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汽車電子論文|變頻傳動(dòng)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(dòng)技術(shù)在城市交通車輛中的應(yīng)用，所產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)闡述了變頻傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。--------------------------------------------------------------------------------
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(dòng)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(dòng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，并正在逐步取代直流傳動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)在城市交通車輛中的應(yīng)用。
二。變頻傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用情況
城市軌道機(jī)車在國(guó)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(dòng)系統(tǒng)有了很大的變化，其驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)采用調(diào)壓變頻調(diào)速（VVVF）的傳動(dòng)技術(shù)。由于這種變頻傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)良性，因此目前世界上德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家近來研制的地鐵和輕軌車輛幾乎全部采用交流電傳動(dòng)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(huì)被更廣闊的市場(chǎng)及社會(huì)所接受。
例，根據(jù)有關(guān)資料記載的德國(guó)采用BR120型交流變頻傳動(dòng)電力機(jī)車試驗(yàn)的結(jié)果表明這種性能的機(jī)車比直流傳動(dòng)車輛具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
�、佟Ｔ谙嗤持貢r(shí)，牽引力提高30%;
②。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(dòng)裝置比相同容量使用斬波調(diào)速的直流傳動(dòng)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(shí)可節(jié)電392度，若按年運(yùn)行3000小時(shí)，則每年節(jié)電可達(dá)117.6萬度。其顯著的節(jié)能效果，將會(huì)帶來顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
目前國(guó)際上，在交流電傳動(dòng)車輛處于領(lǐng)先水平的日本和德國(guó)基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVV逆變器（簡(jiǎn)稱GTO變頻器）和異步牽引電動(dòng)機(jī)配套組成變頻傳動(dòng)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(jì)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(tái)。除日本外，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(dòng)技術(shù)；而三點(diǎn)式逆變器用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在德國(guó)和日本則已有應(yīng)用，在1993年德國(guó)就已經(jīng)有成千臺(tái)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(dòng)技術(shù)在我國(guó)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(dòng)的車輛的優(yōu)點(diǎn)：
交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)一般由三相交流異步電動(dòng)機(jī)、變頻器及其控制裝置組成。它與直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比其顯著的優(yōu)點(diǎn)如下：
異步電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有換向器，運(yùn)行可靠，重量輕，效率較高而且價(jià)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(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)十分容易。
2）目前，我國(guó)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(tái)變頻電車取代152臺(tái)電阻式控制的舊電車和48臺(tái)斬波控制車。在實(shí)際的營(yíng)運(yùn)路線上，他們分別對(duì)各種電車進(jìn)行了耗電量測(cè)定，他們測(cè)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(cè)量結(jié)果見下表：
根據(jù)他們對(duì)200臺(tái)新型變頻車與200臺(tái)舊車一年的耗電量比較計(jì)算，新型車的耗電約減少24%,由此可見新型變頻傳動(dòng)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(dòng)的裝置比相同容量的斬波調(diào)速直流傳動(dòng)裝動(dòng)裝置效率提高6——7%.如上所述，變頻傳動(dòng)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(guó)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(dòng)裝置為代表的節(jié)能技術(shù)列為發(fā)展重點(diǎn)之一。
我國(guó)于1996年研制成功了AC4000型交流傳動(dòng)電力機(jī)。目前750VDC系統(tǒng)下的地鐵車輛每臺(tái)牽引電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，已能達(dá)到所需的容量。我國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的傳動(dòng)方案。
目前在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中為了節(jié)約能源，也開始了用變頻傳動(dòng)技術(shù)來改造設(shè)備。
四。變頻傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展
城市軌道交通車輛的牽引電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期以來都普遍采用直流旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。其傳動(dòng)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(jiǎn)單，但由于車頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，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(jí)不同的將驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、自我檢測(cè)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(jí)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(guó)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(dòng)系統(tǒng)是將直流750V或1500V通過GTO逆變器和微機(jī)獲得一個(gè)頻率和電壓可控制的三相交流電源，使交流異步牽引電動(dòng)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(dòng)檢測(cè)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(xiǎn)等缺點(diǎn)，因此使GTO的應(yīng)用前景正引起爭(zhēng)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(dòng)、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(jiǎn)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(jí)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(shí)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(dòng)比直流傳動(dòng)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(duì)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(dòng)是當(dāng)前必然的趨勢(shì)。
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(jià)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(dòng)方案，造價(jià)不貴，也是符合現(xiàn)在城市軌道機(jī)車發(fā)展的趨勢(shì)。
五。結(jié)語(yǔ)
我國(guó)地鐵車輛電力傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的變頻傳動(dòng)技術(shù)。而且對(duì)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(dòng)所需的電氣設(shè)備，我國(guó)已完全能夠自已設(shè)計(jì)和制造。目前在規(guī)劃的上海地鐵二號(hào)線和新建的廣州地鐵一號(hào)線都選擇了三相異步電機(jī)交流變頻傳動(dòng)方案。從而使我國(guó)鐵路機(jī)車工業(yè)跨入了研制發(fā)展綠色交通的國(guó)際先進(jìn)行列。
最新發(fā)展的交流牽引電動(dòng)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(jiǎn)單，重量輕，幾乎不須維修，現(xiàn)已在德國(guó)、日本等國(guó)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(shì)。
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