電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展

電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展xxx公司電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術(shù)在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展第一組電力牽引傳動(dòng)與電力電子器件存在相互促進(jìn)和相互依存的密切關(guān)系，電力傳動(dòng)是按照直一直傳動(dòng)、交一直傳動(dòng)再到交一直一交傳動(dòng)的過(guò)程發(fā)展的，而為了滿(mǎn)足這一發(fā)展歷程，離不開(kāi)電力電子器件和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的高速發(fā)展?，F(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展迅猛，開(kāi)發(fā)周期愈來(lái)愈短，如快速晶閘管、GTO晶閘管、GIBT、IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對(duì)新器件的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，從而促進(jìn)了牽引傳動(dòng)方式的進(jìn)步。1軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的發(fā)展1.1電力電子器件的發(fā)展 自1957年晶閘管問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，從此電子技術(shù)向兩個(gè)分支發(fā)展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對(duì)信息處理的微電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是集成度愈來(lái)愈高，集成規(guī)模越來(lái)越大，功能越來(lái)越全。另一支是以晶閘管為核心形成對(duì)電力處理的電力電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是晶閘管的派生器件越來(lái)越多，功率越來(lái)越大，性能越來(lái)越好。傳統(tǒng)的電力電子器件已發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但在實(shí)際中卻存在兩個(gè)制約其繼續(xù)發(fā)展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因?yàn)橥ㄟ^(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通而不能控制其關(guān)斷，屬于半控型器件。二是此類(lèi)器件立足于分立元件結(jié)構(gòu)，開(kāi)通損耗大，工作頻率難以提高，一般情況下難以高于400Hz，因而大大地限制了其應(yīng)用范圍。因此，半控制器件的發(fā)展已處于停滯狀態(tài)。到了70年代末，可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟，標(biāo)志著電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控制型器件。進(jìn)入80年代以后，伴隨著GTO器件的發(fā)展及成熟，MOS器件的開(kāi)發(fā)則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨(dú)占鰲頭。至此電力電子器件又從電流控制型器件發(fā)展到電壓控制型器件。90年代，電力電子器件又在向智能化、模塊化方向發(fā)展，力求將電力器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在一個(gè)芯片或模塊內(nèi)，使裝置更趨小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)又具有GTO器件的導(dǎo)通特性，且制造成本較低(與GTO和IGBT相比)，可以獲得和GTO晶閘管一樣的產(chǎn)量，即其集IGBT與GTO二者優(yōu)勢(shì)于一身，預(yù)計(jì)今后會(huì)在更多的工業(yè)和牽引領(lǐng)域中發(fā)揮作用?？傊?，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了從半控到全控、從電流控制型到電壓控制型、從單個(gè)元件到模塊化再到智能化的發(fā)展過(guò)程。1.2電氣牽引控制技術(shù)的發(fā)展1.2.1牽引軌道運(yùn)輸裝備的牽引/制動(dòng)特性是其最基本、最重要的性能，是運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)首要考慮的重要因素之一，它包括了運(yùn)輸裝備的持續(xù)運(yùn)行速度、最高運(yùn)行速度、牽引/制動(dòng)力特性以及裝備的加速性能，以滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸?shù)男枨蟆Ｔ谲壍肋\(yùn)輸裝備減速制動(dòng)時(shí)通常優(yōu)先采用再生制動(dòng)，將電機(jī)回饋的電能通過(guò)變流裝置回饋給電網(wǎng)，達(dá)到綠色環(huán)保節(jié)能的目的。在系統(tǒng)研究與實(shí)際工程應(yīng)用中，采用高功率密度變流裝置、變壓器、牽引電機(jī)和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)電機(jī)控制策略，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的牽引/制動(dòng)特性準(zhǔn)確控制的同時(shí)，獲得毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)矩階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。電氣牽引傳動(dòng)粗分為以下幾種方式：1）直流電網(wǎng)供電——直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即直——直傳動(dòng)。2）直流供電——交流異步傳動(dòng)，即直——交傳動(dòng)。