牽引系統

Traction System

Updated 25,May 2002

牽引系統為控制列車行駛動力之設備 , 簡單來說 , 即是用作控制車

速之設備。隨著近年半導體技術之發展 , 牽引系統亦在短短十數年

間作出了翻天覆地的變化。

機械式牽引系統----Tap Changer

大家都知道 , 變壓器的工作原理是依靠初級線圈 (primary coil) 透過

鐵芯造成電磁感應從而使次級線圈 (secondary coil) 產生與這兩組線

圈的匝數比例成正比的電壓。當次級線圈的匝數越多 , 所產生的電

壓便會越高。使用交流電的列車便是利用這個原理 , 透過一個能夠

隨司機速度控制桿移動的導電桿 , 在特定圈數處設有接點的次級線

圈上活動 , 從而改變次級線圈的輸出電壓 , 電流再經過整流器 (rectilifer)

變成直流電之後便可以給馬達使用了。東鐵列車 (在84年或以前抵

港的) 在未翻新之前一直是採用這種系統的 , 而我們在列車加 / 減

速時所聽到從車底傳出「咯--咯」的聲音正是因為 Tap Changer 改

變接點位置而發出的。

Tap Changer 工作原理示意圖

機械式牽引系統----Camshaft

Camshaft 的工作原理和 Tap Changer 頗為相似 , 也是透過改變接點

位置而改變輸往馬達的電壓 , 但 Camshaft 則是專為使用直流電的

列車而設。我們都知道 , 因為直流電不能產生電磁感應 , 所以變壓

器不能把直流電降壓 , 所以 , 牽引系統內便有很多組與馬達串聯的

電阻器 , 當司機推動速度控制桿時 , 那枝導電桿便會在各電阻器間

之接點上移動 , 從而改變輸往馬達的電壓。

電子牽引系統----基本知識

相信各位都知道整流器的基本原理吧 , 它的構造其實是一個「NP」

型的半導體 (semi-conductor) , 它只允許電流作一個方向的流動 , 後

來 , 人類利用這技術製成三極管 , 成為「NPN」或「PNP」型的半

導體 , 到了八十年代中期 , 更出現了「PNPN」型的半導體 , 而這就

是現在要介紹的閘流體 (Thyristor) 了。

閘流體其實是一個有開關功能的二極管 , 它共有三條接腳 , 其中一

條為電路開啟控制 , 即基極 (Gate) ; 而另外兩條就好像二極管的兩

條接腳一樣 , 分為陰極和陽極 , 用作傳送電源之用。當有訊號電流

輸往基極後 , 它便會好像開關掣一樣 , 使陰極和陽極 (兩邊接腳) 作

單向導通 , 但遺憾的是當要關上這個「開關掣」時 , 便需有反方向

的電流送往兩極 , 那麼閘流器才可以關上。利用這個原理 , 將閘流

體不斷地開關 , 我們便可以控制通過閘流體的平均電壓了 (詳情可

參閱下圖)。

利用閘流體製造平均電壓

透過閘流體的不斷開關來製造平均電壓 , 我們便能操控馬達的轉動

速度了 , 而利用這個原理操作的牽引系統 , 一般統稱為「斬波器」*

(Chopper) , 翻新後以及88-89年間抵港的東鐵列車、地鐵市區線列車

、第一及二代輕鐵 , 均採用這設計。利用閘流體去控制電壓的好處

是能夠充分地使用電能 , 不像舊有的機械式系統般使部分電能被電

阻器白白消耗掉 , 隨著技術的進步 , 使閘流體更能隨不同路段的需

要而調校電壓 , 使電能不會被浪費 , 符合經濟和環保的原則 (詳見下

文)。另外 , 閘流體亦可以用來控制電流的方向 , 因而可以把剎車時

馬達所產生的電流送到牽引電阻器或回到架空電纜 , 既有助列車減

速又有助環保 (詳見「制動系統」一章)。

* 不論架空電纜是交流或直流輸電 , 也可以採用斬波器。而採用交

流電的斬波器亦稱為「Phrase angle control」。

交流斬波器(Phrase angle control)工作原理示意圖

從上圖可見 , 馬達以及其所屬線圈均有專用的閘流體來控制輸往串

激式馬達的電流 , 這樣既可達成整流之目的 , 又可以準確地控制每

個馬達的磁場。

倘若是使用直流架空電纜的列車 , 因為直流電是單向流動 , 所以並

不能像上圖那樣利用交流電雙向流動的特性來關上閘流體 (即使用

反向電流) , 於是便需要在電路上加上電感器 (Inductor) 和電容

(Capacitor) 所組成的電路去產生一個反方向的電流去關上閘流體。

直流斬波器工作原理示意圖

從上圖可見 , 除了該電路外 , 還設有電流過濾器以防止由閘流體所

產生的干涉現像影響到其他電氣設備的運作 (即阻礙干涉電波流進

供電系統內)。而圖中之二極管 (Freewheel Diode) 則用來把線圈所

產生的反電勢 (Back emf) 流走 , 避免它過分積聚於電路內而導致零

件損壞。

電流過濾器 (電感器)

