交流變頻調速在軌道交通牽引系統中的應用與發展趨勢

電氣化鐵路和城市軌道交通從直流到交流傳動的迅猛發展，是和新興的電力電子器件的發展密不可分的。因為任何一種新器件的出現，都會為電力變換技術和控制技術的發展創造突破口，從而大幅度提高變頻器的性能和擴大其應用范圍。
　　電氣化交通已經有上百年的發展歷史，在工業發達國家廣泛地應用于鐵路和城市軌道交通系統。我國目前鐵路和城市軌道交通的發展與國民經濟的需求及世界先進水平相比，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展歷程
　　1879年5月31日，在德國柏林舉辦的世界貿易博覽會上，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，在上面運行的電力機車只有954kg，最高運行時速達13 km，看起來好像現在的電動玩具。但在其拖車上，確實能夠搭載數名乘客，在4個月的展覽期間共運送8萬多位乘客。這被認為是世界電氣化鐵路的先驅。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創造了條件。這種電車形式的電氣化鐵路的出現，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，主要應用在市內交通、近郊線路和工礦線路上。隨著工業的發展，電氣化鐵路也開始發展到城市間的干線鐵路上來。但是由于科學技術發展水平的制約，交流傳動系統在電氣化鐵路的機車牽引中并沒有占主導地位，但是人們對交流傳動的追求和探索一直沒有停止。
　　20世紀50年代后，西方工業化國家為了滿足日益增長的運輸需求，開始大規模地進行鐵路現代化建設。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里程中所占比例越來越大，修建的國家也越來越多。據不完全統計，到2002年底，全世界鐵路的總營業里程為1 185 518．5km，其中沒有修建電氣化鐵道的國家和地區為64個，鐵路總營業里程為105 054 km；已修建電氣化鐵道的國家和地區為65個，鐵路總營業里程為1 080 464．5 km，電氣化鐵道總營業里程為261 688 km。已經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98％。
　　20世紀70年代以來，電力電子學和微電子技術的出現和進步，又重新喚起人們對交流傳動系統的熱情。自1971年世界首臺采用異步交流傳動系統的內燃機車DE2500問世以來，交流傳動系統以其突出的優越性受到了各國鐵路運輸部門的關注，獲得了長足的發展，并已基本取代了直流傳動系統。與直流傳動機車相比，交流傳動具有無可比擬的優越性，這已經在各國鐵路運輸系統中得到了廣泛的驗證。交流傳動所用的三相交流異步電動機比直流電動機的功率／體積比和功率／重量比更大，無需經常維護，故障率低。異步電動機的恒功率區比直流電動機大許多，轉速更高，起動牽引力大，持續功率大，有利于實現重載和高速牽引。交流傳動可以很容易地實現電氣制動，大大減少制動閘瓦的消耗，并可以利用制動時反饋的能量，起到節能節油的作用，經濟效益顯著。另外，交流傳動機車的一個突出的優點在于其優良的粘著特性，由于異步交流電動機變頻調速系統具有很硬的機械特性，車輪更不容易打滑或者空轉。其次，交流傳動電力機車牽引和再生工況的功率因數均接近于1，不僅降低了電網損耗而且在再生制動時可將高質量電能反饋給電網，消除了電網對信號和通信系統的干擾。再者，機車采用交流牽引電動機后，簧下重量大大減輕，改善了輪軌動力學性能，降低了機車輪緣磨耗。隨著磁場定向矢量控制和直接轉矩控制等高性能異步電動機控制策略的應用，交流傳動機車的調速性能已經能夠達到甚至超過直流傳動機車。表1是國外比較有代表性的使用交流傳動的電力機車和電動車組。