3）單相交流供電——直流（脈流）電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即交——直傳動(dòng)。4）單相交流供電——三相交流異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng),即交——交傳動(dòng)。1.3控制技術(shù)1.3.1PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）是現(xiàn)代變流技術(shù)廣泛應(yīng)用的起點(diǎn)，是奠定綠色變頻節(jié)能的基礎(chǔ)。其通過(guò)改變輸出脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的輸出電壓與頻率，從而實(shí)現(xiàn)交流到直流，直流到交流的能量變換。通常采用的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)在三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)，以合成旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量為參考，三相逆變器8種不同開(kāi)關(guān)模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。1.3.2傳動(dòng)控制技術(shù)是牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)，傳動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)由轉(zhuǎn)差電流控制發(fā)展成矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。1）轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)是一種早期的用于控制交流異步電機(jī)的方法，基于異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，控制性能遠(yuǎn)不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能差。2）矢量控制技術(shù)矢量控制，又稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（FOC），其基本原理是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流正交分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量的幅值，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺點(diǎn)，比如轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)矢量控制必須具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)功能。與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，矢量控制具有直接的電流閉環(huán)控制特點(diǎn)，電流控制的穩(wěn)定性高，有獨(dú)立的PWM調(diào)制單元，決定其轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值。如果在大功率低開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用時(shí)，高速區(qū)必須采用同步調(diào)制技術(shù)。同步調(diào)制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，開(kāi)關(guān)頻率利用不充分，在逆變器峰值電流、電機(jī)諧波損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、直流側(cè)電流諧波等重要性能指標(biāo)上比直接轉(zhuǎn)矩控制差。而直接轉(zhuǎn)矩控制PWM調(diào)制在磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制中直接實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能高，但在低速高開(kāi)關(guān)頻率區(qū)性能比矢量控制差。通常在小功率高開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用矢量控制，在大功率低開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制。3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來(lái)間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，因此具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)參數(shù)變化敏感等問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制可以充分利用逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，從而特別適用于大功率牽引傳動(dòng)領(lǐng)域。2軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用2.1電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引中的應(yīng)用發(fā)展80年代以前，在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域，電力電子器件主要用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的整流器和斬波器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件主要是晶閘管。進(jìn)入80年代以后，隨著交流傳動(dòng)技術(shù)日趨成熟，電力電子器件又有了新的用武之地，其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：整流器、斬波器、電力制動(dòng)、逆變器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。