軌道車輛牽引變流器的應(yīng)用與發(fā)展

1、軌道車輛牽引變流器的應(yīng)用與開展摘要:文章綜述了電力電子技術(shù)開展概況，介紹了軌道車輛電氣系統(tǒng)中牽引變流器應(yīng)用與開展，井作了比擬和評(píng)述，最后結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外情況對(duì)此提出了一些看法。關(guān)鍵詞:鐵道與地鐵輕軌車輛牽引變流器逆變器控制電源1引言軌道車輛電氣系統(tǒng)中牽引變流器對(duì)干線電力機(jī)車指的是a-d-a變流系統(tǒng)，對(duì)城市地鐵與輕軌為d-a逆變系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)開展，它們?cè)谲壍儡囕v中的應(yīng)用也在不斷地進(jìn)步與開展。這些變流系統(tǒng)中的電力電子器件都經(jīng)歷過(guò)從半控型晶閘管(sr),全控型晶閘管(gt)及絕緣柵雙極型晶體管(igbt)的開展過(guò)程。隨著器件開展，還會(huì)有性能更好的電力電子器件進(jìn)一步替代，采用新一代性能優(yōu)良的電力

2、電子器件，這是科技開展的必然趨勢(shì)，標(biāo)志著科技的進(jìn)步。由于igbt器件屬電壓驅(qū)動(dòng)的全控型開關(guān)器件，脈沖開關(guān)頻率高，性能好，損耗小，且自保護(hù)才能也強(qiáng)。為此，目前世界上無(wú)論是干線鐵路還是城市軌道的電動(dòng)車輛的電氣系統(tǒng)中均采用igbt模塊來(lái)構(gòu)成。隨著igbt性能的迅速開展，igbt模塊的電壓等級(jí)和電流容量在不斷進(jìn)步，從1991年消費(fèi)出了小型igbt模塊，其電壓等級(jí)為1200v/300a，很快取代了在工業(yè)上通用變頻器中所用的雙極型晶體管;1993年出現(xiàn)了1700v/300a的igbt，并已開場(chǎng)在城市電車上獲得推廣應(yīng)用;到2000年后更出現(xiàn)了1700v/2400a,3300v/1200a和6500v/600

3、a的高壓igbt，這些高壓hvigbt很快地應(yīng)用到鐵道與城市地鐵輕軌車輛中，由于其性能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊，整機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)緊湊輕巧，且采用了低感母線技術(shù)與軟門極的驅(qū)動(dòng)技術(shù)并解決了熱循環(huán)的壽命問(wèn)題，目前，hvigbt模塊已成為軌道電力牽引系統(tǒng)中應(yīng)用的主導(dǎo)元件。隨著城市開展，城軌交通供電網(wǎng)壓制也從早期的600vd和750vd開展為1500vd網(wǎng)壓制，以適應(yīng)大城市大客流量開展的需要。網(wǎng)壓的進(jìn)步對(duì)電力電子器件的電壓等級(jí)提出了更高的要求，igbt模塊的電壓等級(jí)也從1200v開展到l700v,3300v以及4500v和6500v電壓等級(jí)程度，國(guó)外已有多家公司批量消費(fèi)與供貨。2電氣系統(tǒng)中牽引變流器的開展

4、2.1車輛用igbt逆變器的開發(fā)當(dāng)電壓等級(jí)不夠高時(shí)，在德國(guó)和日本曾用1200v和1700v等級(jí)igbt構(gòu)成三點(diǎn)式(三電平)逆變器用于750v和1500v電網(wǎng)(圖1)。隨著新一代igbt迅速開展，尤其是3300v等級(jí)igbt的批量消費(fèi)，用這類電壓等級(jí)的模塊(器件)構(gòu)成兩電平(兩點(diǎn)式)逆變器可以滿足在3300v電網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用，因此在上世紀(jì)末國(guó)外消費(fèi)的地鐵輕軌電動(dòng)車輛以及局部干線電力機(jī)車動(dòng)車都已采用這類高壓hvigbt模塊，其所構(gòu)成的逆變器主電路圖如圖2所示。由圖1和圖2可見，雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、脈沖頻率低、電壓上升率也低及損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但是其主電路構(gòu)造復(fù)雜，所用器件多出一

