地铁车辆电气牵引系统直流侧电流谐波的研究

【摘要】想要加深对地铁车辆电气牵引系统的了解，首先要对牵引系统直流侧电流及其谐波等进行分析推导，在国内城市轨道交通逐渐完善的大背景下，本文简单概述了地铁车辆电气牵引系统后，又对牵引逆变器直流侧电流谐波进行了深入估算分析。

【关键词】直流侧电流 牵引逆变器 谐波分析

现阶段，国家城市轨道建设已经步入正轨，国内大部分轨道交通普遍采用直流供电为主要能源，同时积极展开队牵引逆变器的研究，开发出以牵引逆变器产生的直流侧电流谐波为主要能源的电气牵引系统结构。从目前城市地铁车辆电气牵引系统的现状入手，分析牵引逆变器的主要特点以及对直流侧电流谐波的作用。

一、地铁车辆电气牵引系统简述

直流供电作为地铁车辆电气牵引系统的典型供电结构，目前国家城市轨道上进行运输作业地铁车辆广泛应用。地铁车辆运行是通过应用逆变器向牵引电机供电的基本原理，给运行车辆提供动力，保障车辆安全行驶。通常使用两电平电压型的逆变器同时给四台牵引电机进行动力传输，而牵引电机的类型一般选取三相交流牵引电动机。以一般车辆运行所需的1500V直流电往为例，首先由二极管布控整流电路进行传输，在确保电网网压始终在1000-1800V的数据上下浮动后，直流电会被电弓引入低通滤波器，自动变成较为恒久稳定的直流电压。然后接收直流电压的三相交流牵引电动机，通过脉宽调制控制内部的大功率导体部件的开通和关断来将接收到的电压变成牵引电动机真正所需的变压变频的交流电，最后将交流电通过机械传动机构输送能量给地铁轨道车辆的动轮上，驱动车辆行驶前进。

在牵引系统中还要安装预充电电阻、预充电接触器等零部件，预充电电阻是用来限制直流电传输过程中产生的电容，而接触器则是使预充电电阻真正应用到电路中的存在。在牵引系统中最为重要的存在是由滤波电感和支撑电容所构成的低通滤波器，这种滤波装置不仅作为一个承载过渡运输部件，电网电流在通过此部件后，可以有效降低电压波动在后期对逆变器可能产生不良影响的概率，还能够最大程度的限制负载谐波电流进入电网，从而减使铁车辆上其他电子仪器不被负载谐波电流所干扰。除此之外，滤波电感可以降低电流的速度，防止上升过快出现短路，而支撑电容还为牵引电机提供无功功率。当系统传输动力过程一旦网压超过1800V时，牵引系统会自动对电阻能耗还是制动，让网压重新回到稳定值的范围。

二、地铁车辆电气牵引系统直流侧电流谐波的分析

地铁车辆行驶过程中，所谓牵引系统的直流侧电流谐波分析主要就是对牵引逆变器的研究。现阶段国家地铁车辆上所使用的牵引逆变器大多数是两电平电压型逆变器，这种逆变器的主要电路由两个不同的逆变器单元组成。每个单元对应两台牵引电动机，就可以做到上文中所说两电平电压型的逆变器同时给四台牵引电机进行动力传输这一过程，逆变器的主要模块采用冷却热管散热器运作过程中形成的风的独特冷却方式进行运作。国家目前所使用的TGN51J型号的逆变器是在原有的牵引逆变器的基础上改造而成，将原有逆变器中的两个单元组合一个逆变器单元，在输出过程中进行分流，通过安装两个交流器模块分散传输给四个牵引电机，新型逆变器的创新改造使得原有的输出容量增加到530KVA，而合成后的逆变器单元极大地减轻了在控制和通讯上的难度。在新型逆变器中安装的交流器模块中包含了热管散热器、门控单元等机械化零件，最大程度的改善了电压传输过程中可能会出现的问题，做到了传输标准化、模块细致化。新型逆变器独具特色的模块化的处理方式，使得逆变器安装过程简化，拆卸和维修技术也相对简单，同时，新型逆变器还合理应用了电子信息技术和无污染的再生制動等其他新兴技术，积极响应国家现阶段推行的科学发展观政策，做到了系统控制信息化、网络化。

然而，新型逆变器本身的保护特性，导致逆变器元件故障时，逆变器自动让输出的直流电压超过或者低于限定范围来防止主电路由于电机过热造成的故障或者短路现象。国家科研人员发现这一技术在实际应用的过程中，逆变器输出的直流侧电流中带有大量的谐波电压，这种谐波电压运输到牵引电机中不会被消除，反而会造成牵引电机负载，最终输送到地铁车辆时严重影响地铁车辆行驶的安全性。科研人员对这种现象进行了一系列的实验，最终得出就是逆变器在正常运作的过程中，传输交流电压通过牵引电机时，也一定会在逆变器的输出口产生不同容量的谐波电流成分。即使是最低成分的直流电流也会产生六倍的谐波电流，这样的比例，就要求在逆变器的输送端口安装滤波器，来过滤掉逆变器所产生的谐波电流。如果不对谐波电流的输送加以控制，导致大量谐波电流进入牵引电机，并且蔓延到各个传输电路中去，在杂散电容和电感的相互作用下，产生大量的电磁对系统进行干扰，导致系统运行过程中出现故障，也有可能产生振荡现象，震荡过程中产生的高频成分，破坏系统自身的保护功能。系统在被破坏的情况下，无法保证地铁车辆继续行驶，地铁车辆的安全性极大地降低。因此，地铁车辆电气牵引系统必须安装可以过滤谐波电流的低通滤波器装置，防止因为谐波电流过量产生的电磁干扰和振荡现象。

三、总结

通过对地铁车辆电气牵引系统直流侧电流谐波的分析，得出当牵引电机消耗了一定量的有功功率时，电网会自动提供牵引电机所需要的直流电流，牵引逆变器被控制了变压变频的同时也会把丰富的谐波带走，形成的稳定状态的分量。因此在牵引系统中，短暂状态的谐波电流可以维持的时间长短会被滤波器的参数所影响等结论。

参考文献：

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作者简介：凌广福（1986-），男，汉族，广西北流市人，南宁轨道交通集团运营分公司，电力系统，本科，助理工程师。endprint