電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展

電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展xxx公司電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展電力電子技術在軌道交通牽引系統(tǒng)中的發(fā)展第一組電力牽引傳動與電力電子器件存在相互促進和相互依存的密切關系，電力傳動是按照直一直傳動、交一直傳動再到交一直一交傳動的過程發(fā)展的，而為了滿足這一發(fā)展歷程，離不開電力電子器件和現(xiàn)代計算機控制技術的高速發(fā)展?，F(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展迅猛，開發(fā)周期愈來愈短，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新器件的基礎應用研究，從而促進了牽引傳動方式的進步。1軌道車輛牽引領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年晶閘管問世，標志著電力電子技術的誕生，從此電子技術向兩個分支發(fā)展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對信息處理的微電子技術，其發(fā)展特點是集成度愈來愈高，集成規(guī)模越來越大，功能越來越全。另一支是以晶閘管為核心形成對電力處理的電力電子技術，其發(fā)展特點是晶閘管的派生器件越來越多，功率越來越大，性能越來越好。傳統(tǒng)的電力電子器件已發(fā)展到相當成熟的階段，但在實際中卻存在兩個制約其繼續(xù)發(fā)展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因為通過門極只能控制其開通而不能控制其關斷，屬于半控型器件。二是此類器件立足于分立元件結構，開通損耗大，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，可關斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟，標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。進入80年代以后，伴隨著GTO器件的發(fā)展及成熟，MOS器件的開發(fā)則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨占鰲頭。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)動電路、保護電路、檢測電路等集成在一個芯片或模塊內(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器件的開關特性，同時又具有GTO器件的導通特性，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)勢于一身，預計今后會在更多的工業(yè)和牽引領域中發(fā)揮作用。總之，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、從單個元件到模塊化再到智能化的發(fā)展過程。1.2電氣牽引控制技術的發(fā)展1.2.1牽引軌道運輸裝備的牽引/制動特性是其最基本、最重要的性能，是運輸裝備設計首要考慮的重要因素之一，它包括了運輸裝備的持續(xù)運行速度、最高運行速度、牽引/制動力特性以及裝備的加速性能，以滿足鐵路運輸?shù)男枨?。在軌道運輸裝備減速制動時通常優(yōu)先采用再生制動，將電機回饋的電能通過變流裝置回饋給電網(wǎng)，達到綠色環(huán)保節(jié)能的目的。在系統(tǒng)研究與實際工程應用中，采用高功率密度變流裝置、變壓器、牽引電機和直接轉矩控制等先進電機控制策略，在實現(xiàn)對電機的牽引/制動特性準確控制的同時，獲得毫秒級的轉矩階躍動態(tài)響應性能。電氣牽引傳動粗分為以下幾種方式：1）直流電網(wǎng)供電——直流電動機傳動，即直——直傳動。2）直流供電——交流異步傳動，即直——交傳動。3）單相交流供電——直流（脈流）電動機傳動，即交——直傳動。4）單相交流供電——三相交流異步電動機傳動,即交——交傳動。1.3控制技術1.3.1PWM脈沖寬度調(diào)制技術（PWM）是現(xiàn)代變流技術廣泛應用的起點，是奠定綠色變頻節(jié)能的基礎。其通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)等效的輸出電壓與頻率，從而實現(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）技術在三相對稱正弦波電壓供電時，以合成旋轉的空間電壓矢量為參考，三相逆變器8種不同開關模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。1.3.2傳動控制技術是牽引傳動系統(tǒng)的核心技術，傳動控制技術已經(jīng)由轉差電流控制發(fā)展成矢量控制和直接轉矩控制等。