交流變頻調(diào)速在軌道交通牽引系統(tǒng)中的應(yīng)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?yàn)槿魏我环N新器件的出現(xiàn)，都會為電力變換技術(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(kuò)大其應(yīng)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(dá)國家廣泛地應(yīng)用于鐵路和城市軌道交通系統(tǒng)。我國目前鐵路和城市軌道交通的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)的需求及世界先進(jìn)水平相比，還存在很大差距。但是，通過幾代人的努力，一個交通全面電氣化和牽引交流變頻化的時代正在到來。
　　

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(mào)易博覽會上，由西門子和哈爾斯克公司展出了世界上第一條電氣化鐵路。這條鐵路長只有300m，在上面運(yùn)行的電力機(jī)車只有954kg，最高運(yùn)行時速達(dá)13 km，看起來好像現(xiàn)在的電動玩具。但在其拖車上，確實(shí)能夠搭載數(shù)名乘客，在4個月的展覽期間共運(yùn)送8萬多位乘客。這被認(rèn)為是世界電氣化鐵路的先驅(qū)。1881年，西門子和哈爾斯克公司又在柏林近郊的利希特菲爾德車站和軍事學(xué)院之間修建了一條長2 145m的電車線路，同年又在法國巴黎國際電工展覽會上展出了第一條長500m的由2條架空導(dǎo)線供電的電車線路，這就為提高電壓、采用大功率牽引電動機(jī)創(chuàng)造了條件。這種電車形式的電氣化鐵路的出現(xiàn)，引起了西歐、美國和日本的極大興趣，在接下來的一段時間，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(yīng)用在市內(nèi)交通、近郊線路和工礦線路上。隨著工業(yè)的發(fā)展，電氣化鐵路也開始發(fā)展到城市間的干線鐵路上來。但是由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的制約，交流傳動系統(tǒng)在電氣化鐵路的機(jī)車牽引中并沒有占主導(dǎo)地位，但是人們對交流傳動的追求和探索一直沒有停止。
　　20世紀(jì)50年代后，西方工業(yè)化國家為了滿足日益增長的運(yùn)輸需求，開始大規(guī)模地進(jìn)行鐵路現(xiàn)代化建設(shè)。各國都開始大量興建電氣化鐵路，電氣化鐵路在總的鐵路通車?yán)锍讨兴急壤絹碓酱?，修建的國家也越來越多。?jù)不完全統(tǒng)計，到2002年底，全世界鐵路的總營業(yè)里程為1 185 518．5km，其中沒有修建電氣化鐵道的國家和地區(qū)為64個，鐵路總營業(yè)里程為105 054 km；已修建電氣化鐵道的國家和地區(qū)為65個，鐵路總營業(yè)里程為1 080 464．5 km，電氣化鐵道總營業(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(dá)到了46％。共有11個國家(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(dá)98％。
　　20世紀(jì)70年代以來，電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步，又重新喚起人們對交流傳動系統(tǒng)的熱情。自1971年世界首臺采用異步交流傳動系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車DE2500問世以來，交流傳動系統(tǒng)以其突出的優(yōu)越性受到了各國鐵路運(yùn)輸部門的關(guān)注，獲得了長足的發(fā)展，并已基本取代了直流傳動系統(tǒng)。與直流傳動機(jī)車相比，交流傳動具有無可比擬的優(yōu)越性，這已經(jīng)在各國鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中得到了廣泛的驗(yàn)證。交流傳動所用的三相交流異步電動機(jī)比直流電動機(jī)的功率／體積比和功率／重量比更大，無需經(jīng)常維護(hù)，故障率低。異步電動機(jī)的恒功率區(qū)比直流電動機(jī)大許多，轉(zhuǎn)速更高，起動牽引力大，持續(xù)功率大，有利于實(shí)現(xiàn)重載和高速牽引。交流傳動可以很容易地實(shí)現(xiàn)電氣制動，大大減少制動閘瓦的消耗，并可以利用制動時反饋的能量，起到節(jié)能節(jié)油的作用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。另外，交流傳動機(jī)車的一個突出的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)良的粘著特性，由于異步交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很硬的機(jī)械特性，車輪更不容易打滑或者空轉(zhuǎn)。其次，交流傳動電力機(jī)車牽引和再生工況的功率因數(shù)均接近于1，不僅降低了電網(wǎng)損耗而且在再生制動時可將高質(zhì)量電能反饋給電網(wǎng)，消除了電網(wǎng)對信號和通信系統(tǒng)的干擾。再者，機(jī)車采用交流牽引電動機(jī)后，簧下重量大大減輕，改善了輪軌動力學(xué)性能，降低了機(jī)車輪緣磨耗。隨著磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能異步電動機(jī)控制策略的應(yīng)用，交流傳動機(jī)車的調(diào)速性能已經(jīng)能夠達(dá)到甚至超過直流傳動機(jī)車。表1是國外比較有代表性的使用交流傳動的電力機(jī)車和電動車組。

