8变流技术与电力牵引3／2003 j镘计。硗蠹，
石川荣(日)
【摘要】现在，日本新干线车辆大多数以交流电动机驱动并使用交流再生制动。交流电动机驱动本身是车辆技术_T-作者长年的梦想，与交流再生制动一起，从新干线开业以前起就开始了研究。但在现实中，装置的大小．使用装置的选择等，均根据技术的发展，积累了许多研究成果。大约在90年代，完成了以使用G TO元件的电压型异步电动机驱动、能进行交流再生制动的传动方式。现在，使用的装置已经从G T O转移到I G B T，我们期待着下一代新装置的出现。
本文就这些技术从实用转为成熟的发展过程，以及一些有关问题的解决方法作一论述。
关键词：交流电动机驱动；再生制动；轻量化；新干线；日本
中图分类号：T M34文献标识码：A文章编号：1671．8410(2003)02．0008—04
1前言
现在，新干线的新车辆，以异步电动机驱动、并使用交流再生制动已经成为常识，但是，异步电动机驱动作为交流再生制动的基础技术并使之能满足车辆的要求，并非一朝一夕完成的，从1980年试验台正式研究开始，日本从国铁时代到JR才得以完成。
以下，就从交流再生制动开始，对现在新干线车辆使用的电压型交流电动机驱动系统的开发过程作一论述。
2大坡道与轻量化
新干线车辆上的交流电动机驱动在开始研究时，是考虑北陆新干线(现在的长野新干线)车辆。当初，北陆新干线的最大坡度为15％。，它的2倍则为30‰，而且是20km以上的连续坡道，这是否会有问题呢?当时想到，法国T G V的南东线有35‰的大坡度，法国能做到的，在日本就有可能做到。
在线路有大坡道的情况下，就有爬坡与下坡问题，而下坡更成为问题。这种场合，如果车辆有任何不合适而在下坡途中不能停住的话，在30‰的坡度上，其速度可达500km／h以上，这是非常危险的。因此，即使在大坡道上下坡，也必须以随时能停车的速度下坡。但是，若考虑安全停车而把下坡速度降低，这又会延长走行时间。就现在的新干线车辆而言，下坡速度是由盘型制动的容量所决定的。特别是大坡度，不仅是运动能量，车辆的位能也要由制动盘所吸收，才能够安全停车。2．1轻量化的必要性
要使列车在大坡道安全停车，必须考虑制动开始地点及停车地点标高差的位能，当然，这个位能与车辆的重量成比例。因此，轻量化不仅仅是减少动能，对位能的减少也是有效果的。当100系与300系同在30‰的下坡道从200km／h开始制动时≯对二者所吸收的能量作了比较，结果发现，如果把100系吸收的能量作为100的话，则300系为73，可见轻量化的效果是很明显的(图1k同时，还可以看到，位能大约接近占一半，所以，30‰坡道的位能所需制动容量大体等于平坦线路的制动容量(图2)。≤◆
图1制动能量比较
(30‰下坡，速度200—0km／h)
2．2交流再生制动与轻量化
如前所述，在大坡道上，轻量化有很明显的效果。如果新干线车辆高速化，那么，它的运动能量(制动能量)必然较大。在100系以前的车辆，这个能量在电阻器
变流技术与电力牵引3／2003新干线车辆的交流电动机驱动系统9 2500
2000
主1500童§，000
500、≮≮自自能量
＼二＼／N
／＼＼
煳＼、
}j j＼
图2300系制动能量
30％c下坡，速度200—0km／h)
中转换为热能，以使车辆停止。此后，就有
了不把这能量变成热，而通过电网把它回
收以用于其他列车的再生制动的构想。
直流电车上，在早已确立的斩波控制
技术中，直流再生制动已经实用化。在原
来的福岛一米站之间，机车也用交流再生
塑料空心球制动来抑制运行速度。
基于这个状况，就开发了作为新干线车辆轻量化方法的交流再生制动。
3他励方式的交流再生制动
光耦电路作为解决大坡道运行的对策，交流再生制动是有力的手段。假如能作减速制动使用，那么，用作停车制动应该是可能的。
在以往的线路上，交流电车的交流再生制动已经实用化了。为此，在新干线车辆上，也采用既有线路车辆的他励交流再生制动，并研究增加其容量的方式。然而，新干线车辆使用他励方式的交流再生制动时，要考虑以下情况：
(1)因为是高速，新干线车辆的停车制动容量是很大的。
(2)因为新干线的馈电区间很长，电抗较大。
(3)新干线列车在同一馈电区间同时有多列编组的情况较多。
基于以上理由，换流电抗较大，所以，速度在200km／h以上用交流再生制动时不能得到满意的制动力。