5、倍，這是它缺乏之點(diǎn)。所以在城軌車輛中目前都采用igbt構(gòu)成的兩電平逆變器，而在干線電力機(jī)車中，采用4500v等級(jí)或6500v等級(jí)的hvigbt來(lái)構(gòu)成兩電平逆變器。當(dāng)然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點(diǎn)，目前在日本仍有不少的應(yīng)用。2.2無(wú)吸收電路式逆變器在軌道車輛上要求構(gòu)造緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式igbt模塊比那些非絕緣式的gt器件就更能表達(dá)出滿足這一要求的特點(diǎn)。通過(guò)采用低感母線技術(shù)以盡量降低母線的寄生電感來(lái)到達(dá)抑制關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進(jìn)一步簡(jiǎn)化了構(gòu)造，減輕了重量，縮小了體積。在1500v網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電能押制在2300

6、v以內(nèi)。從圖3還可以看出，應(yīng)用了低感母線技術(shù)的主電路構(gòu)造不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。2.3軟門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般高壓igbt模塊在關(guān)斷時(shí)其電壓上升率陡峭可達(dá)5000v/s，通過(guò)應(yīng)用軟門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大抑制電壓上升率dv/dt，將其降低到2000v/s,尖峰電壓也控制2300v之內(nèi)，如圖4所示的1500v電壓下作的情況。此外，這電壓上升率dv/dt的降低對(duì)裝置中工作的各類器件都是大為有利的。由于采用了軟門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)同時(shí)也降低了igbt的損耗。2.4低噪音化的p控制牽引變流器采用變壓變頻的調(diào)速方法，也常將其稱為變壓變頻逆變器(即vvvf)。要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，要采用脈寬調(diào)制控制方式(

7、p)，它們主要有:高頻全域異步控制方式，低頻異步、同步并用控制方式，低頻全域異步控制方式和異步擴(kuò)大控制方式(gt方式)。采用這些控制方式都會(huì)有大量的諧波存在，這些諧波也就是逆變器產(chǎn)生噪聲之源?？梢酝ㄟ^(guò)改變高次諧波分布范圍的控制形式，如頻譜擴(kuò)散控制方式，可以降低電磁噪音，如圖5所示。2.5無(wú)速度傳感器矢量控制對(duì)逆變器和異步電機(jī)構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，目前均已采用性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，這些控制中均需要電機(jī)速度的反應(yīng)信號(hào)。由于微電子技術(shù)迅速開展，計(jì)算功能越來(lái)越強(qiáng)，也就開發(fā)出采用無(wú)速度傳感器的矢量控制技術(shù)。由于取消了速度傳感器，如圖6所示看出，由于軸向間隔 擴(kuò)大，這對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)的靈敏性提供

8、了很大的方便。無(wú)速度傳感器的矢量控制是通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流以同時(shí)實(shí)現(xiàn)速度測(cè)算和高速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。這種控制方式的特點(diǎn)是不需要速度傳感器及所帶來(lái)的維護(hù)工作量，同時(shí)有利于進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性及電機(jī)設(shè)計(jì)的靈敏性。2.6全電制動(dòng)停車控制現(xiàn)行的制動(dòng)系統(tǒng)中停車控制主要是靠氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車，而氣制動(dòng)在低速時(shí)由于靠摩擦力制動(dòng)的不穩(wěn)定性，乘客會(huì)感覺到較明顯的晃動(dòng)。在目前制動(dòng)系統(tǒng)的硬件根底上，通過(guò)控制上的改善實(shí)現(xiàn)全電制動(dòng)控制停車(圖7)，這將進(jìn)步停車精度，降低停車沖擊，降低制動(dòng)塊的摩擦損耗和制動(dòng)噪音，從而進(jìn)一步進(jìn)步乘客的乘坐的舒適度(圖8)。3完畢語(yǔ)從目前電力電子開展趁勢(shì)來(lái)看，主牽引逆變器應(yīng)采用hvigbt模塊來(lái)構(gòu)成，無(wú)論其主電路構(gòu)造還是控制理論與控制技術(shù)，還需要進(jìn)一步研究、完善及優(yōu)化。對(duì)于那些進(jìn)口的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中采用gt構(gòu)成的地鐵輕軌車輛都將面臨由于gt退出軌道車輛應(yīng)用領(lǐng)域而導(dǎo)致無(wú)備品備件的場(chǎng)面，因此都應(yīng)開展用igbt替代的國(guó)產(chǎn)化研究。參考