摘要：隨著我國城市軌道交通的的快速發(fā)展，作為我國軌道車輛主要牽引方式的交流牽引也得到了更加廣闊的發(fā)展空間。交流逆變器是交流牽引中重要技術(shù)，其發(fā)展對于我國的城市軌道交通有著重要的意義。因此加快交流牽引逆變器的開發(fā)，促進我國經(jīng)濟發(fā)展，已經(jīng)成為交流牽引開發(fā)的主流。文中就交流牽引逆變器的開發(fā)進行了簡要的論述。

關(guān)鍵詞：交流牽引逆變器 開發(fā)

幾年來我國城市軌道交通得到了長足的發(fā)展，市內(nèi)地下軌道交通、城際間快速軌道交通等交通線路的相繼建設(shè)為我國軌道交通的發(fā)展提供良好的發(fā)展空間。交流牽引作為軌道交通牽引的重要組成形式，目前已經(jīng)成為我國軌道交通中的主要牽引形式。牽引變流器作為列車的心臟，決定了列車的啟動、制動和最高運行速度等性能，城軌的發(fā)展主要集中的反映到牽引變流器的發(fā)展上。

▲▲ 一、我國交流牽引逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國城市人口密度的不斷增加，城市交通已經(jīng)成為了我國城市發(fā)展的瓶頸。針對這樣的情況，我國政府經(jīng)過多年的考察及調(diào)研，許多城市已經(jīng)開始實施城市地下軌道交通工程以及城際間軌道交通工程。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的強力支持下，交流傳動系統(tǒng)以其固有的優(yōu)越性，在軌道牽引領(lǐng)域、尤其是在地鐵等原來由直流電網(wǎng)供電的電動車組中的應用得到迅猛發(fā)展。用于地鐵、輕軌等的DC1500V供電的中壓牽引變頻器，是車輛牽引的重要組建之一。其發(fā)展對于整個城市軌道交通有著重要的意義。目前我國交流牽引逆變器自主研發(fā)已經(jīng)取得了驕人的成績。但是由于科研院所與生產(chǎn)廠家聯(lián)系不夠緊密導致了我國許多先進技術(shù)還沒有應用到實際。

▲▲ 二、交流逆變器工作原理簡介及其工作過程

交流逆變器首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后用電子元件對直流電進行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。

整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊。平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路?？刂齐娐罚含F(xiàn)在變頻調(diào)速器基本系用16位、32位單片機或DSP為控制核心，從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電路，控制電路由以下電路構(gòu)成:頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”。運算電路的控制信號送至“驅(qū)動電路”以及逆變器和電動機的“保護電路”變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉(zhuǎn)拒控制、PID或其它方式..逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120°電角度的三相交流電壓。

▲▲ 三、關(guān)于交流牽引逆變器的開發(fā)

針對交流牽引逆變器的現(xiàn)狀，目前交流牽引逆變器的開發(fā)主要集中在幾個方面。

首先提高開關(guān)頻率，通過較高的開關(guān)頻率，使交流波形平滑，降低諧波電流。同時要簡化功率電路，減少器件數(shù)量，降低成本;增加可靠性，同時也便于日后維護。同時加強正弦波電流輸出減少電機熱量，通過改進的疊片封裝提供優(yōu)良的磁性能，降低了渦流損耗。達到降低損耗的目的。

1.交流牽引逆變器的開發(fā)設(shè)計思路

新型的交流牽引逆變器的開發(fā)要遵循一定的設(shè)計思路。設(shè)計集約化、模塊化，力求結(jié)構(gòu)緊湊，小型輕量，維修方便。器件按開關(guān)組件或相構(gòu)件形式做成半成品的模塊，通過接插件方式聯(lián)接，盡量不用螺釘、螺母，以方便裝拆； 保證足夠的電磁兼容性，包括抑制對外部的電磁發(fā)射、內(nèi)部各子系統(tǒng)間和各部件間的相互干擾以及抗干擾能力。對于采用如igbt一類的高開關(guān)頻率器件的變流器，還應注意因高的du／dt值通過零部件和線路的雜散電容引起的傳導干擾，以及軸電壓和軸承電流的破壞性作用； 需要在有限的空間發(fā)揮很大的牽引功率，要求更高的功率密度，同時要實現(xiàn)制動能量的回饋；車載運行環(huán)境相對地面靜止環(huán)境在溫度、振動、沖擊、灰塵等諸多方面更加嚴格。牽引變流器負載的特殊性，其應用場合為電機類負載。

2.關(guān)于交流牽引逆變器的設(shè)計分析

在上世紀末軌道交通用交流牽引逆變器主要為兩電平（兩點式）逆變器。雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、脈沖頻率低、電壓上升率也低及損耗小等優(yōu)點，但是其主電路結(jié)構(gòu)復雜，所用器件多出一倍，這是它不足之點。所以在城軌車輛中目前都采用IGBT構(gòu)成的兩電平逆變器，而在干線電力機車中，采用4500V等級或6500V等級的HV IGBT來構(gòu)成兩電平逆變器。當然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點，其將成為交流牽引逆變器發(fā)展的趨勢。

目前的交流牽引逆變器的設(shè)計與開發(fā)主要集中在無吸收電路式、軟門極驅(qū)動、低噪音化的PWM控制、無速度傳感器矢量控制等幾種技術(shù)上。通過這幾種技術(shù)來促進交流牽引逆變器的發(fā)展。

無吸收電路式逆變器，在軌道車輛上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式IGBT模塊比那些非絕緣式的GTO器件就更能體現(xiàn)出滿足這一要求的特點。通過采用低感母線技術(shù)以盡量降低母線的寄生電感來達到抑制關(guān)斷時的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進一步簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，縮小了體積。在1500V網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電壓抑制在2300V以內(nèi)。應用了低感母線技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。

