当轨道车辆牵引变流器的应用与发展

轨道车辆牵引变流器的应用与发展

摘要：文章综述了电力电子技术发展概况，介绍了轨道车辆电气系统中牵引变流器应用与发展，井作了比较和评述，最后结合目前国内外情况对此提出了一些看法。

关键词：铁道与地铁轻轨车辆 牵引变流器 逆变器 控制电源

1 引言

轨道车辆电气系统中牵引变流器对干线电力机车指的是AC-DC -AC变流系统，对城市地铁与轻轨为DC-AC逆变系统。随着电力电子技术发展，它们在轨道车辆中的应用也在不断地进步与发展。这些变流系统中的电力电子器件都经历过从半控型晶闸管(SCR ),全控型晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发展过程。随着器件发展，还会有性能更好的电力电子器件进一步替代，采用新一代性能优良的电力电子器件，这是科技发展的必然趋势，标志着科技的进步。由于IGBT器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，且自保护能力也强。为此，目前世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统中均采用IGBT模块来构成。

随着IGBT性能的迅速发展，IGBT模块的电压等级和电流容量在不断提高，从1991年生产出了小型IGBT模块，其电压等级为1200V/300A，很快取代了在工业上通用变频器中所用的双极型晶体管;1993年出现了1700V/300A的IGBT，并已开始在城市电车上获得推广应用;到2000年后更出现了1 700V/2400A , 3300V/1200A和6500V/600A的高压IGBT，这些高压HV I有起皮脱落现象GBT很快地应用到铁道与城市地铁轻轨车辆中，由于其性能优越，加之其为绝缘型模块，整机的结构设计紧凑轻巧，且采用了低感母线技术与软门极的驱动技术并解决了热循环的寿命问题，目前，HV IGBT模块已成为轨道电力牵引系统中应用的主导元件。

随着城市发展，城轨交通供电压制也从早期的600V DC和750V DC发展为1500V DC压制，以适应大城市大客流量发展的需要。压的提高对电力电子器件的电压等级提出了更高的要求，IGBT模块的电压等级也从1200V发展到L700V, 3300V以及4500V和6500V电压等级水平，国外已有多家公司批量生产与供货。

2 电气系统中牵引变流器的发展

2.1 车辆用I GBT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(三电平)逆变器用于750V和1500V电(图1)。随着新一代IGBT迅速发展，尤其是3300V等级IGBT的批量生产，用这类电压等级的模块(器件)构成两电平(两点式)逆变器能够满足在3300V电当中的应用，因而在上世纪末国外生产的地铁轻轨电动车辆以及部分干线电力机车动车都已采用这类高压HV IGBT模块，其所构成的逆变器主电路图如图2所示。

由图1和图2可见，虽然三电平逆变器较两电平逆变器具有输出波形好、脉冲频率低、电压上升率也低及损耗小等优点，但是其主电路结构复杂，所用器件多出一倍，这是它不足之点。所以在城轨车辆中目前都采用IGBT构成的两电平逆变器，而在干线电力机车中，采用4500V等级或6500V等级的HV IGBT来构成两电平逆变器。当然，由于三电平逆变器输出的谐波分量低的突出优点，目前在日本仍有不少的应用。

2.2 无吸收电路式逆变器

在轨道车辆上要求结构紧凑、重量轻和体积小的装置，采用绝缘式IGBT模块比那些非绝缘式的GTO器件就更能体现出满足这一要求的特点。通过采用低感母线技术以尽量降低母线的寄生电感来达到抑制关断时的尖峰电压的目的，使逆变器可以取消吸收电路，这样进一步简化了结构，减轻了重量，缩小了体积。在1500V压下，采用上述技术可以使其尖峰电能押制在2300V以内。从图3还可以看出，应用了低感母线技术的主电路结构不仅在器件数量上有明显减少，而且重量和损耗也降低了。

2.3 软门极驱动技术

一般高压IGBT模块在关断时其电压上升率陡峭可达5000V/ μS，通过应用软门极驱动技术可以大大抑制电压上升率dV/dt，将其降低到20目前00V/ μS,尖峰电压也控制2300V之内，如图4所示的1500V电压下作的情况。此外，这电压上升率dV/dt的降低对装置中工作的各类器件都是大实验结果以10个试样摆锤冲击能量的算术平均值表示为有利的。由于采用了软门极驱动技术同时也降低了IGBT的损耗。

2.4 低噪音化的PWM控制

牵引变流器采用变压变频的调速方法，也常将其称为变压变频逆变器(即VVVF)。要实现这点，要采用脉宽调制控制方式(PWM)，它们主要有:高频全域异步控制方式，低频异步、同步并用控制方式，低频全域异步控制方式和异步扩大控制方式(GTO方式)。采用这些控制方式都会有大量的谐波存在，这些谐波也就是逆变器产生噪声之源。可以通过改变高次谐波分布范围的控制模式，如频谱扩散控制方式，可以降低电磁噪音，如图5所示。

2.5 无速度传感器矢量控制

对逆变器和异步电机构成的交流传动系统，目前均已采用性能优良的旋转矢量控制或直接转矩控制，这些控制中均需要电机速度的反馈信号。由于微电子技术迅速发展，计算功能越来越强，也就开发出采用无速度传感器的矢量控制技术。由于取消了速度传感器，如图6所示看出，由于轴向距离扩大，这对电机的设计的灵活性提供了很大的方便。无速度传感器的矢量控制是通过控制转矩电流以同时实现速度测算和高速转矩响应。这种控制方式的特点是不需要速度传感器及所带来的维护工作量，同时有利于提高系统的可靠性及电机设计的灵活性。

2.6 全电制动停车控制

现行的制动系统中停车控制主要是靠气制动实现停车，而气制动在低速时由于靠摩擦力制动的不稳定性，乘客会感觉到较明显的晃动。在目前制动系统的硬件基础上，通过控制上的改善实现全电制动控制停车(图7)，这将提高停车精度，降低停车冲击，降低制动块的摩擦损耗和制动噪音，从而进一步提高乘客的乘坐的舒适度(图8)。

3 结束语

从目很多实验及的问题常常都是工作人员操作不当酿成的前电力电子发展趁势来看，主牵引逆变器应采用HV 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。对于那些进口的电气传动系统中采用GTO构成的地铁轻轨车辆都将面临由于GTO退出轨道车辆应用领域而导致无备品备件的局面，因而都应开展用IGBT替代的国产化研究。

参考文献

[1] 川陶生桂等.城市地铁交流传动系统及其方案.城市轨道交通研究，1998

[2] E .Wolfgang，Reliability of High-power Aemiconductor Devices; from the State of the Art to Future Trends. Power Conversion, June 1999 (end)