汽车电子论文|变频传动技术在城市交通车辆中的应用

【论文摘要】本文介绍了变频传动技术在城市交通车辆中的应用,所产生的社会经济效益，同时阐述了变频传动技术的发展趋势。
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一．概述：
随着现代电力电子器件、智能功率集成模块问世，控制理论及微电子技术的发展使异步电动机的调压变频调速得以顺利实现，从而使交流变频传动广泛应用于国民经济各部门，并正在逐步取代直流传动系统，同时随着大功率自关断器件的日趋完善和以微处理器件为核心的数字控制技术的发展更促进了交流变频传动系统在城市交通车辆中的应用。
二．变频传动技术在国外的应用情况
城市轨道机车在国外发展已有100多年的历史，随着现代技术的应用及发展，其电力传动系统有了很大的变化，其驱动与调速系统由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进而发展到应用交流三相异步牵引电动机采用调压变频调速（VVVF）的传动技术。由于这种变频传动技术的优良性，因此目前世界上德、日等发达国家近来研制的地铁和轻轨车辆几乎全部采用交流电传动变频调速技术。而且随着能源、环保与人类的关系越来越密切，采用这种调速技术的机车将会被更广阔的市场及社会所接受。
例，根据有关资料记载的德国采用BR120型交流变频传动电力机车试验的结果表明这种性能的机车比直流传动车辆具有以下显著的优点：
①.在相同粘重时,牵引力提高30%;
②.功率因素高(COSφ可达到1),电网利用率提高30%;
③.由于它采用电力电子器件取代了有触点器件,维修费可降低50%;
④.无故障运行超过40万KM;
⑤.节能显著,采用GTO变频器的交流电传动装置比相同容量使用斩波调速的直流传动装置效率可提
高6～7%。据有关资料介绍，一辆5600KW的机车每小时可节电392度,若按年运行3000小时,则每年节电可达117.6万度。其显著的节能效果，将会带来显著的社会经济效益。
目前国际上，在交流电传动车辆处于领先水平的日本和德国基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVV逆变器（简称GTO变频器）和异步牵引电动机配套组成变频传动系统。
日本在1990年后生产的GTO变频器容量就达到了4500V、3000A。日本于1991年11月统计公布的所有日本交流变频调速车的主要参数。其本上都是采用由日立、东芝、三菱电机、富士电机和东洋电公司制造的GTO变频器。东洋公司从1986年到1990年底止，就已为23种车型提供的GTO变频器。据有关资料介绍，1 9 9 4年日本生产的1 0 0 KW以下的中小功率变频器已达1 00万台。除日本外，欧美等发达国家目前已形成了较完整的变频器技术产业体系。
目前，世界上德、日等发达国家近年来新研制的地铁和轻轨列车，几乎全部采用交流变频传动技术；而三点式逆变器用于交流传动系统，在德国和日本则已有应用，在1993年德国就已经有成千台用此方案构成的IGBT三点式逆变器用于轻轨电车上。
三．变频传动技术在我国城市交通车辆上应用的特点及效益
1）.交流变频调速传动的车辆的优点：
交流变频传动系统一般由三相交流异步电动机、变频器及其控制装置组成。它与直流传动系统相比其显著的优点如下：
异步电动机比直流电动机结构简单，没有换向器，运行可靠，重量轻，效率较高而且价格低廉。其机械特性较硬,具有优异的牵引性能。而用其控制电路比直流传动系统简单，维护十分容易。
2）目前，我国使用新型的变频节能无轨电车的节能情况：
如广州本田公司将200台变频电车取代152台电阻式控制的旧电车和48台斩波控制车。在实际的营运路线上，他们分别对各种电车进行了耗电量测定，他们测量的结果表明，新型车耗电量为电阻式控制车的72.6%。其测量结果见下表：

根据他们对200台新型变频车与200台旧车一年的耗电量比较计算，新型车的耗电约减少24%，由此可见新型变频传动控制的车辆节电效果十分明显。根据有关资料介绍，采用GTO变频器传动的装置比相同容量的斩波调速直流传动装动装置效率提高6～7%。如上所述，变频传动技术在城市交通辆的应用已取得了明显的技术经济效益。因此，我国电子工业部在电子工业“九五”规划中就已经将以变频器传动装置为代表的节能技术列为发展重点之一。
我国于1996年研制成功了AC4000型交流传动电力机。目前750VDC系统下的地铁车辆每台牵引电动机功率约90～160KW,因此采用600～1000A/1200V 的IBGT构成三点式逆变器传动系统,已能达到所需的容量。我国的广州地铁车原来准备用直流斩波调速车，为了考虑到与国际先进水平发展趋势一致、节约能源及经济合理性，因而最终也确定了选择三相交流异步电动机变频调速的传动方案。
目前在我国工业生产的各个领域中为了节约能源，也开始了用变频传动技术来改造设备。
四．变频传动技术的发展
城市轨道交通车辆的牵引电动机长期以来都普遍采用直流旋转电动机。其传动方式有变阻控制和斩波调压控制。变阻控制在