軟門極驅(qū)動技術(shù)，一般高壓IGBT模塊在關(guān)斷時其電壓上升率陡峭可達5000V/μS，通過應用軟門極驅(qū)動技術(shù)可以大大抑制電壓上升率dV/dt，將其降低到2000V/μS，尖峰電壓也控制2300V之內(nèi)。此外，這電壓上升率dV/dt的降低對裝置中工作的各類器件都是大為有利的。

低噪音化的PWM控制，牽引變流器采用變壓變頻的調(diào)速方法，也常將其稱為變壓變頻逆變器（即VVVF）。要實現(xiàn)這一點，要采用脈寬調(diào)制控制方式（PWM），它們主要有：高頻全域異步控制方式，低頻異步、同步并用控制方式，低頻全域異步控制方式和異步擴大控制方式（GTO方式）。采用這些控制方式都會有大量的諧波存在，這些諧波也就是逆變器產(chǎn)生噪聲之源?？梢酝ㄟ^改變高次諧波分布范圍的控制模式，如頻譜擴散控制方式，可以降低電磁噪音。

無速度傳感器矢量控制，對逆變器和異步電機構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)，目前均已采用性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，這些控制中均需要電機速度的反饋信號。由于微電子技術(shù)迅速發(fā)展，計算功能越來越強，也就開發(fā)出采用無速度傳感器的矢量控制技術(shù)。由于取消了速度傳感器，如圖6所示看出，由于軸向距離擴大，這對電機的設(shè)計的靈活性提供了很大的方便。無速度傳感器的矢量控制是通過控制轉(zhuǎn)矩電流以同時實現(xiàn)速度測算和高速轉(zhuǎn)矩響應。這種控制方式的特點是不需要速度傳感器及所帶來的維護工作量，同時有利于提高系統(tǒng)的可靠性及電機設(shè)計的靈活性。從目前電力電子發(fā)展趁勢來看，主牽引逆變器應采用HVIGBT模塊來構(gòu)成，無論其主電路結(jié)構(gòu)還是控制理論與控制技術(shù)，還需要進一步研究、完善及優(yōu)化。因而，交流牽引逆變器的開發(fā)有著廣闊的前景。

▲▲ 四、交流牽引逆變器冷卻系統(tǒng)的開發(fā)

隨著變流裝置功率等級、開關(guān)頻率的不斷提高，即電力電子器件的損耗和熱流密度的不斷提高，對器件的冷卻要求也越來越高。強迫風冷散熱器因結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，可用于中小功率的牽引變流裝置；而水冷系統(tǒng)較為復雜，適合于大功率牽引變流裝置的應用。通常情況下，水冷卻系統(tǒng)由水膨脹箱、水泵、水一空氣熱交換器、離子交換器、被冷卻模塊、管路等組成，為防止水中礦物質(zhì)在管道中生成水垢，可采用去離子（鈣離子、鎂離子、鈉離子）蒸餾水等。水膨脹箱內(nèi)的冷卻介質(zhì)由水泵運往主變流器外的熱交換器，經(jīng)由熱交換器冷卻后流回主變流器，然后流入并聯(lián)連接的四象限整流器及三相逆變器的各相構(gòu)件模塊，將功率器件發(fā)出的熱量帶走，接下來注入水膨脹箱，再由水膨脹箱泵運往熱交換器，如此循環(huán)往復。冷卻回路所并聯(lián)的離子交換器是用來保證冷卻介質(zhì)的絕緣強度，在循環(huán)過程中，部分冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器去除離子。在一定的時間內(nèi)，所有的冷卻介質(zhì)都經(jīng)過了去離子處理。此外，冷卻系統(tǒng)還裝有溫度、壓力、水位、電導率等傳感器和保護開關(guān)，以確保安全。水冷卻系統(tǒng)的缺點是系統(tǒng)較復雜，體積和質(zhì)量較大，設(shè)備費用較高，維修也較困難。在機車上，當主變流器采用水冷卻時，輔助變流器、供電整流器、空調(diào)電源甚至牽引電機均可采用水冷方式。當冷卻系統(tǒng)共用時，冷卻系統(tǒng)不會因為被冷卻部件的增加而增加更多的體積和部件，充分體現(xiàn)水冷的優(yōu)點。

▲▲ 結(jié)論：

城市軌道建設(shè)關(guān)系到我國經(jīng)濟的發(fā)展，因此加快我國交流牽引逆變器的的開發(fā)與生產(chǎn)、為機車“心臟”注入新鮮血液是目前我國逆變器生產(chǎn)企業(yè)的首要任務。通過不斷的研究與發(fā)展，促進我國軌道交通事業(yè)的不斷進步。為了更好的促進軌道運輸?shù)陌l(fā)展，以及適應網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來的便利，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與機車控制相結(jié)合。建立機車控制網(wǎng)絡(luò)平臺，主逆變器由牽引控制單元（tcu）控制，中央控制單元（ccu）負責對機車進行全面管理。所有電子控制裝置、顯示器等都通過mvb相連，最終實現(xiàn)車輛控制的網(wǎng)絡(luò)化。

參考文獻：

[1]張淑娜.電力牽引逆變器與控制[J].西安鐵路技術(shù)發(fā)展，2005，6.

[2]陳林.我國交流電力牽引發(fā)展概述[M].遼寧教育出版社，2002，3.

[3]吳偉.交流牽引逆變器開發(fā)導論[M].蘭州科技出版社，2005，11.

[4]張偉民.電力牽引技術(shù)[J].科學發(fā)展雜志社，2004，9.

[5]梁麗.交流牽引技術(shù)開發(fā)與設(shè)計[J].信息科技周刊，2006，2.

（責任編輯：羅云鳳）