电动机车用变频器

    电动机车主要是指铁路列车、工矿机车、城市地铁列车、轻轨列车及无轨和有轨电车。

    这些机车、地铁、无轨电车等以前均用直流电动机牵引，由交流单相高压供电，经牵引变压器降压、整流、调压给直流牵引电动机供电，称为交一直传动系统，内燃机车和工矿电力机车也是由直流电动机组传动，这些均采用变阻调速，统称为变阻动车。

   1970年，由西德BBC～HEN，SCHEL联合研制的PWM技术控制晶闸管( SCR)三相交流异步牵引电机变频调速的DE-2500型内燃机车，经过一系列试验，在调速传动系统中以无比优越性能震惊世界的科技界、工业界，是20世纪电传动调速技术的一个重大里程牌，并很快在交流电动机调速传动中，得到迅速发展。由于该技术在各个电传动调速技术领域中得到及其广泛应用，使直流调速电传动占统治地位的时代一去不复返了。

   20世纪80年代由于电力电子高压大功率自关断器件GTO的问世，使变频器进一步小型化、轻量化、大功率化、高效率化。这种新型的变频器在大功率内燃机车和电力机车上的成功应用，促进了交流传动机车更迅速的发展。1984年，4500V、2500A GTO问世后，BBC公司率先在DE-1003型内燃调车机车应用成功后，接着ABB公司和KRUPP公司的MAK厂及HENSCHEI公司，很快分别研制出干线客、货通用的5台DE10 24型GTO交流传动内燃机车，并于1989年试验成功。这个型号机车的各项牵引特性技术指标十分适用于中国铁路市场。随后，GTO交流传动机车在西欧和日本大量发展起来。而美国则是后来者居上，于20世纪90年代中期以来迅速发展GTO交流传动内燃机车，现已达2700多台。下面以美国为例，介绍变频器在电动车辆中的应用情况。

    美国AMTRAN铁路客运公司首先采用BBC公司与美国GE公司共同研制F202型客运交流传动内燃机车，速度达200km/h，功率2750kW，经过试验后，充分显示了交流传动具有无比优越性。DE-1024型GTO交流传动内燃机车诞生后，AMTRAK铁路客运公司很快就向ABB-GE定购了352台AMD-103型4000HP的GTO交流传动的客运内燃机车。

    美国铁路是以重载长途货运为主的国家，最大货运列车吨位可达15000t左右，由多台内燃机车重联和间联统一控制进行牵引。北美BN伯林顿北方铁路公司订购了美国GMlEMD和德国Siemens合作生产的GTO交流传动SD60MAC型内燃机车，最大起动牵引力达780kN（6轴），黏着系数达0.45。3台GTO交流传动内燃机车，即可牵引15000t货物列车，可取代过去的台直流传动内燃机车。相比之下，牵引力提高了30%～50%，节油达到8%～35%左右，机车保存量可减少30%～50%左右，并且还具有减少机车停车场占地面积和运营管理费用等显著技术经济优越性，使美国和北美一些铁路运营公司，纷纷订购GTO交流传动内燃机车以取替直流传动机车，以向交流传动化方向发展。据有关资料统计，自1994年以来仅5年左右的时间，已定购和已在铁路上运营的GTO交流传动机车共达到2700台左右。如：BN于1994年向EMD订购了350台功率为283kW的SD70MAC型GTO交流传动内燃机车，到1997年又订货700台，现已经运营434台。接着联合铁路CONRAIL公司也订购21台SD80MAC型机车，功率提高到3728kW。1996年，EMD与SIEMENS又联合研制出功率达4474kW和SD90MAC大功率GTO交流传动内燃机车。EMD公司还将进一步研制5220kW的GTO交流传动燃机车。该公司到1997年共制造和订货GTO三相交流传动内燃机车就达到1300台，该公司平均年产量接近250台左右。

    还有GE公司向CSX铁路公司提供了250台GTO交流传动机车，其中有50台功率是4474kW的AC4400CW型。

    另个还有美国MK公司，原先是内燃机车大修厂，不甘落后，现在在研制大功率4474kW的GTO三相交流传动内燃机车。

    美国铁路市场，仅4～5年时间里如此快速发展GTO三相交流传动内燃机车，其发展速度是惊人的。若如此速度发展下去，可以预见在21世纪50～60年代左右，美国铁路牵引动力的传动系统将会全部实现三相交流化传动的内燃机车或电力机车牵引。这对美国铁路牵引系统是跨世纪的重大技术革命。

    美国两大内燃机车制造业：GE与德国Adatranz联姻，GM/EMD与德国Siemens合作，开发生产模块化系列化GTO交流传动内燃机车备件，面向世界市场，出口交流传动内燃机车。如GE-Adtranz研制的Blue Tiger Family（蓝虎）DE-AC33C型_相交流内燃机车就是为此而开发研制的，该种机车已开发研制出来，巴基斯坦国家铁路就订货30台，于1998年交货。“蓝虎”系列机车是针对北美、欧、亚、南美、非洲和大洋洲等国家、地区机车市场开发的。因为这些国家以内燃机车牵引为主。据称获得马来西亚、印度尼西亚和俄罗斯等国家铁路订货。市场预测到2000年“蓝虎”系列机车将销售700台，总收入达10亿美元。