這一時(shí)期在這些應(yīng)用領(lǐng)域采用的電力電子器件主要是晶閘管和GTO。進(jìn)入90年代以后，交流傳動(dòng)在電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組上得以大量地推廣應(yīng)用，使電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域中有了更廣闊的應(yīng)用前景。這一時(shí)期其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要是牽引變流器，主要采用的電力電子器件是GTO和IGBT。根據(jù)電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進(jìn)展：(1)已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級(jí)、易于驅(qū)動(dòng)和更高工作頻率這三個(gè)方面繼續(xù)改善和提高。(2)由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實(shí)用化，在更多的領(lǐng)域，IGBT和IGCT將取代GTO。(3)IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。(4)功率集成電路將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入一個(gè)新的時(shí)代。(5)新型半導(dǎo)體材料SiC的問(wèn)世，將預(yù)示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生一種集高耐壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度、無(wú)吸收電路、簡(jiǎn)單的門(mén)極驅(qū)動(dòng)、低損耗等所有優(yōu)點(diǎn)于一身的新型SiC電力器件。2.2IGBT在軌道車(chē)輛牽引變流器的應(yīng)用由于IGBT器件屬電壓驅(qū)動(dòng)的全控型開(kāi)關(guān)器件，脈沖開(kāi)關(guān)頻率高，性能好，損耗小，且自保護(hù)能力也強(qiáng)。為此，目前世界上無(wú)論是干線(xiàn)鐵路還是城市軌道的電動(dòng)車(chē)輛的電氣系統(tǒng)中均采用IGBT模塊來(lái)構(gòu)成。隨著IGBT性能的迅速發(fā)展，IGBT模塊的電壓等級(jí)和電流容量在不斷提高，從1991年生產(chǎn)出了小型IGBT模塊，其電壓等級(jí)為1200V/300A，很快取代了在工業(yè)上通用變頻器中所用的雙極型晶體管;1993年出現(xiàn)了1700V/300A的IGBT，并已開(kāi)始在城市電車(chē)上獲得推廣應(yīng)用;到2000年后更出現(xiàn)了1700V/2400A,3300V/1200A和6500V/600A的高壓IGBT，這些高壓HVIGBT很快地應(yīng)用到鐵道與城市地鐵輕軌車(chē)輛中，由于其性能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊，整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊輕巧，且采用了低感母線(xiàn)技術(shù)與軟門(mén)極的驅(qū)動(dòng)技術(shù)并解決了熱循環(huán)的壽命問(wèn)題，目前，HVIGBT模塊已成為軌道電力牽引系統(tǒng)中應(yīng)用的主導(dǎo)元件。隨著城市發(fā)展，城軌交通供電網(wǎng)壓制也從早期的600VDC和750VDC發(fā)展為1500VDC網(wǎng)壓制，以適應(yīng)大城市大客流量發(fā)展的需要。網(wǎng)壓的提高對(duì)電力電子器件的電壓等級(jí)提出了更高的要求，IGBT模塊的電壓等級(jí)也從1200V發(fā)展到L700V,3300V以及4500V和6500V電壓等級(jí)水平。3軌道車(chē)輛牽引變流器的發(fā)展3.1車(chē)輛用IGBT逆變器的開(kāi)發(fā)當(dāng)電壓等級(jí)不夠高時(shí)，在德國(guó)和日本曾用1200V和1700V等級(jí)IGBT構(gòu)成三點(diǎn)式(三電平)逆變器用于750V和1500V電網(wǎng)。隨著新一代IGBT迅速發(fā)展，尤其是3300V等級(jí)IGBT的批量生產(chǎn)，用這類(lèi)電壓等級(jí)的模塊(器件)構(gòu)成兩電平(兩點(diǎn)式)逆變器能夠滿(mǎn)足在3300V電網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用，因而在上世紀(jì)末國(guó)外生產(chǎn)的地鐵輕軌電動(dòng)車(chē)輛以及部分干線(xiàn)電力機(jī)車(chē)動(dòng)車(chē)都已采用這類(lèi)高壓HVIGBT模塊。雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、脈沖頻率低、電壓上升率也低及損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但是其主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用器件多出一倍，這是它不足之點(diǎn)。所以在城軌車(chē)輛中目前都采用IGBT構(gòu)成的兩電平逆變器，而在干線(xiàn)電力機(jī)車(chē)中，采用4500V等級(jí)或6500V等級(jí)的HVIGBT來(lái)構(gòu)成兩電平逆變器。當(dāng)然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點(diǎn)，目前在日本仍有不少的應(yīng)用。3.2無(wú)吸收電路式逆變器在軌道車(chē)輛上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式IGBT模塊比那些非絕緣式的GTO器件就更能體現(xiàn)出滿(mǎn)足這一要求的特點(diǎn)。通過(guò)采用低感母線(xiàn)技術(shù)以盡量降低母線(xiàn)的寄生電感來(lái)達(dá)到抑制關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，縮小了體積。在1500V網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電能押制在2300V以?xún)?nèi)。