从而，为了确保他励方式用在高速区域的制动力，必须装备电阻器等，其结果又不能达到轻量化的目的。为此，开始研究能确保在高速区域也有充分制动力的自励式交流再生制动。
4车辆的轻量化
自励式的交流再生制动是由直流变成交流，这与
驱动交流电动机的逆变器基本原理相同。当时，电车的牵引电动机使用交流电动机，是在熊本市等线路上，后来相继在近铁线路上也采用。
车辆的电气设备中，占重量最大的是牵引电动机(图3)。因此，如果能把牵引电动机从直流电动机换成交流电动机的话，就能够实现轻量化。因而，交流再生制动的技术开发，与交流电动机驱动的技术开发是同一方向，两者同时进行。也就是说，制动时用交流再生制动，牵引时用交流电动机驱动，以此作为前提来研究主回路关系。
图30系新干线车辆主要设备的重量
电解水杯5新干线车辆系统的选择(电压型、电流型)
采用交流电动机驱动时，按逆变器方式可分为2种型式。当时日本的逆变器车辆，全部是电压型的逆变器，这些逆变器车辆全部是直流电车，如果是电压型变换装置，用1台就可以，但对电流型来说，基本上必须有2台变换装置。现在，日本生产有大容量的G TO半导体元件，预计以1台变换装置就能对电压和频率进行控制。
然而，对交流电动车组来说，变换装置不管用电流型或电压型都必须要有2台。在欧洲，用电流型的比用电压型的交流电动机驱动车辆多一些。如用电流型的系统，逆变器使用中速半导体元件，价格也能降低。为此，我们制作了电压型和电流型的交流电动机驱动小模型，对两者的优点与缺点进行了比较。其结果是：
(1)对于高次谐波电流，电压型和电流型比较，电流型为电压型的2倍；
(2)对于功率因素，电压型能控制到±10，电流型到±O．95；
(3)对于控制性，电流型在变频器和逆变器之间有时会发生振荡现象。
以上说明电压型系统的稳定状况。因过去日本国内使用电压型交流电动机驱动的实绩是直流电车，由此可推测逆变器之后的电路是稳定的。
另外，在对主回路装置重量研究中，与电流型相比，电压型不会制约牵引电动机的设计，所以，轻量化是可能的。
从以上情况来看，在新干线车辆上，使用电压型比
电流型对轻量化更有效果。
10新干线车辆的交流电动机驱动系统变流技术与电力牵引312003
64个课题
此后，在日本国铁时代，制作了主变压器、主变流装置(变频器和逆变器)和4台牵引电动机，在试验台上进行了试验，在浜松工厂内进行了运行试验。通过这些试验．提出四个课题继续研究。以下介绍其现象和对策。
6．1高次谐波电流
交流电动车组采用新变换装置的情况下，因与地面设备的关系，高次谐波电流大小成为一个课题。以前，先规定一个等值干扰电流(JP)目标值，在这个目标值以下进行设计。J P的评价系数，是把1000H z作为峰值而求得的。然而，这次新于线车辆用的控制方法，可使1000H z附近的高次谐波电流变小，在高频带域也许有高次谐波电流的峰值，但要通过规定的JP，不是很困难的。
另外，起因于PW M逆变器转换频率的高次谐波电流，与地面设备的共振频率相近并使之增幅，这又提出了影响地面设备寿命的问题。其中，起因于逆变器转换频率的28～25次的边频带，是使之增幅的原凶。作为其对策，在编组中装载20台主变流装置的变频桥上，全部把调制频率错开，使高次谐波电流的峰值在140次周围的边频带发生，这样就避免了与地面设备的共振。6．2脉动现象
交流电动车组以交流电动机驱动时，是把电源的交流变换为直流，再把变换了的直流作为电源来驱动交流电动机。因此，逆变器的电源是直流，它是电源频率2倍脉动的叠加。在东海道新干线，因为电源频率是60H z，逆变器电源则为120H z的脉动叠加。逆变器的频率在120H z附近时，假定交流电压的正端在电源电压的峰值附近转换，则负端常常在谷底电压低的部分转换，为此，在三相交流的各相之间就发生了正负电压不平衡，以至于磁路饱和，使牵引电动机发生过流。逆变器频率为60H z时，相间电压也出现同样的现象，使牵引电动机磁路饱和以至过电流(图4)o这个现象在小模型试验中虽然没有发生，但在运行试验时候发生了。因为一般工业电源为三相交流。因此当把三相交流电整流作为逆变器的电源时是360H z脉动叠加，但由于逆变器频率不用到360H z或者180H z附近，所以，这在试
验台不成问题。
