城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術(shù)性發(fā)展路徑分析

陳虎++王洪蓮

摘 要：城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市軌道交通作為構(gòu)成城市整體結(jié)構(gòu)的重要組成，在城市發(fā)展的過程中具有重要作用。在城市軌道交通當(dāng)中，構(gòu)成的環(huán)節(jié)有很多，牽引逆變器是其中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了對(duì)城市軌道交通更好的了解，本文對(duì)城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術(shù)性發(fā)展路徑進(jìn)行了分析，對(duì)各個(gè)基礎(chǔ)模塊進(jìn)行分析。并最終通過實(shí)際裝車考核，為我國城市軌道交通更好的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車輛牽引逆變器；技術(shù)性發(fā)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(yōu)勢得到告訴關(guān)注。我國城市軌道交通的經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段，城市軌道交通各個(gè)方面有了明顯的提升，各項(xiàng)基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)與制造系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)與制造。

1 城市軌道交通的發(fā)展概況

伴隨著城市化進(jìn)程的持續(xù)性推進(jìn)與國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，城市人口的規(guī)模逐漸增大。公共交通運(yùn)輸量壓力增加，傳統(tǒng)的城市公共交通系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足城市客運(yùn)量的基礎(chǔ)要求。技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，具備大運(yùn)量能力的軌道交通逐漸成為城市公共交通得以快速發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中就對(duì)其進(jìn)行了解釋：利用電力能源為主要?jiǎng)恿?，通過輪軌的方法對(duì)人或無進(jìn)行運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ摺．?dāng)前階段嗎，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的軌道交通，如地鐵、輕軌等為我國城市的發(fā)展提供了重要幫助。

城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口逐漸增多，這就要求具備便捷性與可達(dá)性的客源交通工具逐漸發(fā)揮出其自身應(yīng)具備的價(jià)值，滿足高效率出行的基本要求。在當(dāng)今世界范圍內(nèi)，發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一個(gè)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(huán)境，增加了社會(huì)公共服務(wù)質(zhì)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(diǎn)，如占地面積小、運(yùn)輸量大等，正是這些特點(diǎn)的存在，使其成為了城市交通中的關(guān)鍵組成環(huán)節(jié)。同時(shí)，每一個(gè)單位的運(yùn)輸量的能源消耗較少，能源節(jié)約率較高。乘客的乘坐體驗(yàn)性良好，優(yōu)勢顯著，有效緩解交通擁堵現(xiàn)象的產(chǎn)生。

近年來，我國對(duì)城市交通軌道進(jìn)行劃分時(shí)，同時(shí)是根據(jù)空間的分布進(jìn)行劃分的，可以將其分為以下三個(gè)部分：（1）地下城市交通軌道系。這一系統(tǒng)當(dāng)中，由桑格子系統(tǒng)構(gòu)成，其中輪軌系統(tǒng)最為重要，膠輪自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)次之，最后為重要程度最輕，但也不能忽視的攪動(dòng)系統(tǒng)；（2）地面城市軌道交通系統(tǒng)。這一系統(tǒng)當(dāng)中，主要由兩部分組成，一是之前建設(shè)的有軌電車，二是近年來信建設(shè)的纜車系統(tǒng)等；（3）高架城市軌道交通系統(tǒng)。這一系統(tǒng)當(dāng)中具有中低速磁懸浮交通系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。在這些城市軌道交通的空間區(qū)域劃分中，地下城市軌道交通發(fā)展速度迅猛[2]。

