城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展綜述

劉超

摘 要： 社會的進一步發(fā)展以及人們逐漸追求低碳出行的環(huán)保理念，對國家完善公共交通體系的構(gòu)建具有重要的推動作用，而城市軌道交通是組成公共交通體系的主要組成部分，一般具有固定線路和運行軌道以及專門運輸服務(wù)的公共交通就是所謂的城市軌道交通。當前在我國現(xiàn)代化進一步深入的情況下逐漸大力的推廣和應(yīng)用城市軌道交通，使其發(fā)揮著更加重要的作用，對整個國家都具有積極的意義。而電氣傳動系統(tǒng)是城市軌道車輛中的重要組成部分，只有合理的使用電氣傳動系統(tǒng)，才能為其正常運行提供有利的保障，因此本文主要是綜述了城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞： 城市軌道車輛；電氣傳動系統(tǒng)；發(fā)展

前言：由于不斷推進城市化進程大大增加了城市人口和車輛的數(shù)量，從而將交通擁堵的現(xiàn)象引發(fā)出來，尤其是上下班高峰期，嚴重的交通擁堵情況對居民造成了很大的困擾。在這樣的情況下城市軌道交通由于一系列的優(yōu)點，如較快的速度、節(jié)能環(huán)保以及較大的運輸能力等方面逐漸被居民所認可和接受。米志宏在研究中指出軌道車輛是城市軌道交通的主要支撐點，其運行是在獨立的軌道上，而且離不開相應(yīng)的電氣系統(tǒng)，城市軌道交通要想長期安全的運行必須要保證電氣傳動系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且軌道車輛的質(zhì)量是由電氣傳動系統(tǒng)的技術(shù)水平直接體現(xiàn)的[1]。所以具體研究城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)具有重要的意義。

1、電力傳動系統(tǒng)發(fā)展論述

從城市軌道交通車輛的驅(qū)動電動機方面來說，直流和交流傳動是電氣系統(tǒng)的兩種主要類型，前者具有較為復(fù)雜的電動結(jié)構(gòu)，但是具有相對簡單的控制原理；后者雖然具有較為簡單的結(jié)構(gòu)，但是在控制性能等方面的技術(shù)難度較大。從直流到交流的過程就是電力電子器件的發(fā)展過程。

吳天皓指出從直流斬波到相控調(diào)壓質(zhì)變發(fā)展的主要節(jié)點是半控型晶閘管的出現(xiàn)，在20世紀90年代中后期德國地鐵車輛中已經(jīng)開發(fā)和廣泛應(yīng)用電流型逆變器異步電機的交流傳動系統(tǒng)；電壓型逆變器的變壓變頻交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展是由可關(guān)斷晶閘管出現(xiàn)和發(fā)展來推動的，同時其使歐洲先進國家將直流傳動的機車車輛逐漸停止生產(chǎn)[2]。電壓驅(qū)動全控型器件主要包括GTO和BJT，其進一步提高了器件的性能，同時更加充分的發(fā)揮出交流傳動的優(yōu)勢，隨著后續(xù)的不斷發(fā)展，在機車車輛上的逐漸被IGBT所代替。

2、牽引變流器的發(fā)展情況

2.1車輛用IGBT逆變器的發(fā)展

范偉媛在研究中指出德國和日本曾經(jīng)在750V和1500V的電網(wǎng)中應(yīng)用1200V和1700V等級IGBT構(gòu)成的三點式逆變器，在后續(xù)生產(chǎn)與使用過程中，逐漸將電壓級別器件構(gòu)成的兩點式逆變器應(yīng)用到1500V的電網(wǎng)中，隨著技術(shù)的不斷完善，在20世紀末，HVIGBT構(gòu)成的兩電平逆變器已經(jīng)被國際生產(chǎn)地鐵和輕軌等軌道車輛的公司所應(yīng)用[3]。同時三電平逆變器也是存在的，這種逆變器具有較低的電壓上升率和更好的輸出波形等優(yōu)勢，但是由于具有比較復(fù)雜的主電路和較高的成本，所以在實際的生產(chǎn)過程中主要使用IGBT構(gòu)成的兩電式逆變器。

2.2無吸收電路式逆變器

夏兵在研究中發(fā)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)、較小的體積和較輕的重量等方面是軌道車輛對相應(yīng)裝置的具體要求，而絕緣式的IGBT模塊可以使這些需求得以更好的滿足，而且通過低感母線技術(shù)的應(yīng)用可以將母線的寄生電感大大降低，從而使關(guān)斷時抑制尖峰電壓的目的得以實現(xiàn)，使逆變器可以吸收電路的情況消失，這樣不但可以將裝置的結(jié)構(gòu)進一步簡化，同時可以將裝置的重量和體積進一步減輕和縮小，該技術(shù)應(yīng)用到1500V網(wǎng)壓下，可以在2300V以內(nèi)抑制其尖峰電壓[4]。

