城轨车辆牵引电源的专利技术路线研究

欧阳丽

摘 要 本文介绍了城市轨道交通领域的关键技术分支城轨车辆牵引电源。通过对城轨车辆牵引电源相关的技术路线进行分析和解读，以期为我国城市轨道交通列车牵引的技术发展提供参考。

关键词 轨道交通;牵引电源;专利技术路线

前言

城市轨道交通是在不同类型轨道上运行的大、中运量城市公共交通工具，是一种在城市公共客运交通中起骨干作用的现代化交通系统。相比城市道路交通，城市轨道交通以其运能大、快速准时、安全性高、能耗低、污染少、用地省等优点[1]，成为各国综合交通运输体系建设的重点。城轨车辆作为轨道交通中的运输载体，是确保城市轨道交通安全、稳定、高效运行的关键装备之一。牵引系统电源作为是城轨车辆的动力来源，其涉及电力电子、微机原理、电机控制等多个领域，在一定程度上代表着城市轨道交通装备的技术水平[2]。

因此，本文将城轨车辆牵引电源作为城市轨道交通领域重点研究的技术分支，对城轨车辆牵引电源的技术路线进行分析，为相关企业和研究机构的技术研发、专利申请布局提供参考。

1城轨车辆牵引电源的专利技术路线

城轨车辆牵引电源，早在1935年就由英国汤姆逊休斯顿有限公司（BRITISH THOMSON HOUSTON CO LTD）在GB429575 中提出，其电源变换器中包括放电装置，可以选择性地替代出现故障的整流器或逆变器;这与世界上最早的电力牵引地铁在英国伦敦建成一致。

阿尔斯通公司（ALSTOM）作为全球交通运输领域的先驱，分别于1980年、1983年提出专利申请FR8007542和EP84103338 ;其中FR8007542提供一种晶闸管逆变器的功率调节器，通过感应电源电压和输出电流以控制晶闸管触发时间，EP84103338使用斩波器消光电路来切换牵引制动晶闸管，从而控制异步电动机速度。

随着电力电子技术的发展，开关速度高、损耗小、耐脉冲电流冲击的绝缘栅双极型晶体管IGBT模块迅速发展，逐渐代替晶闸管进入人们的视线。日本东芝公司（TOSHIBA CORP）于1991年提交的专利申请JP8815991A，首次采用高速开关元件IGBT构成电源转换装置的上、下臂，与IGBT对应的缓冲电阻器或缓冲电容器非常接近IGBT地布置以获得低电感;从而可以抑制浪涌电压、减小尺寸和重量，并且还可以实现低噪声。同年株式会社日立公司提交的专利申请JP30151291A，提出一种将直流电压转换为具有至少三个不同电平电位的交流相电压的电力变换器装置，该变换器的输出电压可以从零电压连续平滑调节到最大电压。此后日立公司还就该三电平输出变换器，于1992年、1993年、1996年分别提交了专利申请JP10426092、JP21718593、JP15369996，从控制每个开关工作电流以使得热量产生均匀、具有平衡直流成分装置的三电平电力变换器从而限制电压输出的不平衡、可高稳定且准确地判定电容器容量降低的三电平电力变换器三面进行了改进。

牵引系统的功率不断上升，电压的控制要求也越来越高。法国阿尔斯通公司（ALSTOM）于2002年提交的专利申请FR0200551、FR0200552，针对电源变换器中IGBT元件不能耐高压，提出一种以光电导金刚石衬底连接开关端子的矩阵变换器，包括一个开关矩阵将电压源与电流源相连，每个开关有两个置于各自独立的平行平面上的端子，和一个置于开关的两个端子之间的光电导金刚石衬底，每个开关通过一个光源照射置于开关的两个端子间的金刚石衬底来控制;其能在高电压工作而体积紧凑。

此后，德国西门子公司（SIEMENS）于2008年提交的专利申请EP08873419，提出带有分布储能器的多相变换器的方法，可在低输出频率到直流工作模式下进行工作，有效控制了电压纹波、导通损耗和开关损耗。中国株洲南车时代电气股份有限公司于2008年提交的专利申请CN200810000169，提出采用抽屉式结构，通过改变高压IGBT元件的型号和数量，可以很容易实现不同功能和功率等级的变流器模块，使变流器模块结构更紧凑，方便安装和维护，散热性能好。株式会社日立公司于2009年提交的专利申请JP2009136808，通过设置自立框架，半导体元件与滤波电容器被收纳在公共的框体内，滤波电容器、半导体元件成为相互被固定的一体构造，提供一种能够提高访问性、维护性且实现小型化的电力转换装置，降低热影响。庞巴迪公司（BOMBARDIER PRIMOVE GMBH）于2012年提交的专利申请EP13737177，其采用连接逆变器、电机和接收设备的无源电路布置，在给定充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗;从而减小在充电模式和操作模式期间控制能量流或电流的复杂性，减小了能量损耗。

2结束语

通过对城轨车辆牵引电源的专利技术路线进行梳理不难看出，城轨车辆牵引电源变换系统主要经历了从晶闸管到IGBT的变迁，这使得牵引电源输出控制的精度更高。此后，国内外几大牵引系统供应商的研究方向主要集中在如何降低损耗、方便散热、减小体积几个方面。随着全球城市化的迅速发展，城轨车辆牵引电源技术已较为成熟。

参考文献

[1] 罗钦.城市轨道交通概论[M].成都：西南交通大学出版社， 2017，8.

[2] 赵雷廷.地铁牵引电传動系统关键控制技术及性能优化研究[D].北京交通大学，2014：21-23.