2 城市軌道車輛牽引逆變器的發(fā)展歷程

城市軌道交通車輛牽引電氣系統(tǒng)中，牽引逆變器具有重要的作用，即車輛當(dāng)中的直、交、變流設(shè)備，對(duì)車輛的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。因此，在城市軌道交通當(dāng)中，這一設(shè)備相當(dāng)于人體的心臟，其性能的好壞，直接影響到交通軌道的各項(xiàng)性能。從上世紀(jì)90年代開始，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了電子技術(shù)的更新與完善，特別是大功率電子方面，發(fā)展的速度更快，從而為牽引逆變器的完善打下了良好基礎(chǔ)。在牽引逆變器的發(fā)展過程中，經(jīng)過了三個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期為半空型晶閘管（SCR）時(shí)期，第二個(gè)為全控型晶閘管（GTO）時(shí)期，最后一個(gè)為絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）時(shí)期，使逆變器的性能越來越高，現(xiàn)階段的逆變器當(dāng)中，體現(xiàn)出了頻率高、損耗小等特點(diǎn)[3]。正是這些特點(diǎn)的存在，不論是對(duì)運(yùn)輸部門，還是制造廠家來說，在城市交通建設(shè)過程中，占據(jù)了很大的優(yōu)勢，主要包括以下兩點(diǎn)：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(tǒng)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，門極控制電路得到簡化。

IGBT應(yīng)用狀況良好，逐漸在牽引傳送領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮出主導(dǎo)作用。在大功率的軌道交通中IGBT得到快速的推廣，并將其進(jìn)行了大量的應(yīng)用。在應(yīng)用的過程中可以發(fā)現(xiàn)，逆變器在之后的發(fā)展當(dāng)中，主要想著以下幾個(gè)方面發(fā)展：（1）積極主動(dòng)地利用IGBT為開關(guān)元件；（2）精簡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以模塊的形式體現(xiàn)出來；（3）減少系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音；（4）性能得到保證的前提下，降低消耗的能源[4]。當(dāng)前階段牽引器發(fā)展的過程中，主要向著三個(gè)方向發(fā)展，分別為凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)壓以及調(diào)頻調(diào)壓三個(gè)方式，這三個(gè)方式當(dāng)中，具有很多的優(yōu)勢與技術(shù)特征，被廣泛的應(yīng)用于世界各國新建地鐵、軌道系統(tǒng)中。

3 城市軌道車輛牽引逆變器的主體構(gòu)成

對(duì)城市軌道車輛牽引逆變器的技術(shù)性發(fā)展展開研究，需要分析其主體構(gòu)成，以便于在拆解分析之后做好系統(tǒng)的分析工作，主體構(gòu)成主要分為主電路、牽引逆變器平臺(tái)、變流器模塊及冷卻模塊四個(gè)部分。

3.1 主電路

在逆變器當(dāng)中，主電路是其中最主要的一個(gè)部分，其中主要包括兩個(gè)部分，分別為變流器系統(tǒng)與牽引電機(jī)，根據(jù)兩者之間的數(shù)量控；方式的不同，可以將其分為三種形式：（1）由1個(gè)變流器系統(tǒng)，4個(gè)牽引電機(jī)構(gòu)成，利用車控的方式進(jìn)行控制的，（2）由2個(gè)變流器系統(tǒng)，4個(gè)牽引電機(jī)構(gòu)成，利用架空的方式進(jìn)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(yōu)勢，當(dāng)一個(gè)彼岸流兮系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，能夠即使的將其從整個(gè)系統(tǒng)中切除，利用其他的系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，使車輛可以正常的形式下去，減少了系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中消耗的能源。并且，兩個(gè)牽引逆變器處于分開控制的狀態(tài)，對(duì)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(diǎn)，則是在增加多部件的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)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(gè)變流器模塊驅(qū)動(dòng)4臺(tái)牽引電機(jī)的車控方式的主電路[5]。在主電路當(dāng)中利用這種方式，不僅電路較為簡單，能夠降低生產(chǎn)的成本，而且應(yīng)用的接觸器不是很多，使整個(gè)逆變器的穩(wěn)定性與可靠性更強(qiáng)。但由于粘著過緊，如變流器出現(xiàn)問題后，不能快速的將其隔離出來，動(dòng)力處于全部損失狀態(tài)。結(jié)合以上各種典型主電路的優(yōu)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(tǒng)化平臺(tái)

