城軌車輛牽引電源的專利技術(shù)路線研究

歐陽麗

摘 要 本文介紹了城市軌道交通領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)分支城軌車輛牽引電源。通過對城軌車輛牽引電源相關(guān)的技術(shù)路線進(jìn)行分析和解讀，以期為我國城市軌道交通列車牽引的技術(shù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 軌道交通;牽引電源;專利技術(shù)路線

前言

城市軌道交通是在不同類型軌道上運(yùn)行的大、中運(yùn)量城市公共交通工具，是一種在城市公共客運(yùn)交通中起骨干作用的現(xiàn)代化交通系統(tǒng)。相比城市道路交通，城市軌道交通以其運(yùn)能大、快速準(zhǔn)時(shí)、安全性高、能耗低、污染少、用地省等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為各國綜合交通運(yùn)輸體系建設(shè)的重點(diǎn)。城軌車輛作為軌道交通中的運(yùn)輸載體，是確保城市軌道交通安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵裝備之一。牽引系統(tǒng)電源作為是城軌車輛的動(dòng)力來源，其涉及電力電子、微機(jī)原理、電機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域，在一定程度上代表著城市軌道交通裝備的技術(shù)水平[2]。

因此，本文將城軌車輛牽引電源作為城市軌道交通領(lǐng)域重點(diǎn)研究的技術(shù)分支，對城軌車輛牽引電源的技術(shù)路線進(jìn)行分析，為相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)研發(fā)、專利申請布局提供參考。

1城軌車輛牽引電源的專利技術(shù)路線

城軌車輛牽引電源，早在1935年就由英國湯姆遜休斯頓有限公司（BRITISH THOMSON HOUSTON CO LTD）在GB429575 中提出，其電源變換器中包括放電裝置，可以選擇性地替代出現(xiàn)故障的整流器或逆變器;這與世界上最早的電力牽引地鐵在英國倫敦建成一致。

阿爾斯通公司（ALSTOM）作為全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的先驅(qū)，分別于1980年、1983年提出專利申請F(tuán)R8007542和EP84103338 ;其中FR8007542提供一種晶閘管逆變器的功率調(diào)節(jié)器，通過感應(yīng)電源電壓和輸出電流以控制晶閘管觸發(fā)時(shí)間，EP84103338使用斬波器消光電路來切換牽引制動(dòng)晶閘管，從而控制異步電動(dòng)機(jī)速度。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)速度高、損耗小、耐脈沖電流沖擊的絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊迅速發(fā)展，逐漸代替晶閘管進(jìn)入人們的視線。日本東芝公司（TOSHIBA CORP）于1991年提交的專利申請JP8815991A，首次采用高速開關(guān)元件IGBT構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換裝置的上、下臂，與IGBT對應(yīng)的緩沖電阻器或緩沖電容器非常接近IGBT地布置以獲得低電感;從而可以抑制浪涌電壓、減小尺寸和重量，并且還可以實(shí)現(xiàn)低噪聲。同年株式會社日立公司提交的專利申請JP30151291A，提出一種將直流電壓轉(zhuǎn)換為具有至少三個(gè)不同電平電位的交流相電壓的電力變換器裝置，該變換器的輸出電壓可以從零電壓連續(xù)平滑調(diào)節(jié)到最大電壓。此后日立公司還就該三電平輸出變換器，于1992年、1993年、1996年分別提交了專利申請JP10426092、JP21718593、JP15369996，從控制每個(gè)開關(guān)工作電流以使得熱量產(chǎn)生均勻、具有平衡直流成分裝置的三電平電力變換器從而限制電壓輸出的不平衡、可高穩(wěn)定且準(zhǔn)確地判定電容器容量降低的三電平電力變換器三面進(jìn)行了改進(jìn)。

牽引系統(tǒng)的功率不斷上升，電壓的控制要求也越來越高。法國阿爾斯通公司（ALSTOM）于2002年提交的專利申請F(tuán)R0200551、FR0200552，針對電源變換器中IGBT元件不能耐高壓，提出一種以光電導(dǎo)金剛石襯底連接開關(guān)端子的矩陣變換器，包括一個(gè)開關(guān)矩陣將電壓源與電流源相連，每個(gè)開關(guān)有兩個(gè)置于各自獨(dú)立的平行平面上的端子，和一個(gè)置于開關(guān)的兩個(gè)端子之間的光電導(dǎo)金剛石襯底，每個(gè)開關(guān)通過一個(gè)光源照射置于開關(guān)的兩個(gè)端子間的金剛石襯底來控制;其能在高電壓工作而體積緊湊。

此后，德國西門子公司（SIEMENS）于2008年提交的專利申請EP08873419，提出帶有分布儲能器的多相變換器的方法，可在低輸出頻率到直流工作模式下進(jìn)行工作，有效控制了電壓紋波、導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。中國株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司于2008年提交的專利申請CN200810000169，提出采用抽屜式結(jié)構(gòu)，通過改變高壓IGBT元件的型號和數(shù)量，可以很容易實(shí)現(xiàn)不同功能和功率等級的變流器模塊，使變流器模塊結(jié)構(gòu)更緊湊，方便安裝和維護(hù)，散熱性能好。株式會社日立公司于2009年提交的專利申請JP2009136808，通過設(shè)置自立框架，半導(dǎo)體元件與濾波電容器被收納在公共的框體內(nèi)，濾波電容器、半導(dǎo)體元件成為相互被固定的一體構(gòu)造，提供一種能夠提高訪問性、維護(hù)性且實(shí)現(xiàn)小型化的電力轉(zhuǎn)換裝置，降低熱影響。龐巴迪公司（BOMBARDIER PRIMOVE GMBH）于2012年提交的專利申請EP13737177，其采用連接逆變器、電機(jī)和接收設(shè)備的無源電路布置，在給定充電頻率下，由第一傳輸電路提供的阻抗高于預(yù)定的第一阻塞阻抗，并且由第二傳輸電路提供的阻抗低于預(yù)定的第二傳遞阻抗;從而減小在充電模式和操作模式期間控制能量流或電流的復(fù)雜性，減小了能量損耗。

2結(jié)束語

通過對城軌車輛牽引電源的專利技術(shù)路線進(jìn)行梳理不難看出，城軌車輛牽引電源變換系統(tǒng)主要經(jīng)歷了從晶閘管到IGBT的變遷，這使得牽引電源輸出控制的精度更高。此后，國內(nèi)外幾大牽引系統(tǒng)供應(yīng)商的研究方向主要集中在如何降低損耗、方便散熱、減小體積幾個(gè)方面。隨著全球城市化的迅速發(fā)展，城軌車輛牽引電源技術(shù)已較為成熟。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅欽.城市軌道交通概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社， 2017，8.

[2] 趙雷廷.地鐵牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵控制技術(shù)及性能優(yōu)化研究[D].北京交通大學(xué)，2014：21-23.