交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用

中心议题：

• 世界各国轨道交通发展历史介绍
• 交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用

解决方案

• 采用交流传动可以节能节油，经济效益显著
• 高压大容量交流电动机控制系统与电力电子器件关系密切
• 高压IGBT、IGCT等双极型复合器件使得电力电子器件满足高压大容量交流电动机控制系统的需要

编者按：四万亿的巨大投资牵动了每一个人的神经，而其中很大一部分将集中在铁路建设方面，而西部大开发离不开轨道交通的发展。现在拿出这篇旧文章，虽然其中的一些说法已经过时，比如文中提到的筹建的京沪高速现在已经开工，但其中提到的电力电子的技术趋势仍然对业内人士具有启发意义。

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％。

我国轨道交通电气化的发展和现状
我国的电气化铁路建设，是从新中国成立以后开始的，比世界上其他几个电气化铁路大国要晚半个多世纪。

1961年8月15日，在新建的宝成线宝鸡至凤州段建成了我国第一条电气化铁路，全长93km。在这之后，由于各种各样的原因，我国的电气化铁路建设处于一个缓慢发展的时期。改革开放以后，特别是20世纪80年代以后，我国电气化铁路建设有了飞速发展。“六五”期间修建了电气化铁路2 507.53 km，“七五”期间修建了2 787.10 km，“八五”期间修建了3 012.21 km，“九五”期间修建了4 783.44 km，而且还顺利建成了我国第一条时速200 km的广深准高速电气化铁路，建设速度一年比一年快，建设规模也一年比一年大。进入21世纪，我国电气化铁路建设进一步加快，截止到2002年底，我国已建成了41条电气化铁路干(支)线，电气化铁路建设里程达到了18 615.73 km(营业里程为18 115.1 km)，已经超过日本、印度，跃居亚洲第一位，世界第三位，成为世界电气化铁路大网中的一员。预计到2010年，我国电气化铁路里程将达到26 000 km。到2010年，我国的5条主要繁忙长大干线——京哈线、京广线、京沪线、陇海线和沪杭浙赣线都将全线实现电气化，八纵八横16条主通道将有12条基本建成电气化铁路；还将建成京沈、京津、沪杭、长衡4条电气化客运专线；我国6个大区——西南、西本、华北、中南、东北和华东的电气化铁路将基本连接成网；我国第一条高速电气化铁路——京沪高速铁路也将全面动工兴建。到那时，我国铁路电气化率预计将达到34.6%(约占国家铁路营业里程的40％以上)，电气化铁路复线率将增加到68.9％，电气化铁路承担的客货运量将占铁路总运量的65％以上。

基本上与铁路的电气化进程同步，我国的电力机车也经历了“从无到有”，“从少到多”，“从低到高”的发展过程。1958年我国第一台干线电力机车诞生，实现了我国电力机车“零”的突破，电力机车产品“从无到有”； 1985年我国第一台相控电力机车——8轴SS4机车诞生，其后1990年SS5相控4轴客运电力机车、1991年SS6相控6轴客货两用电力机车、1992年SS7相控6轴机车、1994年SS8相控4轴准高速客运电力机车等的研制成功，形成我国第三代电力机车的多机型系列化， 电力机车品种“从少到多”；1996年我国第一台微机控制，架承式全悬挂轮对空心轴六连杆弹性传动的准高速客运电力机车(1998年6月试验最高速度达到240 km/h) 与交流传动电力机车的研制成功，标志着我国电力机车的研制进入了高科技领域，实现了从常速到高速和从交直传动到交直交传动的两个里程碑式的跨越，我国电力机车在新技术领域实现了“从低到高”。另外，在内燃机车方面，交流传动也在逐渐地取代直流传动。1999年9月8日，我国首台交流传动内燃机车在青岛四方机车车辆厂诞生。这台被命名为“捷力号”机车的诞生，是我国内燃机车发展史上又一个新的里程碑，标志着我国交流传动内燃机车实现了“零”的突破。

此外，我国也在加紧准备高速列车的建设工作，正在筹建的京沪高速铁路计划铁路长度约为1 300 km，全线为复线、交流电气化，全部立体交叉；计划最高速度目前为300 km/h，将来要求达到350 km/h。京沪高速铁路的建设，必将推动中国高速铁路的建设，拉动相关产业的发展，而且也会带动周边地区经济的发展。