1）轉差電流控制技術轉差電流控制技術是一種早期的用于控制交流異步電機的方法，基于異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，控制性能遠不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，系統(tǒng)的動態(tài)性能差。2）矢量控制技術矢量控制，又稱為磁場定向控制（FOC），其基本原理是將異步電動機的定子電流正交分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量的幅值，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺點，比如轉子磁鏈難以準確觀測，對電機參數(shù)比較敏感，實際工程應用時矢量控制必須具備異步電動機參數(shù)自動辨識功能。與直接轉矩控制相比，矢量控制具有直接的電流閉環(huán)控制特點，電流控制的穩(wěn)定性高，有獨立的PWM調(diào)制單元，決定其轉矩控制結果是一個開關周期內(nèi)的平均值。如果在大功率低開關頻率應用時，高速區(qū)必須采用同步調(diào)制技術。同步調(diào)制技術與直接轉矩控制相比，開關頻率利用不充分，在逆變器峰值電流、電機諧波損耗、轉矩脈動、直流側電流諧波等重要性能指標上比直接轉矩控制差。而直接轉矩控制PWM調(diào)制在磁鏈和轉矩控制中直接實現(xiàn)，轉矩動態(tài)性能高，但在低速高開關頻率區(qū)性能比矢量控制差。通常在小功率高開關頻率場合應用矢量控制，在大功率低開關頻率場合應用直接轉矩控制。3）直接轉矩控制技術直接轉矩控制技術是繼矢量控制技術之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動機變頻調(diào)速技術。與矢量控制不同，直接轉矩控制通過直接控制轉矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復雜的坐標變換，因此具有控制結構簡單、轉矩響應快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結構復雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題。直接轉矩控制可以充分利用逆變器的開關頻率，從而特別適用于大功率牽引傳動領域。2軌道車輛牽引領域電力電子器件的應用2.1電力電子器件在軌道車輛牽引中的應用發(fā)展80年代以前，在軌道車輛牽引領域，電力電子器件主要用于直流傳動系統(tǒng)中的整流器和斬波器以及輔助傳動系統(tǒng)。電力電子器件主要是晶閘管。進入80年代以后，隨著交流傳動技術日趨成熟，電力電子器件又有了新的用武之地，其在牽引領域的應用主要包括：整流器、斬波器、電力制動、逆變器以及輔助傳動系統(tǒng)。這一時期在這些應用領域采用的電力電子器件主要是晶閘管和GTO。進入90年代以后，交流傳動在電力機車、內(nèi)燃機車及動車組上得以大量地推廣應用，使電力電子器件在軌道車輛牽引領域中有了更廣闊的應用前景。這一時期其在牽引領域的應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，預計在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進展：(1)已進入實用化的全控型器件將在功率等級、易于驅(qū)動和更高工作頻率這三個方面繼續(xù)改善和提高。(2)由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實用化，在更多的領域，IGBT和IGCT將取代GTO。(3)IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應用。(4)功率集成電路將會有更進一步的發(fā)展。這將預示著電力電子技術將躍入一個新的時代。(5)新型半導體材料SiC的問世，將預示著在不遠的將來會誕生一種集高耐壓、大電流、高開關速度、無吸收電路、簡單的門極驅(qū)動、低損耗等所有優(yōu)點于一身的新型SiC電力器件。2.2IGBT在軌道車輛牽引變流器的應用由于IGBT器件屬電壓驅(qū)動的全控型開關器件，脈沖開關頻率高，性能好，損耗小，且自保護能力也強。為此，目前世界上無論是干線鐵路還是城市軌道的電動車輛的電氣系統(tǒng)中均采用IGBT模塊來構成。隨著IGBT性能的迅速發(fā)展，IGBT模塊的電壓等級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，并已開始在城市電車上獲得推廣應用;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很快地應用到鐵道與城市地鐵輕軌車輛中，由于其性能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊，整機的結構設計緊湊輕巧，且采用了低感母線技術與軟門極的驅(qū)動技術并解決了熱循環(huán)的壽命問題，目前，HVIGBT模塊已成為軌道電力牽引系統(tǒng)中應用的主導元件。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，以適應大城市大客流量發(fā)展的需要。網(wǎng)壓的提高對電力電子器件的電壓等級提出了更高的要求，IGBT模塊的電壓等級也從1200V發(fā)展到L700V,3300V以及4500V和6500V電壓等級水平。