交流變頻調速在軌道交通牽引系統中的應用與發(fā)展趨勢

交流變頻調速在軌道交通牽引系統中的應用與發(fā)展趨勢 電氣化鐵路和城市軌道交通從直流到交流傳動(dòng)的迅猛發(fā)展，是和新興的電力電子器件的發(fā)展。

電氣化鐵路和城市軌道交通從直流到交流傳動(dòng)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。因為任何一種新器件的出現，都會(huì )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大其應用范圍。 
電氣化交通已經(jīng)有上百年的發(fā)展歷史，在工業(yè)發(fā)達國家廣泛地應用于鐵路和城市軌道交通系統。我國目前鐵路和城市軌道交通的發(fā)展與國民經(jīng)濟的需求及*水平相比，還存在很大差距。但是，通過(guò)幾代人的努力，一個(gè)交通全面電氣化和牽引交流變頻化的時(shí)代正在到來(lái)。 
 

世界軌道交通電氣化的發(fā)展歷程 
1879年5月31日，在德國柏林舉辦的世界貿易博覽會(huì )上，由西門(mén)子和哈爾斯克公司展出了世界上*條電氣化鐵路。這條鐵路長(cháng)只有300m，在上面運行的電力機車(chē)只有954kg，zui高運行時(shí)速達13 km，看起來(lái)好像現在的電動(dòng)玩具。但在其拖車(chē)上，確實(shí)能夠搭載數名乘客，在4個(gè)月的展覽期間共運送8萬(wàn)多位乘客。這被認為是世界電氣化鐵路的。1881年，西門(mén)子和哈爾斯克公司又在柏林近郊的利希特菲爾德車(chē)站和軍事學(xué)院之間修建了一條長(cháng)2 145m的電車(chē)線(xiàn)路，同年又在法國巴黎電工展覽會(huì )上展出了*條長(cháng)500m的由2條架空導線(xiàn)供電的電車(chē)線(xiàn)路，這就為提高電壓、采用大功率牽引電動(dòng)機創(chuàng )造了條件。這種電車(chē)形式的電氣化鐵路的出現，引起了西歐、美國和日本的極大興趣，在接下來(lái)的一段時(shí)間，英國、瑞典、美國、日本、德國、意大利也都紛紛興建了各自的電氣化鐵路。早期的電氣化鐵路大都采用低壓直流和三相交流供電，主要應用在市內交通、近郊線(xiàn)路和工礦線(xiàn)路上。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，電氣化鐵路也開(kāi)始發(fā)展到城市間的干線(xiàn)鐵路上來(lái)。但是由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的制約，交流傳動(dòng)系統在電氣化鐵路的機車(chē)牽引中并沒(méi)有占主導地位，但是人們對交流傳動(dòng)的追求和探索一直沒(méi)有停止。 
20世紀50年代后，西方工業(yè)化國家為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的運輸需求，開(kāi)始大規模地進(jìn)行鐵路現代化建設。各國都開(kāi)始大量興建電氣化鐵路，電氣化鐵路在總的鐵路通車(chē)里程中所占比例越來(lái)越大，修建的國家也越來(lái)越多。據不*統計，到2002年底，*鐵路的總營(yíng)業(yè)里程為1 185 518．5km，其中沒(méi)有修建電氣化鐵道的國家和地區為64個(gè)，鐵路總營(yíng)業(yè)里程為105 054 km；已修建電氣化鐵道的國家和地區為65個(gè)，鐵路總營(yíng)業(yè)里程為1 080 464．5 km，電氣化鐵道總營(yíng)業(yè)里程為261 688 km。已經(jīng)興建了電氣化鐵路的國家的電氣化率為23％，歐洲國家的電氣化率達到了46％。共有11個(gè)國家(瑞士、瑞典、意大利、日本、西班牙、波蘭、俄羅斯、南非、德國、法國、烏克蘭)電氣化鐵道營(yíng)業(yè)里程在5 000km以上且電氣化率在40％以上，其中瑞士的電氣化率更是高達98％。 