随着国民经济的发展，我国的城市轨道交通建设也在不断发展。进入21世纪，我国的城市轨道交通建设步入了快速发展的轨道，尤其是北京、上海分别以2008年奥运会和2010年世博会召开为契机，广州、深圳、南京、苏州、杭州等城市以珠江三角洲、长江三角洲地区的经济腾飞为时机，其地铁、轻轨等城市轨道交通的建设更趋活跃。截至2003年底，全国除港澳台地区外，已建成通车的地铁、城铁、轻轨、高速磁悬浮线、高架轨道交通线共16条线路，385km。这些线路覆盖北京、上海、广州、天津、大连、长春等6大城市。除此以外，还有大量在建和待建项目。自2004 年起，全国除港澳台地区外，在建的城市轨道交通共计15 条线路，长约 275 km，覆盖北京、上海、天津、广州、深圳、南京、重庆、武汉等8大城市。全国除港澳台地区外筹备建设(已经立项和申请立项)的城市轨道交通共计24 条线路，总长度约为 579 km，覆盖16个城市。全国有 20 多座城市有意向建设城轨交通。

在地铁轻轨车辆牵引方面，我国大部分设备还是依靠进口或者是和国外的大公司合作生产。由于地铁轻轨的发展前景看好，国内多个厂家也加入到地铁轻轨车辆的研究和生产中来，这又会促进这个行业的发展。天津滨海线由长春客车厂与日本东芝公司合作，生产不锈钢交流传动车辆，采用1 500 V 架空网受电。浦镇车辆厂与法国阿尔斯通合作，为南京地铁生产铝合金车体的交流传动地铁车。上海电气(集团)总公司与阿尔斯通公司组建的合资企业，已生产出第一列轨道交通列车，用于莘闵线，从国产化10％为起点，逐步实现70％的国产化。中国南车集团株洲电力机车厂与德国西门子公司合作，为上海明珠线二期工程生产铝合金地铁车辆。

交流传动全面取代直流传动已经成为不可逆转的趋势
伴随着电力半导体器件的发展和微电子、计算机技术的突飞猛进，交流电动机调速控制理论也有较大发展最开始的转差－频率控制基于异步电动机的稳态数学模型，动态性能差，调速不理想。20世纪70年代初提出了矢量控制(又称转子磁场定向控制)概念，它基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦，实现了磁链、转矩的独立调节，且动态响应性能好，但同时也带来了新的难题，即转子参数及变化规律难以测定。80年代中期提出了直接转矩控制，它基于定子磁场，数学模型简单，定子参数及变化规律易于测定，动态响应性能好，但谐波不受控制。90年代智能控制如模糊控制、人工神经网络，以及非线性控制理论的发展，也给电动机调速注入了新的活力，目前这方面的研究很活跃。矢量控制和直接转矩控制作为比较精确的交流调速方案，都已经应用到实际的商业化产品中，在机车牵引传动领域也有其重要应用(见表1)，使机车在电气牵引领域上了一个台阶，发挥了重要的作用。特别是直接转矩控制，由于其与矢量控制相比较，具有控制结构简单，动态响应快，对电动机本身参数变化不敏感等优点，是一种特别适合对速度的精度要求不高，但是要求快速准确的转矩控制的电气牵引的控制方案。所以，从80年代提出以来，直接转矩控制得到广泛重视，在电气牵引、机车传动领域得到了很好的应用。

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。

在电力机车用高压大容量的电气传动领域，自80年代初GTO研制成功以来，就成为该领域的主力器件。如日本日立公司在1981年成功研制出用2 500 V/1 000 A 的大功率GTO器件组成的600 kVA GTO变频器率先用于电力机车上。1989年国外利用4 500 V/2 000A GTO研制成5 600kW PWM控制的时速为200 km的电力机车。近几年来，电力半导体器件的发展重点是MOS双极型器件(IGBT 和IGCT)和场控器件，其中IGBT已日趋成熟，并在中小功率应用中成为主要器件。IGBT是80年代中期问世的一种新型电力半导体器件。它兼有MOSFET的快速响应，高输入阻抗和GTR的低通态压降，高电流密度的特性。目前已发展到第三代，如日本三菱公司1995年推出专门用于电力机车和其辅助电源用的1 700 V/400 A IGBT模块。EUPEC公司可生产耐压达3 300～4 500 V ，电流达2 400 A 的模块，并逐渐向更高电压、更大功率应用领域进军，有取代GTO的趋势。法国也在研究采用IGBT器件构成的新一代高速电力机车。与GTO相比，电力机车采用IGBT器件有如下优点：
1) 可以进行高频开关控制 IGBT 开关频率到20k～50kHz，而GTO一般不过几百赫兹，频率提高可使系统实现低噪声和小型化。
2)通过电压驱动，控制简单，驱动功率小。由于IGBT 是M O S 与双极型复合器件。它具有MOSFET 高输入阻抗特性，可以通过电压驱动。而GTO的关断门极电流可达导通电流的20%～50%。它的驱动电路需要专门设计。
3)IGBT易于并联，可做成模块化的IPM，以简化装置结构。这方面三菱公司已有产品推出。

可以预计，下一代的电力机车等高压大容量电气传动领域，也将普遍应用IGBT，以取代 GTO，这已成为一种趋势。