电力电子技术在轨道交通牵引系统中的发展

1、电力电子技术在轨道交通牵引系统中的发展电力电子技术在轨道交通牵引系统中的发展第一组电力牵引传动与电力电子器件存在相互促进和相互依存的密切关系， 电力传 动是按照直一直传动、 交一直传动再到交一直一交传动的过程发展的， 而为了满 足这一发展历程， 离不开电力电子器件和现代计算机控制技术的高速发展。 现代 电力电子器件的发展迅猛，开发周期愈来愈短，如快速晶闸管、GTQft闸管、GIBT、 IPM等，每种新器件的诞生都迫使我们加快了对新器件的基础应用研究，从而促 进了牵引传动方式的进步。1 轨道车辆牵引领域电力电子器件的发展1.1 电力电子器件的发展自 1957 年晶闸管问世，标志着电力电子技术的诞

2、生，从此电子技术向两个 分支发展。一支是以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术， 其发 展特点是集成度愈来愈高， 集成规模越来越大， 功能越来越全。 另一支是以晶闸 管为核心形成对电力处理的电力电子技术， 其发展特点是晶闸管的派生器件越来 越多，功率越来越大，性能越来越好。传统的电力电子器件已发展到相当成熟的阶段， 但在实际中却存在两个制约 其继续发展的致命因素。 一是控制功能上的欠缺， 因为通过门极只能控制其开通 而不能控制其关断， 属于半控型器件。 二是此类器件立足于分立元件结构， 开通 损耗大，工作频率难以提高，一般情况下难以高于 400Hz,因而大大地限制了其 应用范围。因此

3、，半控制器件的发展已处于停滞状态。到了 70年代末，可关断晶闸管（GTO）器件日趋成熟，标志着电力电子器件 已经从半控型器件发展到全控制型器件。进入 80年代以后，伴随着GTO器件的 发展及成熟，MOS器件的开发则繁花似锦。绝缘栅双极晶体管（IGBT）独占鳌头。 至此电力电子器件又从电流控制型器件发展到电压控制型器件。 90 年代，电力 电子器件又在向智能化、 模块化方向发展， 力求将电力器件与驱动电路、 保护电 路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化，其典型 器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的开关特性，同时又具有 GTO器件 的导通特性，且制造成本较低（

4、与GTO和IGBT相比），可以获得和GTC晶闸管一 样的产量，即其集IGBT与GTC二者优势于一身，预计今后会在更多的工业和牵引领域中发挥作用总之，电力电子器件的发展经历了从半控到全控、 从电流控制型到电压控制 型、从单个元件到模块化再到智能化的发展过程。1.2 电气牵引控制技术的发展1.2.1 牵引 / 制动特性轨道运输装备的牵引 / 制动特性是其最基本、 最重要的性能， 是运输装备设 计首要考虑的重要因素之一， 它包括了运输装备的持续运行速度、 最高运行速度、 牵引/ 制动力特性以及装备的加速性能，以满足铁路运输的需求。在轨道运输装 备减速制动时通常优先采用再生制动， 将电机回馈的电能通过

5、变流装置回馈给电 网，达到绿色环保节能的目的。 在系统研究与实际工程应用中， 采用高功率密度 变流装置、 变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略， 在实现对电 机的牵引 / 制动特性准确控制的同时，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能。电气牵引传动粗分为以下几种方式：1）直流电网供电直流电动机传动，即直直传动。2）直流供电交流异步传动，即直交传动。3）单相交流供电直流（脉流）电动机传动，即交直传动。4）单相交流供电三相交流异步电动机传动 , 即交交传动。1.3 控制技术1.3.1 PWM 控制技术脉冲宽度调制技术（pwm是现代变流技术广泛应用的起点，是奠定绿色变 频节能的基础。 其通过改

6、变输出脉冲的占空比来实现等效的输出电压与频率， 从 而实现交流到直流，直流到交流的能量变换。通常采用的空间矢量脉宽调制（SVPWM技术在三相对称正弦波电压供电时，以合成旋转的空间电压矢量为参 考，三相逆变器8种不同开关模式电压矢量合成参考电压矢量，形成PWM波。1.3.2 传动控制技术传动控制技术是牵引传动系统的核心技术， 传动控制技术已经由转差电流控 制发展成矢量控制和直接转矩控制等。1）转差电流控制技术转差电流控制技术是一种早期的用于控制交流异步电机的方法， 基于异步电 动机的稳态数学模型， 控制性能远不能与直流调速系统相媲美， 系统的动态性能 差。2）矢量控制技术矢量控制，又称为磁场定向