    内燃机车的辅助系统也是三相交流传动。供电系统由主传动的高压“交-直-交”的中间直流环节直流供电给GTO的“直-交”50Hz PWMD/A变换器，再经AC/AC降压变压器得到380V 50Hz 200～500kW供电设备，以提供通风机、压缩机、油泵、水泵、柴油机冷却风扇等三相辅助系统变频器等电源供电。因为只有“交-直-交”传动，中间直流环节电压保持恒定才能实现辅助系统三相交流传动的应用。中间直流环节恒定电压等级对不同机车要求不同，一般为1500～2800V不等的直流电压。如果是客运内燃机车牵引，列车空调和取暖，也由此电源供电。

    风机、压缩机、泵类、风扇的变频器现在都采用IGBT或IPM器件变频器，技术都非常成熟。

    采用该种供电设备，当机车减速或列车下坡时，列车由于惯性的能量转化为电制动状态运行，则交流异步电动机变成发电机，而电制动的能量除了部分用于电阻耗能制动外，还由辅助系统获得此能量，而很少需要柴油机输出能量。不像直流传动机车仍然需要柴油机向同步发电机和直流电机励磁供电而耗能，并且直流传动机直流环节电压是变化的，不可能得到直流恒压电压，这又是交流传动内燃机车比直流传动内燃机车节油的重要原因之一。

    可是GTO变频器众所周知存在很多弊端，当具有众多优点的IGBT耐压达到一定水平时就很快被应用到车辆上。如东洋电机公司1987年就在7700系列车上，将原来的GTO变频改装成IGBT变频器，而不改变整车性能；由于改装效果显著，已于1995年起投入批量生产。日立公司到1996年共生产出51个系列采用IGBT的变频器。日本近年来生产的车辆更多地采用IGBT变频器，德国西门子等公司也都先后开发出IGBT变频器，在各个大城市的地铁车和轻轨车上投入运行。

    德国西门子公司对这两种变频器主要特性进行了比较，参见表11-1。

    表11-1    IGBT变频器和GTO变频器主要特征

    从表11-1所列主要特性比较显然可见，IGBT变频器的开关频率高出GTO变频器5倍，因此，使电动机同峰值电流降低25%，变频器损耗降低5%，IGBT变频器的最大振荡力矩仅为GTO变频器的23%。这样就提高了效率，降低了噪声。除电气性能的优点外，IGBT变频器重量减轻一半，可靠性也大大提高，从而减少维护费用。

    据日立公司的测试表明，IGBT变频器采用三点式逆变器电路比GTO变频器降低噪声15dB，体积和质量也降低了40%左右。

    可见牵引用IGBT变频器比GTO变频器具有明显的技术经济优越性。这就是为什么国外各大电气公司纷纷在车辆上采用IGBT变频器的主要理由。

    地铁和轻轨车辆的供电电压通常采用直流750V和1500V两种。随着城市规模扩大，运量相应地增大，运输线也延长，所以新建的地铁或轻轨线都趋向于采用直流1500V，但从目前IGBT的生产水平来看，例如日本的日立公司1995年IGBT的生产水平为500A/2000V，东芝公司1996年IGBT的生产水平为1000A/2500V，法国阿尔斯通公司的IGBT为1500A/1600V，德国西门子公司IGBT生产水平为300A/1700V，研制水平达1800A/1700V，即使这样高耐压的IGBT，用在供电电压为1500V的车辆上也尚嫌不足，故目前车辆上都采用三点式逆变器电路。

    图11-1示出了车辆用三点式逆变器主电路，图11-2列出了二点式GTO逆变器、IGBT逆变器和三点式IGBT逆变器电路的原理图，以及在相应开关频率下电流波形情况，显而易见，三点式IGBT逆变器电路的电压波形最接近正弦波。

    图11-1    三点式逆变器主电路

    图11-2    三种逆变器及其电动机电流波形

    近年来日本和德国都宣称新开发出3300V级的高阻断电压IGBT，可用在1500V车辆构成二点式IGBT逆变器电路。二点式逆变器电路所使用的IGBT器件数量要比三点式逆变器电路少一半，也不需要钳位二极管，因而可将IGBT变频器的体积减少30%。日立公司将它与170kW异步牵引电动机组装后进行试验，结果表明其电动机电流波形虽比三点式逆变器电路差一些，但远远处于二点式GTO逆变器的电流波形(参见图11-2)。可见，如果IGBT的生产水平能达到二点式逆变器电路要求的话，那么采用二点式IGBT逆变器电路方案也是可取的，因为它可减少器件的数量，从而降低制造成本和维修费用。

（作者稿费要求：需要高清无水印文章的读者3元每篇，请联系客服，谢谢！在线客服：）