現(xiàn)代技術(shù)水平的快速發(fā)展，國內(nèi)城市軌道交通已經(jīng)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展模式，軌道交通的形式也發(fā)生改變，由最初的軌道的地鐵一種形式轉(zhuǎn)化為多種軌道形態(tài)。而且，在發(fā)展的過程中，正向著多樣化的方向發(fā)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(jù)城市軌道交通的自身要求可以進(jìn)行更改，具體選擇車控還是架控。逆變器簡統(tǒng)化平臺(tái)具備安裝便捷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)平臺(tái)中一些不見的改變，能夠?qū)⑦@一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。對(duì)其進(jìn)行改變時(shí)。尺寸與外形具體確定為2400mm×883mm×600mm，設(shè)置8個(gè)吊耳，每一個(gè)吊耳設(shè)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(diào)節(jié)，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(hù)。

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(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊單元，作為主流的設(shè)計(jì)方向，與傳統(tǒng)的變流器設(shè)計(jì)相比較而言，IGBT變流器模塊化具有諸多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）內(nèi)部采用繼承的方式構(gòu)成的，占用的空間較少，縮減了整個(gè)設(shè)備的提及；（2）適用性能較為良好，不僅能夠被應(yīng)用于脈沖整流器中，還能夠應(yīng)用到逆變器中：④研發(fā)周期被縮短，開發(fā)費(fèi)用降低，減少用戶備品數(shù)量，產(chǎn)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(xiàn)在性能方面的優(yōu)勢得到重視，性能模塊日趨完善。變流器模塊的應(yīng)用主要包括熱管散熱器、IGBT元件、溫度繼電器、門極驅(qū)動(dòng)單元、支撐電容、復(fù)合低感母排以及門極驅(qū)動(dòng)電源等，是一個(gè)結(jié)構(gòu)高度集成、功能相對(duì)獨(dú)立的功率模塊。

3.4 冷卻模塊

從當(dāng)前很多大功率的變流器的冷卻系統(tǒng)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(tǒng)本身來看，該系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要配置水泵、熱交換器等多種輔助設(shè)備，以此來保證水冷系統(tǒng)發(fā)揮作用。且該系統(tǒng)對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)的要求較高，需要避免出現(xiàn)漏水、斷水等情況的產(chǎn)生。傳統(tǒng)實(shí)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(fēng)量，可通過增大基板、主干、分支肋等方式來實(shí)現(xiàn)，這種散熱方式既消耗金屬材料，也會(huì)受到金屬傳導(dǎo)率低的影響。針對(duì)這種現(xiàn)象，本次分析城市軌道交通牽引逆變器的技術(shù)性發(fā)展，主要采用時(shí)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(zhì)，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部溫度升高后，液體就會(huì)出現(xiàn)汽化的現(xiàn)象，吸收了設(shè)備內(nèi)部的熱量，從而降低了設(shè)備內(nèi)部的溫度。同時(shí)，當(dāng)液體汽化之后，氣體會(huì)進(jìn)入到冷凝管當(dāng)中，通過液化的方式，將其轉(zhuǎn)換回液體，并傳回到冷卻管中，形成一個(gè)液體相變循環(huán)，從而達(dá)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(yōu)越，冷卻的效果更好[7]。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通已經(jīng)得到應(yīng)有重視，成為推進(jìn)城市化進(jìn)程的關(guān)鍵性構(gòu)成要素。在城市軌道交通當(dāng)中，牽引逆變器性能的好壞，會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。因此，本文研究當(dāng)中，對(duì)以往的逆變器進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并已投入運(yùn)營多個(gè)地鐵項(xiàng)目當(dāng)中，應(yīng)用效果顯著。根據(jù)在多個(gè)大中型城市的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)階段對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，為我國城市軌道交通更好的發(fā)展提供了重要的幫助。但不能滿足于此，要跟隨著時(shí)代的進(jìn)步，不斷對(duì)逆變器進(jìn)行研究，使性能能夠越老越好，在城市建設(shè)中發(fā)揮出更大作用。

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