GTO Thyristor : 上述所介紹的閘流體需要有反向電流的出現才能

將其關上 , 在使用上會造成很多不便 , 尤其在直流系統 , 需要另加

一組電路去製造及向電流 , 為了解決這個問題 , 於是便促成 GTO

(Gate Turn Off) Thyristor 的出現。GTO Thyristor 的功用和普通的閘

流體差不多 , 但它懂得跟隨基極訊號的指示自動把關上 , 免除額外

附階振電路的麻煩。

地鐵列車的斬波器 (GTO Thyristor)

電子牽引系統----牽引逆變器

交流感應馬達因為全靠定子所產生的電磁感應使轉子轉動 , 因此並

不需要炭刷去把電力送往轉子上 , 所以交流感應馬達不但能夠在高

溫、易燃等惡劣環境下操作 (因為炭刷會產生火花) , 而且保養成本

低廉 (不用定期清除炭刷磨擦時所造成的污物) , 但是控制馬達轉速

的交流電頻率因為難以改變 * , 以致交流馬達雖然面世多年 , 而一

直也未被廣泛應用 , 但近年半導體技術迅速發展 , 到發明了 GTO

Thyristor 後 , 由於它能夠自動關上導通電路 , 所以便由此演變成脈

寬調變 (Pulse Width Modulation , 簡稱 PWM) , 即是依交流電的正弦

(sine) 波形而調校電壓 (Phase voltage) 的出現時間 , 而這些不斷的電

壓「出沒」的平均值便等同於交流電的波形了 , 當所需之交流電壓

越高 , 電壓出現的時間越長 , 從而增加其平均電壓值。所以 , 這種

技術便被稱為變壓變頻 (Variable Voltage Variable Frequency , 簡稱

VVVF) 控制。

* 只有透過控制頻率才能控制交流馬達的轉速 , 調節電壓只能控制

其扭力。而除了利用現代的半導體技術外 , 很難把交流電的頻率以

機械方式改變。

相關資料 電動馬達的基本原理

利用脈寬調變製造交流電示意圖

牽引逆變器 (Traction Inverter) 便是利用這個原理 , 把直流電變成三

相交流電去驅動列車上的馬達。採用這個牽引方式 , 不但能夠大

幅降低馬達的保養開支 (因為不需要使用直流馬達) , 而且還能夠控

制馬達的扭力輸出 : 當列車起動時 , 利用較高的電壓 , 令馬達內的

磁通量 (Magnetic flux) 增加 , 使線圈所產生的反電勢 (Back emf) 升

高 , 從而令馬達所輸出的扭力減少 , 避免車輪因扭力過大而導致打

滑 ; 而隨著列車的速度增加 , 因為馬達轉速加快 , 從而使反電動勢

也一併增加 , 為免列車的輸出功率不足 , 這時便需利用較大的電壓

去增加馬達的扭力了。

另外 , 當輸出電壓和頻率改變時 , 為了要配合馬達當時的轉速 , 會

使波形變化變得複雜而形成一些類似汽車轉波的聲音 (因其頻率正

好與金屬敲擊聲的頻率相近) , 所以當列車速度改變時 , 我們能夠聽

到車底傳來「轉波聲」了。

機鐵列車的牽引逆變器

現今一些先進的機車更能利用電腦去計算車輪的粘著力以及與鋼

軌間的摩擦系數 , 從而使馬達以最適當的扭力去轉動 : 在上坡時透

過降低電壓增加扭力 , 並透過調節交流電的頻率去保持車速 ; 下坡

時調節動態制動 (Dynamic Brake) 以便在馬達內產生一個反方向的

磁場去防止轉速過高。就這樣 , 便能令列車每刻也能保持最佳的行

車表現了。

IGBT : 因舊式閘流體往往有陰陽兩極間的導通電阻太高或基極之

驅動電流太大等缺點 , 為了解決這些問題 , 因此便發明了 IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor)。它具備高輸出阻抗及電流密度的

優點 , 所以被廣泛的應用在各種不同的電子控制設備上。隨著有關

技術的改進 , 使 IGBT 的耐壓及電流限額提高 , 令它能夠應用在鐵

路車輛的牽引系統上。因為它比 GTO Thyristor 的開關頻率快數倍

有多 (每秒超過2000次) , 所以能使所產生的電壓波形更加準確和平

滑 , 而當頻率改變時所產生的聲響亦因此變得高音 , 所以我們便難

以察覺它的「轉波聲」了。

東鐵新車SP-1900的IGBT牽引逆變器

 


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