變頻技術在交通中的應用
發布時間：2019-08-02 16:22:12來源：
中國變頻器維修網提供變頻器說明書免費下載服務！變頻器維修服務！PLC解密編程銷售服務， 隨著現代電力電子器件、智能功率集成模塊問世，控制理論及微電子技術的發展使異步電動機的調壓變頻調速得以順利實現，從而使交流變頻傳動廣泛應用于國民經濟各部門，并正在逐步取代直流傳動系統，同時隨著大功率自關斷器件的日趨完善和以微處理器件為核心的數字控制技術的發展更促進了交流變頻傳動系統在城市交通車輛中的應用。
二．變頻傳動技術在國外的應用情況
城市軌道機車在國外發展已有100多年的歷史，隨著現代技術的應用及發展，其電力傳動系統有了很大的變化，其驅動與調速系統由比較初的變阻調速發展到斬波器調速，進而發展到應用交流三相異步牽引電動機采用調壓變頻調速（VVVF）的傳動技術。由于這種變頻傳動技術的優良性，因此目前世界上德、日等發達國家近來研制的地鐵和輕軌車輛幾乎全部采用交流電傳動變頻調速技術。而且隨著能源、環保與人類的關系越來越密切，采用這種調速技術的機車將會被更廣闊的市場及社會所接受。
例，根據有關資料記載的德國采用BR120型交流變頻傳動電力機車試驗的結果表明這種性能的機車比直流傳動車輛具有以下顯著的優點：
①.在相同粘重時,牽引力提高30%;
②.功率因素高(COSφ可達到1),電網利用率提高30%;
③.由于它采用電力電子器件取代了有觸點器件,維修費可降低50%;
④.無故障運行超過40萬KM;
⑤.節能顯著,采用GTO變頻器的交流電傳動裝置比相同容量使用斬波調速的直流傳動裝置效率可提高6～7%。據有關資料介紹，一輛5600KW的機車每小時可節電392度,若按年運行3000小時,則每年節電可達117.6萬度。其顯著的節能效果，將會帶來顯著的社會經濟效益。
目前國際上，在交流電傳動車輛處于領先水平的日本和德國基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVV逆變器（簡稱GTO變頻器）和異步牽引電動機配套組成變頻傳動系統。
日本在1990年后生產的GTO變頻器容量就達到了4500V、3000A。日本于1991年11月統計公布的所有日本交流變頻調速車的主要參數。其本上都是采用由日立、東芝、三菱電機、富士電機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。據有關資料介紹，1994年日本生產的100KW以下的中小功率變頻器已達100萬臺。除日本外，歐美等發達國家目前已形成了較完整的變頻器技術產業體系。
目前，世界上德、日等發達國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技術；而三點式逆變器用于交流傳動系統，在德國和日本則已有應用，在1993年德國就已經有成千臺用此方案構成的IGBT三點式逆變器用于輕軌電車上。
三．變頻傳動技術在我國城市交通車輛上應用的特點及效益
1）.交流變頻調速傳動的車輛的優點：
交流變頻傳動系統一般由三相交流異步電動機、變頻器及其控制裝置組成。它與直流傳動系統相比其顯著的優點如下：異步電動機比直流電動機結構簡單，沒有換向器，運行可靠，重量輕，效率較高而且價格低廉。其機械特性較硬,具有優異的牽引性能。而用其控制電路比直流傳動系統簡單，維護十分容易。
2）目前，我國使用新型的變頻節能無軌電車的節能情況：
如廣州本田公司將200臺變頻電車取代152臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制車。在實際的營運路線上，他們分別對各種電車進行了耗電量測定，他們測量的結果表明，新型車耗電量為電阻式控制車的72.6%。
根據他們對200臺新型變頻車與200臺舊車一年的耗電量比較計算，新型車的耗電約減少24%，由此可見新型變頻傳動控制的車輛節電效果十分明顯。根據有關資料介紹，采用GTO變頻器傳動的裝置比相同容量的斬波調速直流傳動裝動裝置效率提高6～7%。如上所述，變頻傳動技術在城市交通輛的應用已取得了明顯的技術經濟效益。因此，我國電子工業部在電子工業“九五”規劃中就已經將以變頻器傳動裝置為代表的節能技術列為發展重點之一。
