城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术性发展路径分析

陈虎++王洪莲

摘 要：城市化进程的快速推进，城市轨道交通作为构成城市整体结构的重要组成，在城市发展的过程中具有重要作用。在城市轨道交通当中，构成的环节有很多，牵引逆变器是其中最为关键的一个环节。为了对城市轨道交通更好的了解，本文对城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术性发展路径进行了分析，对各个基础模块进行分析。并最终通过实际装车考核，为我国城市轨道交通更好的发展贡献出自己的一份力量。

关键词：城市轨道交通；车辆牵引逆变器；技术性发展；路径

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

0 前言

城市轨道交通是城市交通骄重要组成部分，凭借其自身的快捷、安全、便利性等优势得到告诉关注。我国城市轨道交通的经历了漫长的发展阶段，城市轨道交通各个方面有了明显的提升，各项基础的控制系统与制造系统基本上实现了自主研发与制造。

1 城市轨道交通的发展概况

伴随着城市化进程的持续性推进与国民经济的快速增长，城市人口的规模逐渐增大。公共交通运输量压力增加，传统的城市公共交通系统已经无法满足城市客运量的基础要求。技术的进步与发展，具备大运量能力的轨道交通逐渐成为城市公共交通得以快速发展的关键环节。在我国相关标准当中就对其进行了解释：利用电力能源为主要动力，通过轮轨的方法对人或无进行运输的交通工具。当前阶段吗，随着我国社会经济的发展，出现了大量的轨道交通，如地铁、轻轨等为我国城市的发展提供了重要帮助。

城市规模不断扩大，人口逐渐增多，这就要求具备便捷性与可达性的客源交通工具逐渐发挥出其自身应具备的价值，满足高效率出行的基本要求。在当今世界范围内，发达国家的经验告诉我们，一个城市建立了良好的轨道交通，可以有效的改善城市的交通环境，增加了社会公共服务质量，为人们的出行提供了便捷。与普通的公共交通相比，存在了很多的特点，如占地面积小、运输量大等，正是这些特点的存在，使其成为了城市交通中的关键组成环节。同时，每一个单位的运输量的能源消耗较少，能源节约率较高。乘客的乘坐体验性良好，优势显著，有效缓解交通拥堵现象的产生。

近年来，我国对城市交通轨道进行划分时，同时是根据空间的分布进行划分的，可以将其分为以下三个部分：（1）地下城市交通轨道系。这一系统当中，由桑格子系统构成，其中轮轨系统最为重要，胶轮自动导向系统次之，最后为重要程度最轻，但也不能忽视的搅动系统；（2）地面城市轨道交通系统。这一系统当中，主要由两部分组成，一是之前建设的有轨电车，二是近年来信建设的缆车系统等；（3）高架城市轨道交通系统。这一系统当中具有中低速磁悬浮交通系统等多个子系统。在这些城市轨道交通的空间区域划分中，地下城市轨道交通发展速度迅猛[2]。

2 城市轨道车辆牵引逆变器的发展历程

城市轨道交通车辆牵引电气系统中，牵引逆变器具有重要的作用，即车辆当中的直、交、变流设备，对车辆的电动机进行控制与调节。因此，在城市轨道交通当中，这一设备相当于人体的心脏，其性能的好坏，直接影响到交通轨道的各项性能。从上世纪90年代开始，随着科学技术的不断发展，推动了电子技术的更新与完善，特别是大功率电子方面，发展的速度更快，从而为牵引逆变器的完善打下了良好基础。在牵引逆变器的发展过程中，经过了三个时期，第一个时期为半空型晶闸管（SCR）时期，第二个为全控型晶闸管（GTO）时期，最后一个为绝缘门极双极型晶体管（IGBT）时期，使逆变器的性能越来越高，现阶段的逆变器当中，体现出了频率高、损耗小等特点[3]。正是这些特点的存在，不论是对运输部门，还是制造厂家来说，在城市交通建设过程中，占据了很大的优势，主要包括以下两点：首先，这种变流器在组装的过程中成本较低，能够满足牵引系统效率提升的要求；其次，逆变器的可靠性与适用性较高，可以将其快速的投入到实际应用当中，门极控制电路得到简化。

IGBT应用状况良好，逐渐在牵引传送领域当中发挥出主导作用。在大功率的轨道交通中IGBT得到快速的推广，并将其进行了大量的应用。在应用的过程中可以发现，逆变器在之后的发展当中，主要想着以下几个方面发展：（1）积极主动地利用IGBT为开关元件；（2）精简系统的结构，以模块的形式体现出来；（3）减少系统运行中产生的噪音；（4）性能得到保证的前提下，降低消耗的能源[4]。当前阶段牵引器发展的过程中，主要向着三个方向发展，分别为凸轮调阻、斩波调压以及调频调压三个方式，这三个方式当中，具有很多的优势与技术特征，被广泛的应用于世界各国新建地铁、轨道系统中。

3 城市轨道车辆牵引逆变器的主体构成

对城市轨道车辆牵引逆变器的技术性发展展开研究，需要分析其主体构成，以便于在拆解分析之后做好系统的分析工作，主体构成主要分为主电路、牵引逆变器平台、变流器模块及冷却模块四个部分。

