交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用

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。