我國于1996年研制成功了AC4000型交流傳動電力機。目前750VDC系統下的地鐵車輛每臺牽引電動機功率約90～160KW,因此采用600～1000A/1200V的IBGT構成三點式逆變器傳動系統,已能達到所需的容量。我國的廣州地鐵車原來準備用直流斬波調速車，為了考慮到與國際先進水平發展趨勢一致、節約能源及經濟合理性，因而比較終也確定了選擇三相交流異步電動機變頻調速的傳動方案。
目前在我國工業生產的各個領域中為了節約能源，也開始了用變頻傳動技術來改造設備。
四．變頻傳動技術的發展
城市軌道交通車輛的牽引電動機長期以來都普遍采用直流旋轉電動機。其傳動方式有變阻控制和斬波調壓控制。變阻控制在老式城市軌道車輛上普通使用，雖然結構簡單，但由于車頻繁啟動和制動，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、開發出了功率等級不同的將驅動、保護、自我檢測及功率輸出集于一體的變頻調速產品。交流變頻調速裝置一出現就以其優秀的調速性能及明顯的節電效果迅猛發展，并逐步取代的過去的滑差調速、整流子電機調速、串級調速、中頻發電機組及直流調速裝置。因而，世界上各國都非常重視其發展。
在80年代后期，發展起來的使用VVVF變頻控制比較新技術的城市軌道車輛已進入實用階段。VVVF傳動系統是將直流750V或1500V通過GTO逆變器和微機獲得一個頻率和電壓可控制的三相交流電源，使交流異步牽引電動機的轉速可以平滑調節。由于采用了微機控制，可使系統更可靠，還可實現系統自動檢測和故障珍斷，為車輛安全的運行、維修及保養提供了極大方便。
由于GTO關斷增益低、關斷損耗大、且存在二次擊穿危險等缺點，因此使GTO的應用前景正引起爭議。近年來兼有GTR和MOS-FET兩者優點的IGBT發展很快，目前已進入第四代產品，耐壓也已提高到3300～4500V,電流可達到1000A以上。IGBT器件與可關斷晶閘管GTO相比有較多優點，IGBT為電壓驅動、開關頻率高及抗干擾與貫穿短路保護能力強，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，系統結構簡單。雖然目前IGBT耐壓不如GTO高，但可采用新型的三點式電壓型逆變器，其電壓不僅可用耐壓等級低一半的器件，而用還有效地減少諧波電流，抑制了電磁噪聲，IGBT的開關時間只有GTO的1/6，開關頻率可提高到以往約3倍的1500HZ，使三點式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模塊構成的變壓變頻裝置和微機技術在車輛上的應用已取得了很大進展。
由于交流變頻傳動比直流傳動有著粘著利用高，幾乎無需維護，運行可靠及節約能源等一系列優點，因而除干線鐵路外，對城市軌道交通用地鐵與輕軌列車發展交流變頻調速傳動是當前必然的趨勢。
如上所述，目前在750VDC系統下運行的地鐵中采用成熟的批量生產的價廉的耐壓1200V TGBT構成三點式逆變器實現地鐵車輛交流傳動方案，造價不貴，也是符合現在城市軌道機車發展的趨勢。
五．結語
我國地鐵車輛電力傳動系統從直流到交流，從變阻調速到斬波器調速，進而發展到使用三相異步電動機的變頻傳動技術。而且對城市軌道交通750VDC系統中地鐵或輕軌車輛上采用交流傳動所需的電氣設備，我國已完全能夠自已設計和制造。目前在規劃的上海地鐵二號線和新建的廣州地鐵一號線都選擇了三相異步電機交流變頻傳動方案。從而使我國鐵路機車工業跨入了研制發展綠色交通的國際先進行列。
比較新發展的交流牽引電動機采用變頻變壓控制（VVVF）的調速方式，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的調速系統已被公認為在調速性能和節能上是比較為先進的調速方式，它與交流電機配合，無換向部分，運行可靠，過載能力強，結構簡單，重量輕，幾乎不須維修，現已在德國、日本等國已經得到了應用。它也是今后城市軌道交通車輛發展的趨勢。