20世紀70年代以來(lái)，電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的出現和進(jìn)步，又重新喚起人們對交流傳動(dòng)系統的熱情。自1971年世界*采用異步交流傳動(dòng)系統的內燃機車(chē)DE2500問(wèn)世以來(lái)，交流傳動(dòng)系統以其突出的*性受到了各國鐵路運輸部門(mén)的關(guān)注，獲得了長(cháng)足的發(fā)展，并已基本取代了直流傳動(dòng)系統。與直流傳動(dòng)機車(chē)相比，交流傳動(dòng)具有*的*性，這已經(jīng)在各國鐵路運輸系統中得到了廣泛的驗證。交流傳動(dòng)所用的三相交流異步電動(dòng)機比直流電動(dòng)機的功率／體積比和功率／重量比更大，無(wú)需經(jīng)常維護，故障率低。異步電動(dòng)機的恒功率區比直流電動(dòng)機大許多，轉速更高，起動(dòng)牽引力大，持續功率大，有利于實(shí)現重載和高速牽引。交流傳動(dòng)可以很容易地實(shí)現電氣制動(dòng)，大大減少制動(dòng)閘瓦的消耗，并可以利用制動(dòng)時(shí)反饋的能量，起到節能節油的作用，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。另外，交流傳動(dòng)機車(chē)的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)良的粘著(zhù)特性，由于異步交流電動(dòng)機變頻調速系統具有很硬的機械特性，車(chē)輪更不容易打滑或者空轉。其次，交流傳動(dòng)電力機車(chē)牽引和再生工況的功率因數均接近于1，不僅降低了電網(wǎng)損耗而且在再生制動(dòng)時(shí)可將高質(zhì)量電能反饋給電網(wǎng)，消除了電網(wǎng)對信號和通信系統的干擾。再者，機車(chē)采用交流牽引電動(dòng)機后，簧下重量大大減輕，改善了輪軌動(dòng)力學(xué)性能，降低了機車(chē)輪緣磨耗。隨著(zhù)磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉矩控制等高性能異步電動(dòng)機控制策略的應用，交流傳動(dòng)機車(chē)的調速性能已經(jīng)能夠達到甚至超過(guò)直流傳動(dòng)機車(chē)。表1是國外比較有代表性的使用交流傳動(dòng)的電力機車(chē)和電動(dòng)車(chē)組。

大容量交流電動(dòng)機控制系統的發(fā)展和電力電子器件的發(fā)展是休戚相關(guān)的。 80年代以來(lái)，以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關(guān)斷器件有了長(cháng)足的發(fā)展，尤其是出現了高壓IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)為代表的雙極型復合器件，使得電力電子器件正沿著(zhù)大容量、高頻、易驅動(dòng)、低損耗和智能模塊化的方向推進(jìn)。伴隨著(zhù)器件的發(fā)展，高壓大容量交流電動(dòng)機控制系統也日益高性能化。90年代在歐、美、日等發(fā)達國家與地區，大功率半導體元件的應用已由晶閘管進(jìn)入到GTO，甚至到高壓IGBT；機車(chē)電力傳動(dòng)已由直流傳動(dòng)全面發(fā)展到交流傳動(dòng)，直流傳動(dòng)機車(chē)已停止生產(chǎn)，完成了向交流傳動(dòng)的轉換。 