7、控制（FOC,其基本原理是将异步电动机的定子 电流正交分解为产生磁场的电流分量 （励磁电流） 和产生转矩的电流分量 （转 矩电流）分别加以控制， 并同时控制两分量的幅值， 从而达到控制异步电动机转 矩的目的。 矢量控制策略存在一些固有缺点， 比如转子磁链难以准确观测， 对电 机参数比较敏感， 实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功 能。与直接转矩控制相比， 矢量控制具有直接的电流闭环控制特点， 电流控制的 稳定性高，有独立的PW碉制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平 均值。如果在大功率低开关频率应用时， 高速区必须采用同步调制技术。 同步调 制技术与直接转矩控制相比，

8、 开关频率利用不充分， 在逆变器峰值电流、 电机谐 波损耗、转矩脉动、 直流侧电流谐波等重要性能指标上比直接转矩控制差。 而直 接转矩控制PW碉制在磁链和转矩控制中直接实现，转矩动态性能高，但在低速 高开关频率区性能比矢量控制差。通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制， 在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。3）直接转矩控制技术 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动 机变频调速技术。 与矢量控制不同， 直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间 接控制电流， 不需要复杂的坐标变换， 因此具有控制结构简单、 转矩响应快以及 对参数鲁棒性好等优点， 它在很大程度上解决了矢

9、量控制中结构复杂、 计算量大、 对参数变化敏感等问题。 直接转矩控制可以充分利用逆变器的开关频率， 从而特 别适用于大功率牵引传动领域。2 轨道车辆牵引领域电力电子器件的应用2.1 电力电子器件在轨道车辆牵引中的应用发展80 年代以前，在轨道车辆牵引领域，电力电子器件主要用于直流传动系统 中的整流器和斩波器以及辅助传动系统。电力电子器件主要是晶闸管。进入 80 年代以后，随着交流传动技术日趋成熟，电力电子器件又有了新的 用武之地，其在牵引领域的应用主要包括：整流器、斩波器、电力制动、逆变器 以及辅助传动系统。 这一时期在这些应用领域采用的电力电子器件主要是晶闸管 和 GTO。进入 90 年代以

10、后，交流传动在电力机车、内燃机车及动车组上得以大量地 推广应用， 使电力电子器件在轨道车辆牵引领域中有了更广阔的应用前景。这一时期其在牵引领域的应用主要是牵引变流器，主要采用的电力电子器件是 GTO 和 IGBT。根据电力电子器件的发展现状及趋势， 预计在今后几年， 电力电子器件将在 以下方面取得进展：(1) 已进入实用化的全控型器件将在功率等级、易于驱动和更高工作频率这 三个方面继续改善和提高。(2) 由于 MCT、IGBT、IGCT 等器件的大容量化及实用化， 在更多的领域， IGBT 和 IGCT 将取代 GTO。(3) IGCT 等新型混合器件将逐步得以推广应用。(4) 功率集成电路将

11、会有更进一步的发展。这将预示着电力电子技术将跃入 一个新的时代。(5) 新型半导体材料 SiC 的问世， 将预示着在不远的将来会诞生一种集高耐 压、大电流、高开关速度、无吸收电路、简单的门极驱动、低损耗等所有优点于 一身的新型 SiC 电力器件。2.2 IGBT 在轨道车辆牵引变流器的应用由于 IGBT 器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好， 损耗小，且自保护能力也强。 为此，目前世界上无论是干线铁路还是城市轨道的 电动车辆的电气系统中均采用 IGBT 模块来构成。随着 IGBT 性能的迅速发展， IGBT 模块的电压等级和电流容量在不断提高， 从 1991 年生产出了小型

12、IGBT 模 块，其电压等级为1200V/300A,很快取代了在工业上通用变频器中所用的双极 型晶体管；1993年出现了 1700V/300A的IGBT,并已开始在城市电车上获得推广 应用；到 2000 年后更出现了 1700V/2400A , 3300V/1200A 和 6500V/600A 的高压 IGBT，这些高压HV IGBT很快地应用到铁道与城市地铁轻轨车辆中，由于其性 能优越，加之其为绝缘型模块， 整机的结构设计紧凑轻巧， 且采用了低感母线技 术与软门极的驱动技术并解决了热循环的寿命问题，目前， HVIGBT 模块已成为 轨道电力牵引系统中应用的主导元件。 随着城市发展， 城轨交通

