試論軌道交通車輛牽引逆變器及其技術發展

尹國龍

摘 要 地鐵主傳動系統由牽引逆變器、牽引電動機等部件組成，實施地鐵主傳動系統設備國產化有利于降低主傳動設備投資，確保提高軌道車輛國產化率目標的實現，促進我國地鐵健康快速發展。本文介紹城市軌道交通車輛牽引逆變器的發展，對簡統化牽引逆變器分析，介紹牽引逆變器冷卻方式。

關鍵詞 軌道交通;地鐵車輛;牽引逆變器;技術發展

目前我國城市軌道交通裝備制造方面具備了生產能力，主要電氣部件已能實現自主研制。本文首先梳理牽引逆變器的發展，再分析牽引逆變器主電路和簡統化平臺，最后介紹逆變器冷卻方式。

1牽引逆變器的發展

城軌車輛大多在地下隧道運行，因此要提高部件可靠性，車輛要具有帶故障運行能力，損失部分動力時可行駛到最近車站[1]。在高峰期經常發生乘客超員情況，要求其在過載工況具有持續運行能力。VVVF交流傳動系統技術趨于成熟，其在世界各國城軌系統廣泛應用。

2主電路分析

目前城軌車輛牽引逆變器典型主電路為采用功率模塊驅動牽引電機的架控方式。架控方式的優點是牽引逆變器模塊獨立控制，當變流器一個模塊故障時可將其切除，車輛僅損失一個轉向架動力。相對于車控方式的缺點是部件增多，導致系統可靠性降低。同時，相對于軸控方式具有節省成本和可靠性高等特點。

典型雙模塊架控方式的主電路如圖1所示，主要包括預充電模塊、LC線路濾波器、功率模塊和冷卻風機。SVES1和SVES2為網壓傳感器。當檢測到網壓在正常范圍內時閉合充電接觸器KM12和KM22，通過充電電阻R11和R21為支撐電容C1和C2充電以防止充電電流過大。當充電完成后閉合主接觸器KM11和KM21同時斷開KM12和KM22完成充電過程。

LC線路濾波器由濾波電抗器L1，L2和支撐電容C1，C2構成， LC線路濾波器可濾除直流電壓的高頻分量和尖峰電壓，抑制電網電壓波動與直流側電流脈動的影響，同時避免IGBT工作時產生的高頻電流對電網側產生干擾[2]。

功率模塊的逆變單元為電機供電，斬波單元將過高的網壓消耗在制動電阻上，慢放電阻R12和R22消耗支撐電容的能量。冷卻風機主要包括風機FAN1以及空開和接觸器。一般風機控制有星三角變換和高低速控制等方式。該圖風機為高低速控制。

3牽引逆變器簡統化平臺

隨著城市軌道交通快速發展，城軌交通牽引系統供電方式和供電制式向多樣化發展，目前供電制式為DC750V與DC1500V，時代電氣研制的簡統化牽引逆變器可滿足城軌車輛工作環境，具有內部結構緊湊等特點，通過改變接線、更換功率模塊和控制機箱的方式實現車控與架控互換，滿足不同供電制式應用[2]。

綜合以往設計經驗，采用簡統化設計思路，統一牽引逆變器吊耳數量、尺寸等外形接口信息。牽引逆變器由相同IGBT模塊構成，包括傳感器等部件。隔艙采用門鎖結構設計，防水防塵，方便部件拆卸維護。柜體密封滿足車底設備防護等級IP54要求。簡統化平臺能夠縮短研發周期，降低設計采購成本。

4牽引逆變器冷卻

IGBT元件構成變流器模塊，是城軌車輛牽引逆變器核心部件，目前時代電氣研制的城軌車輛牽引逆變器采用IGBT變流器模塊，包括熱管散熱器，溫度繼電器，支撐電容和門極驅動等，是功能獨立的功率模塊。很多變流器采用水冷裝置散熱系統，但需配置熱交換器等設備，且漏水會對系統造成很大損失。傳統實體散熱器必須加大散熱面積，相應需增大基板與主干，遠端降溫大，只能在散熱面積與傳導損失中求折中值。但熱管技術能降低傳導熱阻，熱管兩端溫差小，使散熱器與空氣熱阻減小。

采用熱管傳熱的IGBT變流器模塊，具有高的傳熱效率。銅-水熱管內部蒸發端與冷凝端溫差小于3℃，在冷凝端通過外加翅片的方式能使其散熱時熱量分配均勻。熱管具有在溫差低下傳遞熱量的優點，產生的熱量能被及時帶出。熱管散熱器無噪聲污染。實際應用表明，逆變器散熱器臺面最高溫升為27K，能夠保證熱量及時排散。

參考文獻

[1] 陳林，王衛安.軌道車輛牽引逆變器的最優化設計[J].新型工業化，2016，6（4）：34-39.

[2] 翁星方，鄒檔兵.城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術發展[J].機車電傳動，2012（1）：47-51.