此外，計算機技術(shù)的發(fā)展使十分復雜的交流傳動(dòng)控制變得越來(lái)越容易實(shí)現，從而進(jìn)一步促進(jìn)了交流傳動(dòng)技術(shù)的成熟與發(fā)展。新型可關(guān)斷功率器件不斷涌現，其電壓和電流及開(kāi)關(guān)頻率不斷提高，已完滿(mǎn)足機車(chē)車(chē)輛變流領(lǐng)域的需要。變流裝置結合完善的冷卻技術(shù)、保護技術(shù)使其具有可靠、無(wú)維修的優(yōu)點(diǎn)。 
在鐵路電氣化、牽引交流化的發(fā)展浪潮中，人們對鐵路運輸又提出了更高的要求，例如快速、舒適，節能及減少污染等。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生產(chǎn)生活的需要，高速電氣化鐵路已經(jīng)成為現在世界鐵路的發(fā)展方向。1964年10月1日，日本東京至大阪的東海道新干線(xiàn)開(kāi)通運營(yíng)，拉開(kāi)了世界高速鐵路發(fā)展的序幕。1981年以后，法國、德國、意大利、西班牙等國相繼進(jìn)行高速鐵路建設。法國的TGV，德國的ICE系列高速列車(chē)就是其中的代表。鐵路聯(lián)盟(UIC)曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)定義，允許zui高速度大于等于250km/h的鐵路新線(xiàn)或允許zui高運營(yíng)速度大于200km/h的鐵路既有線(xiàn)，可以稱(chēng)為高速鐵路。如今的高速列車(chē)早就采用了交流傳動(dòng)并采用計算機進(jìn)行控制，采用GTO以及更新的IGBT變流元件，運營(yíng)速度可以達到300km/h，的法國的AGV列車(chē)和韓國的HSR350x列車(chē)時(shí)速可以達到350km。高速鐵路將傳統的發(fā)展了100多年的鐵路的固有優(yōu)勢更加提升，在綜合交通運輸體系中與其他現代交通運輸方式相比具有如下優(yōu)勢：1)zui安全的大運能交通 高速鐵路現代化的、完善的安全保障技術(shù)，可以防止人為的過(guò)失、設備故障及自然災害等突發(fā)事件引起的事故。2)節能的綠色交通 相對而言，按照每人km消耗能量計，高速鐵路比汽車(chē)和飛機要小得多。而且高速鐵路使用的是二次能源——電力，牽引無(wú)廢氣、煤煙和粉塵污染，噪聲也比高速公路小，占用的土地也要少得多。3)經(jīng)濟和社會(huì )效益好 高速鐵路處于產(chǎn)業(yè)鏈和交通鏈的頂端，發(fā)展高速鐵路能夠起到拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)交通的作用。高速鐵路沿線(xiàn)地區還有利于吸引人口，增加就業(yè)機會(huì )，有助于工商企業(yè)發(fā)展和增加城市財政收入，是一條生氣勃勃的經(jīng)濟帶。 
現在，越來(lái)越多的國家已經(jīng)擁有了或者正在或者準備建設高速鐵路。截至2003 年底，世界上時(shí)速超過(guò)250km的高速鐵路運營(yíng)里程已達到5 900km，還有近3 000km高速鐵路在建。計劃到2015年，世界上擁有高速鐵路的國家和地區將達到23個(gè)，總里程會(huì )達到30 000km，歐洲地區將形成高速鐵路網(wǎng)聯(lián)通。表2所列的是到2002年底國外正在運營(yíng)的高速鐵路概括。
