工業(yè)跨入了研制發(fā)展綠色交通的國際先進(jìn)行列。
最新發(fā)展的交流牽引電動機(jī)采用變頻變壓控制（VVVF）的調(diào)速方式，它使用逆變器將直流換成為交流，以電壓和頻率的變化來控制交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已被公認(rèn)為在調(diào)速性能和節(jié)能上是最為先進(jìn)的調(diào)速方式，它與交流電機(jī)配合，無換向部分，運(yùn)行可靠，過載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，幾乎不須維修，現(xiàn)已在德國、日本等國已經(jīng)得到了應(yīng)用。它也是今后城市軌道交通車輛發(fā)展的趨勢。
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