交流變頻調(diào)速在軌道交通牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

交流傳動全面取代直流傳動已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢
伴隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展和微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動機(jī)調(diào)速控制理論也有較大發(fā)展最開始的轉(zhuǎn)差－頻率控制基于異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，動態(tài)性能差，調(diào)速不理想。20世紀(jì)70年代初提出了矢量控制(又稱轉(zhuǎn)子磁場定向控制)概念，它基于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制思想對異步電動機(jī)進(jìn)行矢量解耦，實(shí)現(xiàn)了磁鏈、轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立調(diào)節(jié)，且動態(tài)響應(yīng)性能好，但同時也帶來了新的難題，即轉(zhuǎn)子參數(shù)及變化規(guī)律難以測定。80年代中期提出了直接轉(zhuǎn)矩控制，它基于定子磁場，數(shù)學(xué)模型簡單，定子參數(shù)及變化規(guī)律易于測定，動態(tài)響應(yīng)性能好，但諧波不受控制。90年代智能控制如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及非線性控制理論的發(fā)展，也給電動機(jī)調(diào)速注入了新的活力，目前這方面的研究很活躍。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制作為比較精確的交流調(diào)速方案，都已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的商業(yè)化產(chǎn)品中，在機(jī)車牽引傳動領(lǐng)域也有其重要應(yīng)用(見表1)，使機(jī)車在電氣牽引領(lǐng)域上了一個臺階，發(fā)揮了重要的作用。特別是直接轉(zhuǎn)矩控制，由于其與矢量控制相比較，具有控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快，對電動機(jī)本身參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)，是一種特別適合對速度的精度要求不高，但是要求快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩控制的電氣牽引的控制方案。所以，從80年代提出以來，直接轉(zhuǎn)矩控制得到廣泛重視，在電氣牽引、機(jī)車傳動領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。

電氣化鐵路和城市軌道交通從直流到交流傳動的迅猛發(fā)展，是和新興的電力電子器件的發(fā)展密不可分的。因?yàn)槿魏我环N新器件的出現(xiàn)，都會為電力變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造突破口，從而大幅度提高變頻器的性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

在電力機(jī)車用高壓大容量的電氣傳動領(lǐng)域，自80年代初GTO研制成功以來，就成為該領(lǐng)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器件組成的600 kVA GTO變頻器率先用于電力機(jī)車上。1989年國外利用4 500 V/2 000A GTO研制成5 600kW PWM控制的時速為200 km的電力機(jī)車。近幾年來，電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展重點(diǎn)是MOS雙極型器件(IGBT 和IGCT)和場控器件，其中IGBT已日趨成熟，并在中小功率應(yīng)用中成為主要器件。IGBT是80年代中期問世的一種新型電力半導(dǎo)體器件。它兼有MOSFET的快速響應(yīng)，高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降，高電流密度的特性。目前已發(fā)展到第三代，如日本三菱公司1995年推出專門用于電力機(jī)車和其輔助電源用的1 700 V/400 A IGBT模塊。EUPEC公司可生產(chǎn)耐壓達(dá)3 300～4 500 V ，電流達(dá)2 400 A 的模塊，并逐漸向更高電壓、更大功率應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)軍，有取代GTO的趨勢。法國也在研究采用IGBT器件構(gòu)成的新一代高速電力機(jī)車。與GTO相比，電力機(jī)車采用IGBT器件有如下優(yōu)點(diǎn)：
1) 可以進(jìn)行高頻開關(guān)控制 IGBT 開關(guān)頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過幾百赫茲，頻率提高可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低噪聲和小型化。
2)通過電壓驅(qū)動，控制簡單，驅(qū)動功率小。由于IGBT 是M O S 與雙極型復(fù)合器件。它具有MOSFET 高輸入阻抗特性，可以通過電壓驅(qū)動。而GTO的關(guān)斷門極電流可達(dá)導(dǎo)通電流的20%～50%。它的驅(qū)動電路需要專門設(shè)計(jì)。
3)IGBT易于并聯(lián)，可做成模塊化的IPM，以簡化裝置結(jié)構(gòu)。這方面三菱公司已有產(chǎn)品推出。

可以預(yù)計(jì)，下一代的電力機(jī)車等高壓大容量電氣傳動領(lǐng)域，也將普遍應(yīng)用IGBT，以取代 GTO，這已成為一種趨勢。