  鐵路電氣化的發(fā)展也帶動(dòng)了城市軌道交通的發(fā)展，地鐵、輕軌等城市軌道交通也已經(jīng)采用交流傳動(dòng)系統。隨著(zhù)城市經(jīng)濟、文化活動(dòng)的日益發(fā)展，人口以及道路車(chē)輛的增加， 城市交通量與運能之間的矛盾日顯突出， 城市交通問(wèn)題成為影響市民工作生活的突出問(wèn)題，也成為制約城市經(jīng)濟發(fā)展的重要障礙。另外，由汽車(chē)帶來(lái)的廢氣、噪聲、振動(dòng)等環(huán)境污染也愈來(lái)愈引起人們的重視。在這樣的背景下，世界各國紛紛開(kāi)始采用立體化的快速軌道交通系統來(lái)解決日益惡化的城市交通問(wèn)題，并且逐步形成了目前以地鐵為主體，多種軌道交通類(lèi)型并存的現代城市軌道交通發(fā)展格局。其中發(fā)展zui快zui多的就是地鐵。地鐵跟城市中其他交通工具相比，除了有運量大、速度快、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)外，還十分安全。1989年10月17日，美國舊金山海灣地區發(fā)生7.1級大地震，正在運行的地鐵安然無(wú)恙。據日本地下鐵道協(xié)會(huì )統計，到1999年*已有115個(gè)城市建成了地下鐵道線(xiàn)路總長(cháng)度超過(guò)7 000 km?，F在，地鐵、輕軌以及其他軌道交通在城市交通系統中正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。 
例如莫斯科地鐵是世界上zui繁忙的地鐵之一，800多萬(wàn)莫斯科市民平均每人每天要乘坐一次地鐵，地鐵擔負了該市客運量的44％。東京地鐵的營(yíng)業(yè)里程和年客運量與莫斯科地鐵十分接近。巴黎地鐵的日客運量已超過(guò)1000萬(wàn)人次。紐約的公共交通以地鐵為主，它的營(yíng)業(yè)線(xiàn)路總長(cháng)居世界*，日客運量已達到2000萬(wàn)人次，占該市各種交通工具運量的60％。香港地鐵運行后大大緩解地面交通，現在在公共交通市場(chǎng)的占有率達到47％。

我國軌道交通電氣化的發(fā)展和現狀 
我國的電氣化鐵路建設，是從新中國成立以后開(kāi)始的，比世界上其他幾個(gè)電氣化鐵路大國要晚半個(gè)多世紀。 
1961年8月15日，在新建的寶成線(xiàn)寶雞至鳳州段建成了我國*條電氣化鐵路，全長(cháng)93km。在這之后，由于各種各樣的原因，我國的電氣化鐵路建設處于一個(gè)緩慢發(fā)展的時(shí)期。改革開(kāi)放以后，特別是20世紀80年代以后，我國電氣化鐵路建設有了飛速發(fā)展。“六五”期間修建了電氣化鐵路2 507.53 km，“七五”期間修建了2 787.10 km，“八五”期間修建了3 012.21 km ，“九五”期間修建了4 783.44 km，而且還順利建成了我國*條時(shí)速200 km的廣深準高速電氣化鐵路，建設速度一年比一年快，建設規模也一年比一年大。進(jìn)入21世紀，我國電氣化鐵路建設進(jìn)一步加快，截止到2002年底，我國已建成了41條電氣化鐵路干(支)線(xiàn)，電氣化鐵路建設里程達到了18 615.73 km(營(yíng)業(yè)里程為18 115.1 km)，已經(jīng)超過(guò)日本、印度，躍居亞洲*位，*三位，成為世界電氣化鐵路大網(wǎng)中的一員。預計到2010年，我國電氣化鐵路里程將達到26 000 km。到2010年，我國的5條主要繁忙長(cháng)大干線(xiàn)——京哈線(xiàn)、京廣線(xiàn)、京滬線(xiàn)、隴海線(xiàn)和滬杭浙贛線(xiàn)都將全線(xiàn)實(shí)現電氣化，八縱八橫16條主通道將有12條基本建成電氣化鐵路；還將建成京沈、京津、滬杭、長(cháng)衡4條電氣化客運專(zhuān)線(xiàn)；我國6個(gè)大區——西南、西本、華北、中南、東北和華東的電氣化鐵路將基本連接成網(wǎng)；我國*條高速電氣化鐵路——京滬高速鐵路也將全面動(dòng)工興建。到那時(shí)，我國鐵路電氣化率預計將達到34.6%(約占國家鐵路營(yíng)業(yè)里程的40％以上)，電氣化鐵路復線(xiàn)率將增加到68.9％，電氣化鐵路承擔的客貨運量將占鐵路總運量的65％以上。 
