资料下载-变频变流技术在电力牵引领域中应用发展综述

变频变流技术在电力牵引领域中应用发展综述演讲人：陶生桂教授、博导同济大学电气工程系主要内容目录1.变频变流技术的发展概述2.城轨车辆辅助系统的方案与发展3.城轨车辆主牵引系统的发展4.总结与展望1.变频变流技术的发展概述在轨道车辆电力牵引领域中应用主要有如下几个方面：●直－直变换DC/DC，车辆的控制电源和蓄电池充电器等；●直－交变换DC/AC，车辆的静止辅助逆变器，为恒压恒频（CVCF）控制等；●直－交变换DC/AC，车辆的主牵引逆变器，变压变频（VVVF）控制。1.1变频变流技术发展的几个主要阶段变频变流技术随电力电子器件的发展而发展：●60～70年代：不可控二极管（D；PN）——半控型晶闸管（SCR，KK，RCT，RBT；PNPN）整流技术～直流传动技术●80年代：半控型器件——全控型电力电子器件（GTR,GTO，IGBT；PNPN）直流传动技术～交流传动技术●90年代：电流驱动式全控型器件（GTO，GTR）——电压驱动式全控型器件（IGBT，IPM，IEGT）交流传动技术的飞跃发展●2000年后：GTO——硬驱动式GTO——IGCT发展IGBT——IEGT装置性能更优化1.2IGBT的发展及其优越性其中IGBT器件由于其性能优越在轨道交通电力牵引领域得到迅速发展，电压等级不断提高，发展到4.5～6.5kV,高压IGBT（HVIGBT）替代GTO成为科技发展的必然趋势。图1IGBT在牵引领域的发展1.2IGBT的发展及其优越性IGBT优点为:1）开关损耗小，允许使用较高的开关频率，装置性能更好；2）吸收电路小型化，甚至目前无需吸收电路，从而简化了逆变器主电路；3）绝缘式模块结构便于设计与组装，简化了整个装置的结构；4）开关转换均匀，提高了稳定性和可靠性；5）并联简单，便于标定变流器功率等级；6）作为电压驱动型器件，只需简单的控制电路来实现良好的保护功能；1.3制造器件的新型材料的发展●高压砷化镓高频二极管，比硅快恢复二极管性能更好●碳化硅（SiC）和碳化硅功率器件这种材料制成的器件其性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，它是属在高温、高频率、高功率的应用场合下极为理想的半导体材料，漂移区电阻比硅低200倍，因而即使高耐压的SiC场效应器件其管压降也是很低。●Motorola、GE、西屋已开发有小功率器件，ABB正在研制高功率、高电压的SiC器件2.城轨车辆辅助系统的方案与发展变频变流技术在电力牵引领域中应用主要是直－直变换与直－交变换，这里叙述城轨车辆中的应用发展。2.1车辆辅助系统的发展●早期的旋转式电动发电机组：笨重、体积小、维护量大；●电力电子技术发展进步为静止式变流机组：轻、容量大、少维护；●供电网压：DC600VDC750VDC1500V。2.2静止辅助供电系统的主要功能●变流：直流网压逆变为交流50Hz380V/220V；供辅助电气设备用电●变压器隔离：电气上电压隔离、满足电压值的要求；●110VDC控制电源：给各控制电路蓄电池的充电器供电2.3轨道车辆辅助系统的主要方案●斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离；●三点式逆变器加变压器降压隔离；●电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；●二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；●直—直变换与高频变压器隔离加逆变的方案等。2.4城轨车辆辅助系统方案介绍●上海地铁1号线(即DC01型)GTO静止辅助系统图2上海DC01型静止辅助系统方案图图3广州地铁1号线车辆上的辅助系统原理图●广州地铁1号线车辆上的辅助系统方案图4上海AC01/AC02型辅助系统原理框图●上海地铁2号线(AC01/AC02型)辅助系统方案●上海明珠线(一期)车辆辅助系统方案图5上海明珠线(一期)车辆辅助系统原理框图●上海明珠线(二期)车辆辅助系统方案图6上海明珠线(二期)车辆辅助系统原理框图●AC04型(地铁1号线增列)车辆辅助系统方案（放在牵引箱中）图7AC04型(地铁1号线增列)车辆辅助系统原理框图举几个电路实例：（1）上海地铁2号线静止辅助电源主电路原理图（2）广州地铁1号线静止辅助电源主电路原理图：（3）明珠二期车辆辅助系统原理框图2.5辅助系统评述由于IGBT性能优越，很快地取代了GTO等其它器件，目前在辅助系统中均采用IGBT来构成。