【探讨关于轨道电气传动系统技术特点和发展方向】 城市轨道未来发展方向

　　摘 要: 伴随着轨道交通电气设备当中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电力电子器件的更新与发展, 与之应用的电气传动系统的电路方案也在不断地创新。本文主要结合了国内外最先进的电气技术分析了城市轨道车辆主、辅传动系统采用新器件所构成的电路方案及其发展。
　　关键词: 轨道系统; 电气系统; 牵引变流器; 逆变器;
　　中图分类号：F407.6文献标识码：A 文章编号：
　　1 城市轨道车辆电气传动系统的概述
　　 随着电气设备当中绝缘栅双极型晶体管等高性能电力电子器件的更新与发展, 这样才使得城市地铁轻轨车辆目前均采用性能较好的绝缘栅双极型晶体管(即 绝缘栅双极型晶体管模块)。进入21世纪以来，随着 绝缘栅双极型晶体管模块获得迅速发展, 如适用城市 750V和 1 500 V 网压下运行的轨道车辆采用的电压等级 1 700V 和 3 300 V、电流等400~2 400 A 的 绝缘栅双极型晶体管模块已是批量生产、性能稳定的成熟产品; 在干线机车、动车上应用的电压等级已提高到4500V和6500V、电流等级为900A和 600A 的 绝缘栅双极型晶体管也已应用于 DC3000V 和 AC16Hz、15kV及50Hz、25kV供电网压下。IGBT模块能获得如此广泛应用是由于其具有卓越的性能,主要体现在:1)开关损耗小, 允许有较高的开关频率；2) 吸收电路小型化, 结合层压低感母线可实现无吸收电路;3) 属电压型驱动, 驱动电路功率较低, 开关转换均匀, 有效实现抗短路自保护能力;4) 绝缘式模块便于组装, 散热器设计灵活, 简化了变流装置的结构;5) 模块的结构与材料的改进使其满足牵引对热交变载工况所提的要求[2];6)并联简单使装置的功率易于标定系列化等。
　　2 牵引变流器的发展
　　2.1 车辆用 IGBT逆变器的开发
　　当电压等级不够高时, 在德国和日本曾用 1 200 V 和1 700 V 等级 绝缘栅双极型晶体管构成三点式 ( 三电平) 逆变器用于750 V 和 1 500 V 电网(见图 1)[3]。随着新一代 绝缘栅双极型晶体管迅速发展, 尤其是 3 300 V 等级 绝缘栅双极型晶体管的批量生产, 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 1 500 V 电网当中的应用, 因而在 20 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绝缘栅双极型晶体管模块, 其所构成的两点式( 两电平)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,这是它不足之处。所以在轨道车辆中目前都采用 IGBT构成的两电平逆变器, 而在干线电力机车中则采用 4 500V 等级或 6 500 V 等级的 HV绝缘栅双极型晶体管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 绝缘栅双极型晶体管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。同时, 通过采用低感母线技术以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 1 500 V 网压下, 采用上述技术可以使其尖峰电压抑制在 2 300 V 以内(见图 3)。从图 4 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 绝缘栅双极型晶体管模块在关断时其电压上升率陡峭可达 5 000 V/μs, 通过应用软门极驱动技术可以大大抑制电压上升率 dU/dt, 将其降低到 2 000 V/μs, 尖峰电压也控制 2 300 V 之内, 如图 3 所示的 1 500 V 电压下工作的情况。此外, 电压上升率 dU/dt 的降低对装置中工作的各类器件都是大为有利的。由于采用了软门极驱动技术, 同时也降低了 绝缘栅双极型晶体管的损耗。
　　2.4 低噪声化的 PWM 控制
　　牵引变流器采用变压变频的调速方法, 称其为变压变频逆变器 ( 即 VVVF)。所采用的脉宽调制控制方式(PWM) 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。而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, 可以降低电磁噪声。
　　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, 轴向距离扩大, 这为电机的设计提供了很大的方便。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。
　　3静止辅助电源系统
　　城市轨道车辆上的辅助电源系统早期采用笨重的旋转式电动机—发电机变流机组, 随着电力电子器件的发展, 现均已采用了电力电子器件构成的静止式变流机组( 简称 SIV), 其构成的方案有: 1) 斩波稳压再逆变,加变压器降压隔离; 2) 三点式逆变器加变压器降压隔离; 3) 电容分压两路逆变, 加隔离变压器构成 12 脉冲方案; 4) 两点式逆变
　　器加滤波器与变压器降压隔离;5) 直—直变换与高频变压器隔离加逆变的方案等。这些方案各有其特点, 而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。
　　4 结论
　　1) 轨道车辆上的辅助系统, 从运营部门出发, 首要的是安全可靠与寿命长, 不是单纯追求技术先进性。如上海地铁二号线车辆静止辅助系统, 采用高频变压器与逆变器开关频率为 6.20 kHz, 虽然输出波形很好地接近正弦波, 但由于开关频率高, 开关损耗大大增加, 致使寿命下降。目前上海地铁二号线交流传动车辆上这类辅助逆变器经常出现故障。为此, 若采用准 12 脉冲波形, 其开关频率可大为下降,
　　 即输出波形较好, 变流装置也寿命长, 能长时期地可靠安全工作, 这是车辆运营部门关心的重点。2) 三电平方案( 早期德国提出的也称三点式), 是采用中点带一对反并联的主管方案 ,此方案的优点为主管耐压一致且降为一半, 但又增加 6 个箝位二极管, 使主电路显得比较复杂。近期由于 绝缘栅双极型晶体管模块耐压等级提高, 而且又是批量生产的成熟产品, 故而又被恢复到中点带一对主管、箝位二极管被取消的方案 。 3) 在辅助系统中另一个变流部分是蓄电池充电器兼DC 110 V 低压控制电源, 一些运营部门希望采用独立式的 DC/DC 变换器来实现。从目前国内进口的车辆来看,地铁轻轨车辆上有独立式的, 即直接取电于电网来产生110 V 供电电源, 也有非独立式的, 即从辅助逆变器取电来产生 110 V 电源。对独立式而言, 当辅助逆变器故障,对其无影响, 而对非独立式而言, 当辅助逆变器故障, 其也无输出。但是, 110 V 电源冗余量大, 一头拖车无控制电源, 另一头拖车上 110 V 电源也可以提供整列车用电。从这点看, 独立式与非独立式不是原则性的问题。4) 从运营角度来看, 当蓄电池电压过低时辅助逆变器应具有低压(或自举)起动功能。对这一点的实施, 在以前进口的地铁轻轨车辆上都是应用应急电池来实现的,而应急电池容量仅能进行 2～3 次的短时期起动, 若几次试起动均失效, 就得救援。而且应急电池日久后的维护费用也高, 因此, 若不用应急电池来实施这一功能是较理想的。