城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術性發展路徑分析

陳虎++王洪蓮

摘 要：城市化進程的快速推進，城市軌道交通作為構成城市整體結構的重要組成，在城市發展的過程中具有重要作用。在城市軌道交通當中，構成的環節有很多，牽引逆變器是其中最為關鍵的一個環節。為了對城市軌道交通更好的了解，本文對城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術性發展路徑進行了分析，對各個基礎模塊進行分析。并最終通過實際裝車考核，為我國城市軌道交通更好的發展貢獻出自己的一份力量。

關鍵詞：城市軌道交通；車輛牽引逆變器；技術性發展；路徑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.087

0 前言

城市軌道交通是城市交通驕重要組成部分，憑借其自身的快捷、安全、便利性等優勢得到告訴關注。我國城市軌道交通的經歷了漫長的發展階段，城市軌道交通各個方面有了明顯的提升，各項基礎的控制系統與制造系統基本上實現了自主研發與制造。

1 城市軌道交通的發展概況

伴隨著城市化進程的持續性推進與國民經濟的快速增長，城市人口的規模逐漸增大。公共交通運輸量壓力增加，傳統的城市公共交通系統已經無法滿足城市客運量的基礎要求。技術的進步與發展，具備大運量能力的軌道交通逐漸成為城市公共交通得以快速發展的關鍵環節。在我國相關標準當中就對其進行了解釋：利用電力能源為主要動力，通過輪軌的方法對人或無進行運輸的交通工具。當前階段嗎，隨著我國社會經濟的發展，出現了大量的軌道交通，如地鐵、輕軌等為我國城市的發展提供了重要幫助。

城市規模不斷擴大，人口逐漸增多，這就要求具備便捷性與可達性的客源交通工具逐漸發揮出其自身應具備的價值，滿足高效率出行的基本要求。在當今世界范圍內，發達國家的經驗告訴我們，一個城市建立了良好的軌道交通，可以有效的改善城市的交通環境，增加了社會公共服務質量，為人們的出行提供了便捷。與普通的公共交通相比，存在了很多的特點，如占地面積小、運輸量大等，正是這些特點的存在，使其成為了城市交通中的關鍵組成環節。同時，每一個單位的運輸量的能源消耗較少，能源節約率較高。乘客的乘坐體驗性良好，優勢顯著，有效緩解交通擁堵現象的產生。

近年來，我國對城市交通軌道進行劃分時，同時是根據空間的分布進行劃分的，可以將其分為以下三個部分：（1）地下城市交通軌道系。這一系統當中，由桑格子系統構成，其中輪軌系統最為重要，膠輪自動導向系統次之，最后為重要程度最輕，但也不能忽視的攪動系統；（2）地面城市軌道交通系統。這一系統當中，主要由兩部分組成，一是之前建設的有軌電車，二是近年來信建設的纜車系統等；（3）高架城市軌道交通系統。這一系統當中具有中低速磁懸浮交通系統等多個子系統。在這些城市軌道交通的空間區域劃分中，地下城市軌道交通發展速度迅猛[2]。

2 城市軌道車輛牽引逆變器的發展歷程

城市軌道交通車輛牽引電氣系統中，牽引逆變器具有重要的作用，即車輛當中的直、交、變流設備，對車輛的電動機進行控制與調節。因此，在城市軌道交通當中，這一設備相當于人體的心臟，其性能的好壞，直接影響到交通軌道的各項性能。從上世紀90年代開始，隨著科學技術的不斷發展，推動了電子技術的更新與完善，特別是大功率電子方面，發展的速度更快，從而為牽引逆變器的完善打下了良好基礎。在牽引逆變器的發展過程中，經過了三個時期，第一個時期為半空型晶閘管（SCR）時期，第二個為全控型晶閘管（GTO）時期，最后一個為絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）時期，使逆變器的性能越來越高，現階段的逆變器當中，體現出了頻率高、損耗小等特點[3]。正是這些特點的存在，不論是對運輸部門，還是制造廠家來說，在城市交通建設過程中，占據了很大的優勢，主要包括以下兩點：首先，這種變流器在組裝的過程中成本較低，能夠滿足牽引系統效率提升的要求；其次，逆變器的可靠性與適用性較高，可以將其快速的投入到實際應用當中，門極控制電路得到簡化。

IGBT應用狀況良好，逐漸在牽引傳送領域當中發揮出主導作用。在大功率的軌道交通中IGBT得到快速的推廣，并將其進行了大量的應用。在應用的過程中可以發現，逆變器在之后的發展當中，主要想著以下幾個方面發展：（1）積極主動地利用IGBT為開關元件；（2）精簡系統的結構，以模塊的形式體現出來；（3）減少系統運行中產生的噪音；（4）性能得到保證的前提下，降低消耗的能源[4]。當前階段牽引器發展的過程中，主要向著三個方向發展，分別為凸輪調阻、斬波調壓以及調頻調壓三個方式，這三個方式當中，具有很多的優勢與技術特征，被廣泛的應用于世界各國新建地鐵、軌道系統中。

3 城市軌道車輛牽引逆變器的主體構成

對城市軌道車輛牽引逆變器的技術性發展展開研究，需要分析其主體構成，以便于在拆解分析之后做好系統的分析工作，主體構成主要分為主電路、牽引逆變器平臺、變流器模塊及冷卻模塊四個部分。