由上述看出辅助系统的特点有：¾一列车由二个单元构成其辅助系统供电方式：分散供电（每辆车配一台）：冗余度大，均衡轴重好配置，造价大些，总重量高些；集中供电（每单元配一台）：冗余度小，每轴配重会难些，总重轻些，成本低些；并网供电（辅助逆变器并联供电）：有优点，技术上有难度;¾三电平较二电平方案：输出的电压或电流波形好，开关频率低，损耗小；¾变压器隔离：有50Hz变压器（重）和高频变压器（小轻）两种隔离方案；¾采用组式变压器：有通过两套副边绕组的“之”字形连接（上述广州的）和通过磁路上耦合的（上海的）两种，二者均是西门子方案都有消减谐波作用；¾110VDC电源：采用1500VDC供电的直—直变换及高频变压器隔离，这是优选的方案。3.主牵引传动系统随着IGBT性能的迅速发展，及其电压等级和电流容量不断提高，因而高压HVIGBT已成为轨道电力牵引系统中应用的主导元件。其主要优点为：●性能优越；●绝缘型模块；●结构设计紧凑轻巧；●低感母线技术与软门极的驱动技术；●解决了热循环的寿命问题。图9三点式逆变器3.1车辆用IGBT逆变器的开发当电压等级不够高时，在德国和日本曾用1200V和1700V等级IGBT构成三点式逆变器（用于750V和1500V电网）随着电压等级的提高到3300V以上，就可应用二点式逆变器：图103300VHVIGBT构成的两点式逆变器z逆变器开发思路：¾通过IGBT的系列化使产品更全面¾产品结构简单便于实现小型轻量化¾采用高速数字信号处理器实现高性能¾应用VC或DTC控制策略实现高性能化3.2无缓冲式逆变器z通过使用低感母线和软门极控制技术可以实现无缓冲式逆变器。从下面图表看出，其主电路器件数量减少，重量和损耗也降低了。ΔΔ图11无缓冲式逆变器3.3逆变器频率控制模式3.3.1传统的频率控制模式501001500.511.5fs/Hzfsw/kHz1597531asynchr.modulationsynchr.modulationfbase=21=nsw,minfswfsfsw,asfsw,sy传统(普通)的控制模式一般分为异步控制和同步控制方式,如下图：（1）Bombardier公司在750V网压之下的VVVF控制方式（2）Siemens公司在二号线1500V网压下VVVF控制方式3.3.2低噪音化的PWM控制通过对高次谐波分布范围的控制来降低电磁噪音，其方法主要有：●高频全域异步控制方式●低频异步、同步并用控制方式●频谱扩散控制方式●低频全域异步控制方式●异步扩大控制方式（GTO方式）3.3.2低噪音化的PWM控制3.4无速度传感器矢量控制通过控制转矩电流同时实现速度测算和转矩快速响应来实现无速度传感器的矢量控制，其特点为：z无速度传感器——不需维护；z提高了系统可靠性；z提高了电机设计的灵活性（增强输出，强化冷却功能）。3.5全电制动停车控制在使用目前的制动系统硬件的基础上，通过控制实现全电制动到停车的控制，提高制动性能和对列车乘客的舒适度。其特点：z提高停车精度；z降低停车冲击；z降低制动块的摩擦损耗；z降低制动噪音。全电制动停车控制示意图：4.总结和展望●从改善输出波形、降低开关频率与损耗、减少噪声与提高可靠性，采用三点式逆变器或组式变压器构成静止辅助系统方案是合适的。●直流110VDC控制电源兼蓄电池充电器采用独立式的直—直变换器与高频变压器隔离的方案是今后发展的方向。●从冗余度与确保安全性出发，在国内自己开发并制造的地铁车辆上的辅助系统先采用分散供电方式是适宜的。●从供电方式看，并网（并联）供电是属先进的技术，在目前进口的车辆中日立的两个集中供电的辅助逆变器并联供电，而西门子8节编组车辆上为6个分散供电的辅助逆变器并联供电。●从目前电力电子发展趁势来看，主牵引逆变器也应采用IGBT模块来构成，无论其主电路结构还是控制理论与控制技术，还需要进一步研究、完善及优化。z对于那些采用GTO构成的地铁轻轨车辆应开展用IGBT替代的国产化研究。z采用热管冷却可以实现双重式辅助电源系统的变流装置，可有效地利用散热器，使其结构简单，同时使集中式供电方式冗余度提高，其结构如图示：谢谢大家！