3.1 主电路

在逆变器当中，主电路是其中最主要的一个部分，其中主要包括两个部分，分别为变流器系统与牵引电机，根据两者之间的数量控；方式的不同，可以将其分为三种形式：（1）由1个变流器系统，4个牵引电机构成，利用车控的方式进行控制的，（2）由2个变流器系统，4个牵引电机构成，利用架空的方式進行控制的。与车控的控制方式相比，这种控制方式具有明显的优势，当一个彼岸流兮系统出现问题后，能够即使的将其从整个系统中切除，利用其他的系统继续运行，使车辆可以正常的形式下去，减少了系统运行当中消耗的能源。并且，两个牵引逆变器处于分开控制的状态，对车辆的粘着利用效用显著。但该控制方式也存在一定的缺点，则是在增加多部件的基础之上，系统的可靠性方面受到影响，体积与成本增加；第三种是采用2个变流器模块驱动4台牵引电机的车控方式的主电路[5]。在主电路当中利用这种方式，不仅电路较为简单，能够降低生产的成本，而且应用的接触器不是很多，使整个逆变器的稳定性与可靠性更强。但由于粘着过紧，如变流器出现问题后，不能快速的将其隔离出来，动力处于全部损失状态。结合以上各种典型主电路的优劣势，城市轨道交通车辆牵引逆变器主电路需要具体选择。

3.2 牵引逆变器简统化平台

现代技术水平的快速发展，国内城市轨道交通已经呈现出多样化的发展模式，轨道交通的形式也发生改变，由最初的轨道的地铁一种形式转化为多种轨道形态。而且，在发展的过程中，正向着多样化的方向发展：一种是DC750V供电电压制式，另一种为DC1500V供电电压制式。在控制方式上面，根据城市轨道交通的自身要求可以进行更改，具体选择车控还是架控。逆变器简统化平台具备安装便捷、结构强度高以及内部结构紧凑等多种特征，并且具备便捷的车控与架控方式的互换，同归对平台中一些不见的改变，能够将这一目标实现。对其进行改变时。尺寸与外形具体确定为2400mm×883mm×600mm，设置8个吊耳，每一个吊耳设置M16螺栓来保证安全吊装与车体底部[6]。吊耳的高度可以做到具体调节，以此来满不同车辆安装空间的基本要求，做好检修与具体维护。

3.3 变流器模块

变流器模块作为迁移逆变器的核心部件，作为一个相对独立的模块单元，作为主流的设计方向，与传统的变流器设计相比较而言，IGBT变流器模块化具有诸多优势，具体表现在以下几个方面：（1）内部采用继承的方式构成的，占用的空间较少，缩减了整个设备的提及；（2）适用性能较为良好，不仅能够被应用于脉冲整流器中，还能够应用到逆变器中：④研发周期被缩短，开发费用降低，减少用户备品数量，产品成本得到有效控制。伴随着该变流器模块逐渐走向成熟，体现在性能方面的优势得到重视，性能模块日趋完善。变流器模块的应用主要包括热管散热器、IGBT元件、温度继电器、门极驱动单元、支撑电容、复合低感母排以及门极驱动电源等，是一个结构高度集成、功能相对独立的功率模块。

3.4 冷却模块

从当前很多大功率的变流器的冷却系统主要选用水冷装置，以此来满足大功率变流器散热要求。但从水冷系统本身来看，该系统较为复杂，需要配置水泵、热交换器等多种辅助设备，以此来保证水冷系统发挥作用。且该系统对整个散热系统的要求较高，需要避免出现漏水、断水等情况的产生。传统实体的散热器为了减少散热器的热阻，必须加大散热面积和通风量，可通过增大基板、主干、分支肋等方式来实现，这种散热方式既消耗金属材料，也会受到金属传导率低的影响。针对这种现象，本次分析城市轨道交通牵引逆变器的技术性发展，主要采用时代电气研制的骄城轨车辆牵引逆变器主要采用重力式热管散热。该专制的传热原理主要利用了其中存在的液体介质，当设备内部温度升高后，液体就会出现汽化的现象，吸收了设备内部的热量，从而降低了设备内部的温度。同时，当液体汽化之后，气体会进入到冷凝管当中，通过液化的方式，将其转换回液体，并传回到冷却管中，形成一个液体相变循环，从而达到了冷却的目的与以往的冷却方式相比，这种方式的性能更加优越，冷却的效果更好[7]。

4 结论

综上所述，随着社会的不断进步与技术的飞速发展，城市轨道交通已经得到应有重视，成为推进城市化进程的关键性构成要素。在城市轨道交通当中，牵引逆变器性能的好坏，会直接影响到整个系统运行质量。因此，本文研究当中，对以往的逆变器进行了一定的改进，并已投入运营多个地铁项目当中，应用效果显著。根据在多个大中型城市的应用发现，城市轨道交通车辆牵引逆变器性能良好且具有较好的安全性，符合现阶段对传动系统的要求，为我国城市轨道交通更好的发展提供了重要的帮助。但不能满足于此，要跟随着时代的进步，不断对逆变器进行研究，使性能能够越老越好，在城市建设中发挥出更大作用。

参考文献：

[1]李东林.城市轨道交通车辆电气牵引系统自主研发与应用[J].机车电传动，2012（01）：37-42.

[2]翁星方，邹档兵.城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术发展[J].机车电传动，2012（01）：47-51.

[3]王俭朴.城市轨道车辆储能再生制动试验系统研究[J].机车电传动，2013（02）：53-55+59.

[4]何治新.城市軌道交通车辆再生制动能量的回收利用[J].城市轨道交通研究，2013（08）：49-53+58.

[5]杨俭，李发扬，宋瑞刚等.城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展[J].铁道学报，2011（02）：26-33.

[6]翁星方，忻力，胡家喜等.简统化地铁车辆IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2011（03）：44-48.

[7]杨颖.城市轨道交通低碳技术应用研究[J].机车电传动，2010（06）

：1-6+15.