　　大容量交流電動機(jī)控制系統(tǒng)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，以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關(guān)斷器件有了長足的發(fā)展，尤其是出現(xiàn)了高壓IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)為代表的雙極型復(fù)合器件，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅(qū)動、低損耗和智能模塊化的方向推進(jìn)。伴隨著器件的發(fā)展，高壓大容量交流電動機(jī)控制系統(tǒng)也日益高性能化。90年代在歐、美、日等發(fā)達(dá)國家與地區(qū)，大功率半導(dǎo)體元件的應(yīng)用已由晶閘管進(jìn)入到GTO，甚至到高壓IGBT；機(jī)車電力傳動已由直流傳動全面發(fā)展到交流傳動，直流傳動機(jī)車已停止生產(chǎn)，完成了向交流傳動的轉(zhuǎn)換。
　　此外，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使十分復(fù)雜的交流傳動控制變得越來越容易實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步促進(jìn)了交流傳動技術(shù)的成熟與發(fā)展。新型可關(guān)斷功率器件不斷涌現(xiàn)，其電壓和電流及開關(guān)頻率不斷提高，已完全能滿足機(jī)車車輛變流領(lǐng)域的需要。變流裝置結(jié)合完善的冷卻技術(shù)、保護(hù)技術(shù)使其具有可靠、無維修的優(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(yùn)輸又提出了更高的要求，例如快速、舒適，節(jié)能及減少污染等。隨著科學(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(xiàn)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開通運(yùn)營，拉開了世界高速鐵路發(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(shè)。法國的TGV，德國的ICE系列高速列車就是其中的代表。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)曾經(jīng)有過一個定義，允許最高速度大于等于250km/h的鐵路新線或允許最高運(yùn)營速度大于200km/h的鐵路既有線，可以稱為高速鐵路。如今的高速列車早就采用了交流傳動并采用計算機(jī)進(jìn)行控制，采用GTO以及更新的IGBT變流元件，運(yùn)營速度可以達(dá)到300km/h，最新的法國的AGV列車和韓國的HSR350x列車時速可以達(dá)到350km。高速鐵路將傳統(tǒng)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(yùn)輸體系中與其他現(xiàn)代交通運(yùn)輸方式相比具有如下優(yōu)勢：1)最安全的大運(yùn)能交通 高速鐵路現(xiàn)代化的、完善的安全保障技術(shù)，可以防止人為的過失、設(shè)備故障及自然災(zāi)害等突發(fā)事件引起的事故。2)高效節(jié)能的綠色交通 相對而言，按照每人km消耗能量計，高速鐵路比汽車和飛機(jī)要小得多。而且高速鐵路使用的是二次能源——電力，牽引無廢氣、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(jì)和社會效益好 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相關(guān)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)交通的龍頭作用。高速鐵路沿線地區(qū)還有利于吸引人口，增加就業(yè)機(jī)會，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(jì)帶。
　　現(xiàn)在，越來越多的國家已經(jīng)擁有了或者正在或者準(zhǔn)備建設(shè)高速鐵路。截至2003 年底，世界上時速超過250km的高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)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(qū)將達(dá)到23個，總里程會達(dá)到30 000km，歐洲地區(qū)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(yùn)營的高速鐵路概括。
?　　鐵路電氣化的發(fā)展也帶動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)采用交流傳動系統(tǒng)。隨著城市經(jīng)濟(jì)、文化活動的日益發(fā)展，人口以及道路車輛的增加， 城市交通量與運(yùn)能之間的矛盾日顯突出， 城市交通問題成為影響市民工作生活的突出問題，也成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要障礙。另外，由汽車帶來的廢氣、噪聲、振動等環(huán)境污染也愈來愈引起人們的重視。在這樣的背景下，世界各國紛紛開始采用立體化的快速軌道交通系統(tǒng)來解決日益惡化的城市交通問題，并且逐步形成了目前以地鐵為主體，多種軌道交通類型并存的現(xiàn)代城市軌道交通發(fā)展格局。其中發(fā)展最快最多的就是地鐵。地鐵跟城市中其他交通工具相比，除了有運(yùn)量大、速度快、無污染的優(yōu)點(diǎn)外，還十分安全。1989年10月17日，美國舊金山海灣地區(qū)發(fā)生7.1級大地震，正在運(yùn)行的地鐵安然無恙。據(jù)日本地下鐵道協(xié)會統(tǒng)計，到1999年全世界已有115個城市建成了地下鐵道線路總長度超過7 000 km?，F(xiàn)在，地鐵、輕軌以及其他軌道交通在城市交通系統(tǒng)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。