3.1 主電路

在逆變器當中，主電路是其中最主要的一個部分，其中主要包括兩個部分，分別為變流器系統與牽引電機，根據兩者之間的數量控；方式的不同，可以將其分為三種形式：（1）由1個變流器系統，4個牽引電機構成，利用車控的方式進行控制的，（2）由2個變流器系統，4個牽引電機構成，利用架空的方式進行控制的。與車控的控制方式相比，這種控制方式具有明顯的優勢，當一個彼岸流兮系統出現問題后，能夠即使的將其從整個系統中切除，利用其他的系統繼續運行，使車輛可以正常的形式下去，減少了系統運行當中消耗的能源。并且，兩個牽引逆變器處于分開控制的狀態，對車輛的粘著利用效用顯著。但該控制方式也存在一定的缺點，則是在增加多部件的基礎之上，系統的可靠性方面受到影響，體積與成本增加；第三種是采用2個變流器模塊驅動4臺牽引電機的車控方式的主電路[5]。在主電路當中利用這種方式，不僅電路較為簡單，能夠降低生產的成本，而且應用的接觸器不是很多，使整個逆變器的穩定性與可靠性更強。但由于粘著過緊，如變流器出現問題后，不能快速的將其隔離出來，動力處于全部損失狀態。結合以上各種典型主電路的優劣勢，城市軌道交通車輛牽引逆變器主電路需要具體選擇。

3.2 牽引逆變器簡統化平臺

現代技術水平的快速發展，國內城市軌道交通已經呈現出多樣化的發展模式，軌道交通的形式也發生改變，由最初的軌道的地鐵一種形式轉化為多種軌道形態。而且，在發展的過程中，正向著多樣化的方向發展：一種是DC750V供電電壓制式，另一種為DC1500V供電電壓制式。在控制方式上面，根據城市軌道交通的自身要求可以進行更改，具體選擇車控還是架控。逆變器簡統化平臺具備安裝便捷、結構強度高以及內部結構緊湊等多種特征，并且具備便捷的車控與架控方式的互換，同歸對平臺中一些不見的改變，能夠將這一目標實現。對其進行改變時。尺寸與外形具體確定為2400mm×883mm×600mm，設置8個吊耳，每一個吊耳設置M16螺栓來保證安全吊裝與車體底部[6]。吊耳的高度可以做到具體調節，以此來滿不同車輛安裝空間的基本要求，做好檢修與具體維護。

3.3 變流器模塊

變流器模塊作為遷移逆變器的核心部件，作為一個相對獨立的模塊單元，作為主流的設計方向，與傳統的變流器設計相比較而言，IGBT變流器模塊化具有諸多優勢，具體表現在以下幾個方面：（1）內部采用繼承的方式構成的，占用的空間較少，縮減了整個設備的提及；（2）適用性能較為良好，不僅能夠被應用于脈沖整流器中，還能夠應用到逆變器中：④研發周期被縮短，開發費用降低，減少用戶備品數量，產品成本得到有效控制。伴隨著該變流器模塊逐漸走向成熟，體現在性能方面的優勢得到重視，性能模塊日趨完善。變流器模塊的應用主要包括熱管散熱器、IGBT元件、溫度繼電器、門極驅動單元、支撐電容、復合低感母排以及門極驅動電源等，是一個結構高度集成、功能相對獨立的功率模塊。

3.4 冷卻模塊

從當前很多大功率的變流器的冷卻系統主要選用水冷裝置，以此來滿足大功率變流器散熱要求。但從水冷系統本身來看，該系統較為復雜，需要配置水泵、熱交換器等多種輔助設備，以此來保證水冷系統發揮作用。且該系統對整個散熱系統的要求較高，需要避免出現漏水、斷水等情況的產生。傳統實體的散熱器為了減少散熱器的熱阻，必須加大散熱面積和通風量，可通過增大基板、主干、分支肋等方式來實現，這種散熱方式既消耗金屬材料，也會受到金屬傳導率低的影響。針對這種現象，本次分析城市軌道交通牽引逆變器的技術性發展，主要采用時代電氣研制的驕城軌車輛牽引逆變器主要采用重力式熱管散熱。該專制的傳熱原理主要利用了其中存在的液體介質，當設備內部溫度升高后，液體就會出現汽化的現象，吸收了設備內部的熱量，從而降低了設備內部的溫度。同時，當液體汽化之后，氣體會進入到冷凝管當中，通過液化的方式，將其轉換回液體，并傳回到冷卻管中，形成一個液體相變循環，從而達到了冷卻的目的與以往的冷卻方式相比，這種方式的性能更加優越，冷卻的效果更好[7]。

4 結論

綜上所述，隨著社會的不斷進步與技術的飛速發展，城市軌道交通已經得到應有重視，成為推進城市化進程的關鍵性構成要素。在城市軌道交通當中，牽引逆變器性能的好壞，會直接影響到整個系統運行質量。因此，本文研究當中，對以往的逆變器進行了一定的改進，并已投入運營多個地鐵項目當中，應用效果顯著。根據在多個大中型城市的應用發現，城市軌道交通車輛牽引逆變器性能良好且具有較好的安全性，符合現階段對傳動系統的要求，為我國城市軌道交通更好的發展提供了重要的幫助。但不能滿足于此，要跟隨著時代的進步，不斷對逆變器進行研究，使性能能夠越老越好，在城市建設中發揮出更大作用。

參考文獻：

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[7]楊穎.城市軌道交通低碳技術應用研究[J].機車電傳動，2010（06）

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