城市軌道交通車輛的緊湊型牽引變流器應用探討

李巖 吳天昊

摘要：本文研究了緊湊型牽引交流器應用到城市軌道交通中降壓變流的功能。其不僅能夠為軌道交通提供電能，還能夠對電網實現車輛再生制動能量的回饋，使直流供電電壓能夠穩定。本文首先，對緊湊型牽引變流器優勢進行了分析；之后，研究城市軌道交通車輛應用變流器的方案，尋找最優方案；通過實驗對此方案性能進行驗證，最后驗證此變流器的動態及穩態性能。

關鍵詞：城市軌道交流；變流器；牽引供電

中圖分類號：u224 文獻標識碼：HTA

我國城市交通牽引變電所都是利用降壓變壓器及多脈波不控及相控整流電路，使35kV三相交流電降壓整流成為1500V/75OV直流電方式對車輛提供電能。因為二極管整流電路只能夠單方向通過電流，并且開通及關閉不可控，所以其輸出電壓也不可控。在啟動軌道交通車輛的時候，從接觸網接收電流迅速上升，從而導致降低接觸網電壓，以此降低軌道交通車輛供電電源。研究全新的牽引供電交流器方案，能夠提高可靠性，降低開關損耗。

1 緊湊型牽引變流器的優勢

在大部分軌道車輛項目中，車輛在設計過程中的主要問題就是對牽引變流器、變壓器及電機尺寸造成了制約，ABB牽引變流器設備具有設備緊湊及質量較輕的優勢，使車輛在設計過程中能夠充分發揮其自由度。牽引變流器內部的液體冷卻系統是通過ABB開發的技術，并且在發展過程中有了有效優化。溫度在變流器各個部分均勻地分布，以此使功率半導體使用的壽命有效提高。因為其電源模塊的體積較小，并且質量較輕，所以只需要一個人就能夠自由的操作。因為牽引變流器冷卻系統不需要冷卻氣流進入，控制電子單元具有良好的密封性，能夠避免周圍的濕氣、灰塵進入到內部，所以較為潔凈[2]。

變流器內部的器件采用模塊化結構設計，減少了金屬板材的使用。通過合理的劃分電路拓撲結構，將整個系統劃分為不同功能單元，并形成了具有獨立功能并且易于維護的集成模塊。模塊中的電器元件通過銅排與線纜得到了合理布置及連接，相比傳統分散式的電器柜，模塊化設計有效地減小了結構的重量及體積。由于模塊間的電氣連接相對簡單，線纜在柜內沒有重復布置的情況，也進一步減少了整個柜體的電纜用量。模塊化的結構設計可以減小柜體的維護空間，使布局更加緊湊合理，很大程度地減小了變流器的總重量。

2 城市軌道交通車輛應用變流器的方案

2.1 完全使用緊湊型牽引變流器

此方案可以完全使用牽引變流器代替二極管整流器，其能夠創新傳統牽引供電設備模式。此方案電路因為全部為PWM整流電路，其主要優勢為：

（1）輸出直流電壓紋波系數較小，電流攜波含量較低；

（2）直流電壓特性較硬，并且可控；

（3）將制動能量回饋吸收，提高轉換效率，具有良好的節能效果。

但是此方案也存在一定的局限性，因為其變流器一般都是使用全控型電力電子器件作為核心設備，此產品的容量比二極管要小，所以其最大功率較大，投資較大[3]。

2.2 混合方案

結合二極管整流機組，其諧波等技術指標滿足需求。保留二極管整流機組可以發揮的優勢，比如價格較低、容量較大、雙向變流器機組可以負擔相應的整流負荷，以此使二極管整流機組的設計容量得到降低，兩者相互集合，不僅保證供電能力，還能夠回饋能量，并且整體的成本比全部使用緊湊型牽引變流器方案較低。

2.3 無功補償方案

因為緊湊型牽引變流器的結構和SVG基本相同，并且交流側直接接入到中壓系統中，所以不需要對電力硬件及倒閘作業進行調整，在控制程序中就能夠對測量參數和算法進行改變，從而對裝備進行轉變。在不同地點分布的交流器形成此種就地補償模式，能夠降低主變電氣中所集成的補償壓力，夜間線路停運的時間也是此地鐵供電系統中最需要無功補償的時候，緊湊型牽引交流器能夠在無功補償模式中運行，實現地鐵供電系統中無功的補償。其轉換的過程較為便捷，并且具有較高的質量，使設備價值得到了有效地提高。

3 實驗結果

實現牽引供電變流器小功率實驗平臺的設計，控制電路是以TMS320為基礎，并且使用FPGA實現四個通道。其中的額定功率設置為3kVA，三相額定交流輸入電壓設置為380V。圖1為實驗結果。

其中（a）表示變流器在3kW整流情況中的電網相電壓、電網輸入電流的波形及頻譜，（b）指的是變流器在逆變情況下的電網相電壓、電網輸入電流的波形和頻譜。以此表示，電網輸入電流和電網相電壓相位相同，從而能夠表現出單位輸入功率因數。電網輸入電流波形正弦度良好，所以輸入電網不理想的因素和波形，都會具有一定的低次諧波電流。模擬軌道交通車輛從再生制動到加速啟動和從加速啟動轉變到再生制動狀態切換過程中的工作波形，也就是在滿載整流及逆變過程中負載的切換，直流電壓和6.4%不符合，調節時間較短。基于穩態的時候，此牽引供電交流器輸出的電壓紋波較小，并且輸入的電壓較為穩定。

和電阻消耗、逆變吸收等相應的制動能量吸收方式進行對比，緊湊型牽引變流器通過相同的電路能夠有效實現逆變及整流功能，不需要單獨進行制動能量吸收電路的設置，從而有效降低了設備數量及設備的安裝空間，所以在建筑、設備兩個方面共同節約了工程投資。另外，使用緊湊型牽引變流器還能夠在城軌工程等方面具有連帶的影響，從而提高自身的經濟效益。

4 結語

本文對全新城市交通牽引供電緊湊型牽引變流器進行了全面的分析，對相關的策略進行分析。表示使用緊湊型牽引變流器具有較低的開關頻率、較小的電流諧波含量及簡單的諧波等各種優勢，以此創建成為牽引供電系統的小損耗及工作過程中的可靠性，還能夠降低對交流電網造成的諧波污染。通過實驗結果表示，緊湊型牽引變流器具有良好的穩態性能，并且動態的調節過程比較快，不僅能夠對直流電網供電質量進行有效改善，還能夠實現電能的節約。

參考文獻

[1]尹力明，劉俊艷，馮國強，交流變頻控制系統在城市軌道交通車輛中的應用[J].裝備機械，2010（2）：44-50.

[2]李小波，吳浩，翁曉韜，等.地鐵列車可關斷晶閘管牽引變流器綜合測試技術研究[J].城市軌道交通研究，2010，13（9）：17-20.

[3]許愛國，謝少軍.城市軌道交通牽引供電PWM變流器的研究[J].電力電子技術，2009，43（12）：7-9.