應(yīng)用了低感母線(xiàn)技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。3.3軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般高壓IGBT模塊在關(guān)斷時(shí)其電壓上升率陡峭可達(dá)5000V/μS，通過(guò)應(yīng)用軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大抑制電壓上升率dV/dt，將其降低到2000V/μS,尖峰電壓也控制2300V之內(nèi)。此外，這電壓上升率dV/dt的降低對(duì)裝置中工作的各類(lèi)器件都是大為有利的。由于采用了軟門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)同時(shí)也降低了IGBT的損耗。4未來(lái)技術(shù)的發(fā)展4.1功率器件碳化硅（SiC）是一種物理化學(xué)特性?xún)H次于金剛石的化合物半導(dǎo)體材料，有著非常優(yōu)秀的物理特性?？蓸O大地提高電力電子變換器的效率，使各類(lèi)變換器的體積減少到原來(lái)的5%~20%，具有耐高壓（達(dá)數(shù)萬(wàn)伏）、耐高溫（大于500℃）的特性,被公認(rèn)為是下一代電力電子器件的最佳候4.2無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)現(xiàn)代高速列車(chē)通過(guò)車(chē)—地信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到安全運(yùn)行的要求。隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越被各行各業(yè)所接受。通過(guò)采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(LAN)和GPRS/GSM無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快捷的信息處理；采用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)；采用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程列車(chē)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)技術(shù)等，從而擺脫地面設(shè)備的束縛，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)列車(chē)狀態(tài)的跟蹤運(yùn)行。4.3新一代傳動(dòng)控制技術(shù)4.3.1與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高能流密度、高功率因數(shù)、高效率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，與同容量的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的體積和重量大約能減少15%～30%左右；轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過(guò)載能力強(qiáng)；噪聲低，可靠性高；結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁同步電機(jī)將在未來(lái)取代異步電機(jī)，成為軌道牽引傳動(dòng)的主流牽引電機(jī)。近年來(lái)對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究，小功率的永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)上批量裝車(chē)應(yīng)用，正針對(duì)“500km/h高速動(dòng)車(chē)組”項(xiàng)目進(jìn)行大功率永磁驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)的研究。4.3.2無(wú)速度傳感器控制技術(shù)可減小牽引電機(jī)的體積和傳感器故障的發(fā)生率，大大提高了傳動(dòng)控制單元的系統(tǒng)可靠性。省掉速度傳感器及連接電纜的費(fèi)用，節(jié)約了成本。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)近年來(lái)已成為交流傳動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)成功完成了異步電機(jī)無(wú)速度傳感器技術(shù)的理論研究與地面試驗(yàn)，攻克了逆變器保護(hù)封鎖后的帶速度重投、極低速定子零頻附近的額定轉(zhuǎn)矩發(fā)揮以及再生制動(dòng)狀態(tài)等技術(shù)難題，正在積極進(jìn)行工程化的應(yīng)用研究。4.3.3無(wú)論是矢量控制技術(shù)，還是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在對(duì)于電機(jī)參數(shù)可能發(fā)生的變化時(shí)，都會(huì)影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制性能。自適應(yīng)控制器可以根據(jù)對(duì)受控對(duì)象在工作過(guò)程中不斷檢測(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)或性能指標(biāo)的變化情況，自行修正控制參數(shù)或控制作用以適應(yīng)環(huán)境和對(duì)象本身的動(dòng)態(tài)變化，保證系統(tǒng)始終在最優(yōu)或次最優(yōu)的工作狀態(tài)下。目前，正在積極采用自適應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自辨識(shí)技術(shù)的研究，不斷提高傳動(dòng)控制的性能。4.4功率模塊的集成化隨著功率電子器件、功率電子設(shè)備以及變流技術(shù)向著模塊化方向發(fā)展，使得功率模塊的功能、通用性以及性能越來(lái)越強(qiáng)。已成功完成了IGBT、IGCT以及高壓大功率晶閘管的模塊化集成工作，成功解決了各類(lèi)模塊化器件在集成過(guò)程中產(chǎn)生的控制、驅(qū)動(dòng)以及故障保護(hù)檢測(cè)等問(wèn)題，正朝著體積更小、重量更輕、功