　　例如莫斯科地鐵是世界上最繁忙的地鐵之一，800多萬莫斯科市民平均每人每天要乘坐一次地鐵，地鐵擔(dān)負(fù)了該市客運(yùn)量的44％。東京地鐵的營業(yè)里程和年客運(yùn)量與莫斯科地鐵十分接近。巴黎地鐵的日客運(yùn)量已超過1000萬人次。紐約的公共交通以地鐵為主，它的營業(yè)線路總長居世界首位，日客運(yùn)量已達(dá)到2000萬人次，占該市各種交通工具運(yùn)量的60％。香港地鐵運(yùn)行后大大緩解地面交通，現(xiàn)在在公共交通市場的占有率達(dá)到47％。
　　

我國軌道交通電氣化的發(fā)展和現(xiàn)狀
　　我國的電氣化鐵路建設(shè)，是從新中國成立以后開始的，比世界上其他幾個電氣化鐵路大國要晚半個多世紀(jì)。
　　1961年8月15日，在新建的寶成線寶雞至鳳州段建成了我國第一條電氣化鐵路，全長93km。在這之后，由于各種各樣的原因，我國的電氣化鐵路建設(shè)處于一個緩慢發(fā)展的時期。改革開放以后，特別是20世紀(jì)80年代以后，我國電氣化鐵路建設(shè)有了飛速發(fā)展?！傲濉逼陂g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第一條時速200 km的廣深準(zhǔn)高速電氣化鐵路，建設(shè)速度一年比一年快，建設(shè)規(guī)模也一年比一年大。進(jìn)入21世紀(jì)，我國電氣化鐵路建設(shè)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，電氣化鐵路建設(shè)里程達(dá)到了18 615.73 km(營業(yè)里程為18 115.1 km)，已經(jīng)超過日本、印度，躍居亞洲第一位，世界第三位，成為世界電氣化鐵路大網(wǎng)中的一員。預(yù)計到2010年，我國電氣化鐵路里程將達(dá)到26 000 km。到2010年，我國的5條主要繁忙長大干線——京哈線、京廣線、京滬線、隴海線和滬杭浙贛線都將全線實(shí)現(xiàn)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、長衡4條電氣化客運(yùn)專線；我國6個大區(qū)——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)；我國第一條高速電氣化鐵路——京滬高速鐵路也將全面動工興建。到那時，我國鐵路電氣化率預(yù)計將達(dá)到34.6%(約占國家鐵路營業(yè)里程的40％以上)，電氣化鐵路復(fù)線率將增加到68.9％，電氣化鐵路承擔(dān)的客貨運(yùn)量將占鐵路總運(yùn)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(jī)車也經(jīng)歷了“從無到有”，“從少到多”，“從低到高”的發(fā)展過程。1958年我國第一臺干線電力機(jī)車誕生，實(shí)現(xiàn)了我國電力機(jī)車“零”的突破，電力機(jī)車產(chǎn)品“從無到有”； 1985年我國第一臺相控電力機(jī)車——8軸SS4機(jī)車誕生，其后1990年SS5相控4軸客運(yùn)電力機(jī)車、1991年SS6相控6軸客貨兩用電力機(jī)車、1992年SS7相控6軸機(jī)車、1994年SS8相控4軸準(zhǔn)高速客運(yùn)電力機(jī)車等的研制成功，形成我國第三代電力機(jī)車的多機(jī)型系列化， 電力機(jī)車品種“從少到多”；1996年我國第一臺微機(jī)控制，架承式全懸掛輪對空心軸六連桿彈性傳動的準(zhǔn)高速客運(yùn)電力機(jī)車(1998年6月試驗(yàn)最高速度達(dá)到240 km/h) 與交流傳動電力機(jī)車的研制成功，標(biāo)志著我國電力機(jī)車的研制進(jìn)入了高科技領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從常速到高速和從交直傳動到交直交傳動的兩個里程碑式的跨越，我國電力機(jī)車在新技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“從低到高”。另外，在內(nèi)燃機(jī)車方面，交流傳動也在逐漸地取代直流傳動。1999年9月8日，我國首臺交流傳動內(nèi)燃機(jī)車在青島四方機(jī)車車輛廠誕生。這臺被命名為“捷力號”機(jī)車的誕生，是我國內(nèi)燃機(jī)車發(fā)展史上又一個新的里程碑，標(biāo)志著我國交流傳動內(nèi)燃機(jī)車實(shí)現(xiàn)了“零”的突破。
　　此外，我國也在加緊準(zhǔn)備高速列車的建設(shè)工作，正在籌建的京滬高速鐵路計劃鐵路長度約為1 300 km，全線為復(fù)線、交流電氣化，全部立體交叉；計劃最高速度目前為300 km/h，將來要求達(dá)到350 km/h。京滬高速鐵路的建設(shè)，必將推動中國高速鐵路的建設(shè)，拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且也會帶動周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的城市軌道交通建設(shè)也在不斷發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，我國的城市軌道交通建設(shè)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(yùn)會和2010年世博會召開為契機(jī)，廣州、深圳、南京、蘇州、杭州等城市以珠江三角洲、長江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)騰飛為時機(jī)，其地鐵、輕軌等城市軌道交通的建設(shè)更趨活躍。截至2003年底，全國除港澳臺地區(qū)外，已建成通車的地鐵、城鐵、輕軌、高速磁懸浮線、高架軌道交通線共16條線路，385km。這些線路覆蓋北京、上海、廣州、天津、大連、長春等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(qū)外，在建的城市軌道交通共計15 條線路，長約 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(qū)外籌備建設(shè)(已經(jīng)立項和申請立項)的城市軌道交通共計24 條線路，總長度約為 579 km，覆蓋16個城市。全國有 20 多座城市有意向建設(shè)城軌交通。