　　大容量交流電動機控制系統的發展和電力電子器件的發展是休戚相關的。 80年代以來，以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關斷器件有了長足的發展，尤其是出現了高壓IGBT、IGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)為代表的雙極型復合器件，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅動、低損耗和智能模塊化的方向推進。伴隨著器件的發展，高壓大容量交流電動機控制系統也日益高性能化。90年代在歐、美、日等發達國家與地區，大功率半導體元件的應用已由晶閘管進入到GTO，甚至到高壓IGBT；機車電力傳動已由直流傳動全面發展到交流傳動，直流傳動機車已停止生產，完成了向交流傳動的轉換。
　　此外，計算機技術的發展使十分復雜的交流傳動控制變得越來越容易實現，從而進一步促進了交流傳動技術的成熟與發展。新型可關斷功率器件不斷涌現，其電壓和電流及開關頻率不斷提高，已完全能滿足機車車輛變流領域的需要。變流裝置結合完善的冷卻技術、保護技術使其具有可靠、無維修的優點。
　　在鐵路電氣化、牽引交流化的發展浪潮中，人們對鐵路運輸又提出了更高的要求，例如快速、舒適，節能及減少污染等。隨著科學技術的發展以及人們生產生活的需要，高速電氣化鐵路已經成為現在世界鐵路的發展方向。1964年10月1日，日本東京至大阪的東海道新干線開通運營，拉開了世界高速鐵路發展的序幕。1981年以后，法國、德國、意大利、西班牙等國相繼進行高速鐵路建設。法國的TGV，德國的ICE系列高速列車就是其中的代表。國際鐵路聯盟(UIC)曾經有過一個定義，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進行控制，采用GTO以及更新的IGBT變流元件，運營速度可以達到300km/h，最新的法國的AGV列車和韓國的HSR350x列車時速可以達到350km。高速鐵路將傳統的發展了100多年的鐵路的固有優勢更加提升，在綜合交通運輸體系中與其他現代交通運輸方式相比具有如下優勢：1)最安全的大運能交通 高速鐵路現代化的、完善的安全保障技術，可以防止人為的過失、設備故障及自然災害等突發事件引起的事故。2)高效節能的綠色交通 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)經濟和社會效益好 高速鐵路處于產業鏈和交通鏈的頂端，發展高速鐵路能夠起到拉動相關產業和相關交通的龍頭作用。高速鐵路沿線地區還有利于吸引人口，增加就業機會，有助于工商企業發展和增加城市財政收入，是一條生氣勃勃的經濟帶。
　　現在，越來越多的國家已經擁有了或者正在或者準備建設高速鐵路。截至2003 年底，世界上時速超過250km的高速鐵路運營里程已達到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將達到23個，總里程會達到30 000km，歐洲地區將形成高速鐵路網聯通。表2所列的是到2002年底國外正在運營的高速鐵路概括。
?　　鐵路電氣化的發展也帶動了城市軌道交通的發展，地鐵、輕軌等城市軌道交通也已經采用交流傳動系統。隨著城市經濟、文化活動的日益發展，人口以及道路車輛的增加， 城市交通量與運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，也成為制約城市經濟發展的重要障礙。另外，由汽車帶來的廢氣、噪聲、振動等環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代城市軌道交通發展格局。其中發展最快最多的就是地鐵。地鐵跟城市中其他交通工具相比，除了有運量大、速度快、無污染的優點外，還十分安全。1989年10月17日，美國舊金山海灣地區發生7.1級大地震，正在運行的地鐵安然無恙。據日本地下鐵道協會統計，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。現在，地鐵、輕軌以及其他軌道交通在城市交通系統中正發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，地鐵擔負了該市客運量的44％。東京地鐵的營業里程和年客運量與莫斯科地鐵十分接近。巴黎地鐵的日客運量已超過1000萬人次。紐約的公共交通以地鐵為主，它的營業線路總長居世界首位，日客運量已達到2000萬人次，占該市各種交通工具運量的60％。香港地鐵運行后大大緩解地面交通，現在在公共交通市場的占有率達到47％。
　　

我國軌道交通電氣化的發展和現狀
　　我國的電氣化鐵路建設，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。
　　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處于一個緩慢發展的時期。改革開放以后，特別是20世紀80年代以后，我國電氣化鐵路建設有了飛速發展。“六五”期間修建了電氣化鐵路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的廣深準高速電氣化鐵路，建設速度一年比一年快，建設規模也一年比一年大。進入21世紀，我國電氣化鐵路建設進一步加快，截止到2002年底，我國已建成了41條電氣化鐵路干(支)線，電氣化鐵路建設里程達到了18 615.73 km(營業里程為18 115.1 km)，已經超過日本、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中的一員。預計到2010年，我國電氣化鐵路里程將達到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現電氣化，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條電氣化客運專線；我國6個大區——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；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計將達到34.6%(約占國家鐵路營業里程的40％以上)，電氣化鐵路復線率將增加到68.9％，電氣化鐵路承擔的客貨運量將占鐵路總運量的65％以上。
　　基本上與鐵路的電氣化進程同步，我國的電力機車也經歷了“從無到有”，“從少到多”，“從低到高”的發展過程。1958年我國第一臺干線電力機車誕生，實現了我國電力機車“零”的突破，電力機車產品“從無到有”； 1985年我國第一臺相控電力機車——8軸SS4機車誕生，其后1990年SS5相控4軸客運電力機車、1991年SS6相控6軸客貨兩用電力機車、1992年SS7相控6軸機車、1994年SS8相控4軸準高速客運電力機車等的研制成功，形成我國第三代電力機車的多機型系列化， 電力機車品種“從少到多”；1996年我國第一臺微機控制，架承式全懸掛輪對空心軸六連桿彈性傳動的準高速客運電力機車(1998年6月試驗最高速度達到240 km/h) 與交流傳動電力機車的研制成功，標志著我國電力機車的研制進入了高科技領域，實現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，我國電力機車在新技術領域實現了“從低到高”。另外，在內燃機車方面，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燃機車在青島四方機車車輛廠誕生。這臺被命名為“捷力號”機車的誕生，是我國內燃機車發展史上又一個新的里程碑，標志著我國交流傳動內燃機車實現了“零”的突破。
　　此外，我國也在加緊準備高速列車的建設工作，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，將來要求達到350 km/h。京滬高速鐵路的建設，必將推動中國高速鐵路的建設，拉動相關產業的發展，而且也會帶動周邊地區經濟的發展。
　　隨著國民經濟的發展，我國的城市軌道交通建設也在不斷發展。進入21世紀，我國的城市軌道交通建設步入了快速發展的軌道，尤其是北京、上海分別以2008年奧運會和2010年世博會召開為契機，廣州、深圳、南京、蘇州、杭州等城市以珠江三角洲、長江三角洲地區的經濟騰飛為時機，其地鐵、輕軌等城市軌道交通的建設更趨活躍。截至2003年底，全國除港澳臺地區外，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。全國除港澳臺地區外籌備建設(已經立項和申請立項)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城軌交通。