3軌道車輛牽引變流器的發(fā)展3.1車輛用IGBT逆變器的開發(fā)當電壓等級不夠高時，在德國和日本曾用1200V和1700V等級IGBT構成三點式(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IGBT的批量生產(chǎn)，用這類電壓等級的模塊(器件)構成兩電平(兩點式)逆變器能夠滿足在3300V電網(wǎng)當中的應用，因而在上世紀末國外生產(chǎn)的地鐵輕軌電動車輛以及部分干線電力機車動車都已采用這類高壓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，但是其主電路結構復雜，所用器件多出一倍，這是它不足之點。所以在城軌車輛中目前都采用IGBT構成的兩電平逆變器，而在干線電力機車中，采用4500V等級或6500V等級的HVIGBT來構成兩電平逆變器。當然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點，目前在日本仍有不少的應用。3.2無吸收電路式逆變器在軌道車輛上要求結構緊湊、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)出滿足這一要求的特點。通過采用低感母線技術以盡量降低母線的寄生電感來達到抑制關斷時的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進一步簡化了結構，減輕了重量，縮小了體積。在1500V網(wǎng)壓下，采用上述技術可以使其尖峰電能押制在2300V以內(nèi)。應用了低感母線技術的主電路結構不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。3.3軟門極驅(qū)動技術一般高壓IGBT模塊在關斷時其電壓上升率陡峭可達5000V/μS，通過應用軟門極驅(qū)動技術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的降低對裝置中工作的各類器件都是大為有利的。由于采用了軟門極驅(qū)動技術同時也降低了IGBT的損耗。4未來技術的發(fā)展4.1功率器件碳化硅（SiC）是一種物理化學特性僅次于金剛石的化合物半導體材料，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，使各類變換器的體積減少到原來的5%~20%，具有耐高壓（達數(shù)萬伏）、耐高溫（大于500℃）的特性,被公認為是下一代電力電子器件的最佳候4.2無線傳輸技術現(xiàn)代高速列車通過車—地信息網(wǎng)絡來達到安全運行的要求。隨著無線技術的日益發(fā)展，無線技術應用越來越被各行各業(yè)所接受。通過采用先進的無線局域網(wǎng)(LAN)和GPRS/GSM無線通信技術實現(xiàn)快捷的信息處理；采用無線通信方式實現(xiàn)高速列車遠程監(jiān)控技術；采用無線通信方式實現(xiàn)遠程列車設備檢修數(shù)據(jù)庫的訪問技術等，從而擺脫地面設備的束縛，實現(xiàn)實時列車狀態(tài)的跟蹤運行。4.3新一代傳動控制技術4.3.1與異步電機相比，永磁同步電機具有高能流密度、高功率因數(shù)、高效率、體積小、重量輕等特點，與同容量的異步電機相比，永磁同步電機的體積和重量大約能減少15%～30%左右；轉速平穩(wěn)、過載能力強；噪聲低，可靠性高；結構多樣化，應用范圍廣。永磁同步電機將在未來取代異步電機，成為軌道牽引傳動的主流牽引電機。近年來對永磁驅(qū)動及控制技術進行了大量研究，小功率的永磁驅(qū)動技術已經(jīng)在電動汽車上批量裝車應用，正針對“500km/h高速動車組”項目進行大功率永磁驅(qū)動及控制技術的研究。4.3.2無速度傳感器控制技術可減小牽引電機的體積和傳感器故障的發(fā)生率，大大提高了傳動控制單元的系統(tǒng)可靠性。省掉速度傳感器及連接電纜的費用，節(jié)約了成本。無速度傳感器控制系統(tǒng)近年來已成為交流傳動控制研究的熱點。目前，已經(jīng)成功完成了異步電機無速度傳感器技術的理論研究與地面試驗，攻克了逆變器保護封鎖后的帶速度重投、極低速定子零頻附近的額定轉矩發(fā)揮以及再生制動狀態(tài)等技術難題，正在積極進行工程化的應用研究。4.3.3無論是矢量控制技術，還是直接轉矩控制技術，在對于電機參數(shù)可能發(fā)生的變化時，都會影響變頻器對電機的控制性能。自適應控制器可以根據(jù)對受控對象在工作過程中不斷檢測的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)或性能指標的變化情況，自行修正控制參數(shù)或控制作用以適應環(huán)境和對象本身的動態(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控制技術進行電機參數(shù)自辨識技術的研究，不斷提高傳動控制的性能。4.4功率模塊的集成化隨著功率電子器件、功率電子設備以及變流技術向著模塊化方向發(fā)展，使得功率模塊的功能、通用性以及性能越來越強。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，成功解決了各類模塊化器件在集成過程中產(chǎn)生的控制、驅(qū)動以及故障保護檢測等問題，正朝著體積更小、重量更輕、功