作为其对策，考虑输人电压的大小，控制逆变器产生的电压，使之正负或各相相等。
6．3主变压器的偏磁
在国铁时代的后期，作为最终试验而制作了实际大小的主变压器、主变换装置各1台，牵引电动机4台，在浜松工厂内进行了运行试验。虽然速度在30km／h以下，但它是交流电动机驱动，使用自励式交流再生制动，是以实物进行系统确认的最初试验，其结果确信没
／、＼～／—、
同同
1￡l
=一L2气吹
高
赢
图4脉动现象发生的原理
出什么问题。可是，当装上营业列车运行时，却出现了试验车辆不能运行的现象。此时试验车辆正常，只是装在车辆上的主变压器产生了偏磁。因用于主变流装置升压的电抗，虽然是利用主变压器的电抗，但由于偏磁使电抗变化，结果控制功能不能追随。偏磁现象产生的原因，可能是受电弓离线时所产生的电弧。逆变器一侧的对策为：
(1)使控制的演算速度尽可能快；
(2)把已定的每隔半个周期的定时转换，改在每隔1周期转换。
在主变压器一侧为：
(1)为了确保主变压器的二次线圈有一定程度的电抗，插入了气隙铁心。
(2)在主变压器油槽的一部分，通过SU S掌握磁通量的状况，利用逆变器、变频器间的直流电源进行抵消偏磁控制。
经改进试制的编组完成后，从试验进行的结果看，对于主变压器，通过检测磁通量可知，进行抵消偏磁控制时，变频器控制能稳定动作。
鱼笼
此外，在其他方面，由于受电弓用特殊高压电缆连接，预计在受电弓离线时能防止电弧发生。
6．4停电检测
这次使用的交流再生制动是自励式的，因此，即使在变电所等处的断路器关断的情况下，同一馈电区如果有负荷，交流再生制动还继续作用。当地面设备把断路器关断时，可预知地面有某种异常，在这样的情况下，车辆应该避免供电的终止。另外在切换断路器的故障情况下，也能迅速检测地面设备的断路器关断，并应该停止交流再生制动(以下称为停电检测)。
在拥有同样自励式交流再生制动的德国，当同一馈电区有交流再生制动车辆和负荷车辆同时存在时，也会发生能量的不平衡．此时就考虑不继续进行交流再生制动。
当初，在日本进行具体试验时，不打算继续交流再生制动的。但作为现实问题，如果负荷车辆是100系车辆，那么，十分之一以上还是可以继续采用交流再生制
变流技术与电力牵引3／2003新干线车辆的交流电动机驱动系统
接地电刷接地电捌接地电尉
图5700系主电路
动的。
另外，即使是前述那样的特殊情况，停电检测也是可能的，当着眼于频率作交流再生制动时，则从一个周期前的频率数减去O，08H z，以此频率施加交l瀛再生制动。在电源确立(不停电)的场合，虽然减去0．08H z，但接触网的频率不会减少0．08H z，依然是60H z。
在地面没有电源的场合，如果从交流再生车辆减少0．08H z而施加交流再生制动，则在下一个周期，控制电源就不仅减少0．08H z，而是由于2个周期共减少丁0．16H z。这样一来，在频率为59H z时，交流再生制动停止。
7今后的新干线车辆
从80年代开始研究的交流再生制动和交流电动机驱动，近来，由于功率电子和微电子技术的发展，正在成为成熟的技术，新干线700系就是采用三相交流异步电动机和交流再生制动的新一代电动车组(图5)o当初使用装置以G T O半导体器件为中心，现在则吼I G B T等占主导地位。
牵引电动机，一般是异步电动机为主流，也有考虑使用同步电动机的。但是，同步电动机尤其是使用永久磁铁的同步电动机，要考虑层问短路的问题并寻求解决办法。特别是新干线车辆，在使用车轴进行高频淬火时，要更加注意。现在，考虑变流装置和牵引电动机等组合时，与80年代相比，可以作多种选择，重要的是我们要很好地把握与区分各种组合的优点与缺点。
8结语
铁道车辆的牵引电动机使用交流电动机，是车辆技术工作者长年的梦想。还在东海道新干线的研究阶段，就对包含交流换向器电机的交流再生制动进行了研究。今天，使用交流电动机驱动与交流再生制动已成为可能+预计这种方式暂时不会有大的变化。以后一年，东海道新干线的全部车辆将使用交流电动机，直流电动机车辆将消失。
从开发当初看，现行系统可以说是相当完善的。但我们绝不满足现状，要进行不断的技术开发，以追求更高水平的车辆。
译自《铁道车辆E技术》2002，№5
译者：彭文生
校者：江慧
>化纤抽丝
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议