基本上與鐵路的電氣化進(jìn)程同步，我國的電力機車(chē)也經(jīng)歷了“從無(wú)到有”，“從少到多”，“從低到高”的發(fā)展過(guò)程。1958年我國*臺干線(xiàn)電力機車(chē)誕生，實(shí)現了我國電力機車(chē)“零”的突破，電力機車(chē)產(chǎn)品“從無(wú)到有”； 1985年我國*臺相控電力機車(chē)——8軸SS4機車(chē)誕生，其后1990年SS5相控4軸客運電力機車(chē)、1991年SS6相控6軸客貨兩用電力機車(chē)、1992年SS7相控6軸機車(chē)、1994年SS8相控4軸準高速客運電力機車(chē)等的研制成功，形成我國第三代電力機車(chē)的多機型系列化， 電力機車(chē)品種“從少到多”；1996年我國*臺微機控制，架承式全懸掛輪對空心軸六連桿彈性傳動(dòng)的準高速客運電力機車(chē)(1998年6月試驗zui高速度達到240 km/h) 與交流傳動(dòng)電力機車(chē)的研制成功，標志著(zhù)我國電力機車(chē)的研制進(jìn)入了高科技領(lǐng)域，實(shí)現了從常速到高速和從交直傳動(dòng)到交直交傳動(dòng)的兩個(gè)里程碑式的跨越，我國電力機車(chē)在新技術(shù)領(lǐng)域實(shí)現了“從低到高”。另外，在內燃機車(chē)方面，交流傳動(dòng)也在逐漸地取代直流傳動(dòng)。1999年9月8日，我國*交流傳動(dòng)內燃機車(chē)在青島四方機車(chē)車(chē)輛廠(chǎng)誕生。這臺被命名為“捷力號”機車(chē)的誕生，是我國內燃機車(chē)發(fā)展*又一個(gè)新的里程碑，標志著(zhù)我國交流傳動(dòng)內燃機車(chē)實(shí)現了“零”的突破。
此外，我國也在加緊準備高速列車(chē)的建設工作，正在籌建的京滬高速鐵路計劃鐵路長(cháng)度約為1 300 km，全線(xiàn)為復線(xiàn)、交流電氣化，全部立體交叉；計劃zui高速度目前為300 km/h，將來(lái)要求達到350 km/h。京滬高速鐵路的建設，必將推動(dòng)中國高速鐵路的建設，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且也會(huì )帶動(dòng)周邊地區經(jīng)濟的發(fā)展。 
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的城市軌道交通建設也在不斷發(fā)展。進(jìn)入21世紀，我國的城市軌道交通建設步入了快速發(fā)展的軌道，尤其是北京、上海分別以2008年奧運會(huì )和2010年世博會(huì )召開(kāi)為契機，廣州、深圳、南京、蘇州、杭州等城市以珠江三角洲、長(cháng)江三角洲地區的經(jīng)濟騰飛為時(shí)機，其地鐵、輕軌等城市軌道交通的建設更趨活躍。截至2003年底，全國除港澳臺地區外，已建成通車(chē)的地鐵、城鐵、輕軌、高速磁懸浮線(xiàn)、高架軌道交通線(xiàn)共16條線(xiàn)路，385km。這些線(xiàn)路覆蓋北京、上海、廣州、天津、大連、長(cháng)春等6大城市。除此以外，還有大量在建和待建項目。自2004 年起，全國除港澳臺地區外，在建的城市軌道交通共計15 條線(xiàn)路，長(cháng)約 275 km，覆蓋北京、上海、天津、廣州、深圳、南京、重慶、武漢等8大城市。全國除港澳臺地區外籌備建設(已經(jīng)立項和申請立項)的城市軌道交通共計24 條線(xiàn)路，總長(cháng)度約為 579 km，覆蓋16個(gè)城市。全國有 20 多座城市有意向建設城軌交通。