13、供电网压制也从 早期的 600V DC 和 750V DC 发展为 1500V DC 网压制，以适应大城市大客流量 发展的需要。网压的提高对电力电子器件的电压等级提出了更高的要求， IGBT 模 块的电压等级也从1200V发展到L700V, 3300V以及4500V和6500V电压等级水 平。3 轨道车辆牵引变流器的发展3.1 车辆用 IGBT 逆变器的开发当电压等级不够高时，在德国和日本曾用 1200V 和 1700V 等级 IGBT 构成 三点式（三电平）逆变器用于750V和1500V电网。随着新一代IGBT迅速发展， 尤其是 3300V 等级 IGBT 的批量生产，用这类电压等级的模块

14、（器件）构成两电平 （两点式）逆变器能够满足在 3300V 电网当中的应用，因而在上世纪末国外生产 的地铁轻轨电动车辆以及部分干线电力机车动车都已采用这类高压 HV IGBT 模 块。虽然三电平逆变器较两电平逆变器具有输出波形好、 脉冲频率低、 电压上升 率也低及损耗小等优点， 但是其主电路结构复杂， 所用器件多出一倍， 这是它不 足之点。所以在城轨车辆中目前都采用 IGBT 构成的两电平逆变器，而在干线电 力机车中，采用4500V等级或6500V等级的HV IGBT来构成两电平逆变器。当 然，由于三电平逆变器输出的谐波分量低的突出优点， 目前在日本仍有不少的应 用。3.2 无吸收电路式逆变器

15、在轨道车辆上要求结构紧凑、重量轻和体积小的装置，采用绝缘式 IGBT 模 块比那些非绝缘式的 GTO器件就更能体现出满足这一要求的特点。通过采用低 感母线技术以尽量降低母线的寄生电感来达到抑制关断时的尖峰电压的目的， 使 逆变器可以取消吸收电路，这样进一步简化了结构，减轻了重量，缩小了体积。 在1500V网压下，采用上述技术可以使其尖峰电能押制在 2300V以内。应用了低 感母线技术的主电路结构不仅在器件数量上有明显减少， 而且重量和损耗也降低 了。3.3 软门极驱动技术一般高压IGBT模块在关断时其电压上升率陡峭可达 5000V/卩S,通过应用 软门极驱动技术可以大大抑制电压上升率 dV/d

16、t，将其降低到2000V/卩S,尖峰 电压也控制 2300V 之内。此外，这电压上升率 dV/dt 的降低对装置中工作的各 类器件都是大为有利的。由于采用了软门极驱动技术同时也降低了 IGBT 的损 耗。4 未来技术的发展4.1 功率器件碳化硅（SiC）是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有 着非常优秀的物理特性。 可极大地提高电力电子变换器的效率， 使各类变换器的 体积减少到原来的5%20%具有耐高压（达数万伏）、耐高温（大于500 C）的 特性, 被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。4.2 无线传输技术 现代高速列车通过车地信息网络来达到安全运行的要求。 随着无线技

17、术的 日益发展， 无线技术应用越来越被各行各业所接受。 通过采用先进的无线局域网 （LAN）和GPRS/GS无线通信技术实现快捷的信息处理；采用无线通信方式实现高 速列车远程监控技术； 采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技 术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。4.3 新一代传动控制技术4.3.1 永磁驱动及控制技术 与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点， 与同容量的异步电机相比， 永磁同步电机的体积和重量大 约能减少15%- 30加右；转速平稳、过载能力强；噪声低，可靠性高；结构多 样化，应用范围广。 永磁同步

18、电机将在未来取代异步电机， 成为轨道牵引传动的 主流牵引电机。 近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究， 小功率的永磁驱 动技术已经在电动汽车上批量装车应用，正针对“ 500 km/h 高速动车组”项目 进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。4.3.2 无速度传感器控制技术无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率， 大大 提高了传动控制单元的系统可靠性。 省掉速度传感器及连接电缆的费用， 节约了 成本。无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。 目前，已 经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验， 攻克了逆变器 保护封锁后的带速度重投、 极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状 态等技术难题，正在积极进行工程化的应用研究。4.3.3 现代控制技术改进无论是矢量控制技术， 还是直接转矩控制技术， 在对于电机参数可能发生的 变化时，都会影响变频器对电机