2.3低噪聲化的PWM控制

涂漢卿在研究中指出牽引變流器所使用的調(diào)速方法是變壓變頻，變壓變頻逆變器是其主要構(gòu)成，其中高頻全域異步控制方式、低頻全域異步控制方式和異步擴大控制方式等這些控制方式是脈寬調(diào)制控制主要使用的方式，但是在這些控制方式中會存在大量的諧波，這是逆變器產(chǎn)生噪聲的主要原因[5]。針對這種狀況要想將電磁的噪聲降低，則需要通過對高次諧波分布范圍的控制模式進行改變，如可以對頻譜擴散的控制方式進行改變等。

2.4無速度傳感器

在旋轉(zhuǎn)矢量與直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)控制的逆變器和異步電機構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)中，電機速度的反饋信號是這些控制技術(shù)的主要支撐點。隨著微電子技術(shù)發(fā)展速度的不斷加快大大加強了其計算功能，從而將無速度傳感器的矢量控制技術(shù)開發(fā)出來。由于將速度傳感器取消，使軸向之間的距離進一步增加，這對設(shè)計電機工作具有重要的作用。胡兵在研究中指出在使用無速度傳感器矢量控制技術(shù)的過程中要對轉(zhuǎn)矩電流進行控制，其主要目的是使測算速度和高速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等工作得以更好的完成。這一技術(shù)使維護和管理速度傳感器等工作量大大減少，同時可以使電氣傳動系統(tǒng)對可靠性和靈活性等方面的需求得以滿足[6]。

2.5全電制動停車

當前停車系統(tǒng)的停車任務(wù)主要是通過氣制動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，但是在軌道車輛低速行駛的過程中這種制動方式的穩(wěn)定性較差，其造成客室內(nèi)的晃動感非常的明顯和強烈，從而對乘客的乘車舒適度方面造成不利的影響。陶生桂認為針對這種問題全電制動停車系統(tǒng)可以將問題合理的解決，這一停車系統(tǒng)技術(shù)主要是在原有的制動系統(tǒng)上發(fā)展起來的，該技術(shù)不但可以將停車的精度大大提升，同時可以將停車產(chǎn)生的沖擊感和損耗情況大大減少，逐漸降低制動的噪聲，這些優(yōu)點都可以使乘客較高的乘車需求得以滿足，從而可以將車輛的行駛質(zhì)量大大提升[7]。

2.6軟門極驅(qū)動技術(shù)

康勁松在研究中發(fā)現(xiàn)在關(guān)斷5000V/μs的IGBT模塊時電壓上升率陡峭，而通過軟門極驅(qū)動技術(shù)的使用可以將其電壓的上升率降低到2000V/μs以內(nèi)，而且可以在2300V內(nèi)控制其尖峰電壓，通過降低電壓上升率對裝置中各種器件都會產(chǎn)生有利的影響。另外IGBT的損耗情況也可以通過軟門極驅(qū)動技術(shù)來降低[8]。

結(jié)論：由此可見，通過使用城市軌道交通可以將人們出現(xiàn)的便利性大大提升，將我國大部分城市交通擁擠情況良好的改善，同時將更加環(huán)保和便捷的出行方式提供給城市居民。在研究中發(fā)現(xiàn)車輛電氣系統(tǒng)是城市軌道交通的主要技術(shù)支撐點，隨著科學技術(shù)水平的不斷提高逐漸出現(xiàn)了更多關(guān)于軌道車輛技術(shù)的研究成果，這為城市軌道交通的進一步發(fā)展提供了有利的保障。要想將城市軌道交通的發(fā)展水平不斷提升，需要相應(yīng)的技術(shù)工作人員，根據(jù)我國的具體情況和城市軌道交通發(fā)展的狀況將新型的技術(shù)盡快的研發(fā)出來。研發(fā)的新型技術(shù)不但技術(shù)水平要高，同時要具有獨立的知識產(chǎn)權(quán)，只有這樣才能為我國城市軌道交通的發(fā)展提供有利的保障。

參考文獻

[1]米志宏.城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2017（15）：17.

[2]吳天皓.城市軌道交通中車輛電氣傳動系統(tǒng)的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2016，23（10）：89.

[3]范偉媛.城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展[J].黑龍江科技信息，2015，21（08）：13.

[4]夏兵.城市軌道交通車輛電氣系統(tǒng)的研究[J].科技與企業(yè)，2014，16（05）：261.

[5]涂漢卿.昆明地鐵首期工程車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道工程學報，2012，29（12）：85-89.

[6]胡兵.機車車輛制動系統(tǒng)系列產(chǎn)品[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016，18（02）：43-47.

[7]陶生桂.城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].電力機車與城軌車輛，2017，31（02）：1-5+22.

[8]康勁松.城市軌道交通電動車組電力電子器件與變流器發(fā)展趨勢[J].城市軌道交通研究，2016，26（02）：20-24.