城市轨道车辆电气传动系统发展综述

刘超

摘 要： 社会的进一步发展以及人们逐渐追求低碳出行的环保理念，对国家完善公共交通体系的构建具有重要的推动作用，而城市轨道交通是组成公共交通体系的主要组成部分，一般具有固定线路和运行轨道以及专门运输服务的公共交通就是所谓的城市轨道交通。当前在我国现代化进一步深入的情况下逐渐大力的推广和应用城市轨道交通，使其发挥着更加重要的作用，对整个国家都具有积极的意义。而电气传动系统是城市轨道车辆中的重要组成部分，只有合理的使用电气传动系统，才能为其正常运行提供有利的保障，因此本文主要是综述了城市轨道车辆电气传动系统的发展情况。

关键词： 城市轨道车辆；电气传动系统；发展

前言：由于不断推进城市化进程大大增加了城市人口和车辆的数量，从而将交通拥堵的现象引发出来，尤其是上下班高峰期，严重的交通拥堵情况对居民造成了很大的困扰。在这样的情况下城市轨道交通由于一系列的优点，如较快的速度、节能环保以及较大的运输能力等方面逐渐被居民所认可和接受。米志宏在研究中指出轨道车辆是城市轨道交通的主要支撑点，其运行是在独立的轨道上，而且离不开相应的电气系统，城市轨道交通要想长期安全的运行必须要保证电气传动系统的安全性和可靠性，而且轨道车辆的质量是由电气传动系统的技术水平直接体现的[1]。所以具体研究城市轨道车辆电气传动系统具有重要的意义。

1、电力传动系统发展论述

从城市轨道交通车辆的驱动电动机方面来说，直流和交流传动是电气系统的两种主要类型，前者具有较为复杂的电动结构，但是具有相对简单的控制原理；后者雖然具有较为简单的结构，但是在控制性能等方面的技术难度较大。从直流到交流的过程就是电力电子器件的发展过程。

吴天皓指出从直流斩波到相控调压质变发展的主要节点是半控型晶闸管的出现，在20世纪90年代中后期德国地铁车辆中已经开发和广泛应用电流型逆变器异步电机的交流传动系统；电压型逆变器的变压变频交流传动系统的发展是由可关断晶闸管出现和发展来推动的，同时其使欧洲先进国家将直流传动的机车车辆逐渐停止生产[2]。电压驱动全控型器件主要包括GTO和BJT，其进一步提高了器件的性能，同时更加充分的发挥出交流传动的优势，随着后续的不断发展，在机车车辆上的逐渐被IGBT所代替。

2、牵引变流器的发展情况

2.1车辆用IGBT逆变器的发展

范伟媛在研究中指出德国和日本曾经在750V和1500V的电网中应用1200V和1700V等级IGBT构成的三点式逆变器，在后续生产与使用过程中，逐渐将电压级别器件构成的两点式逆变器应用到1500V的电网中，随着技术的不断完善，在20世纪末，HVIGBT构成的两电平逆变器已经被国际生产地铁和轻轨等轨道车辆的公司所应用[3]。同时三电平逆变器也是存在的，这种逆变器具有较低的电压上升率和更好的输出波形等优势，但是由于具有比较复杂的主电路和较高的成本，所以在实际的生产过程中主要使用IGBT构成的两电式逆变器。

2.2无吸收电路式逆变器

夏兵在研究中发现紧凑的结构、较小的体积和较轻的重量等方面是轨道车辆对相应装置的具体要求，而绝缘式的IGBT模块可以使这些需求得以更好的满足，而且通过低感母线技术的应用可以将母线的寄生电感大大降低，从而使关断时抑制尖峰电压的目的得以实现，使逆变器可以吸收电路的情况消失，这样不但可以将装置的结构进一步简化，同时可以将装置的重量和体积进一步减轻和缩小，该技术应用到1500V网压下，可以在2300V以内抑制其尖峰电压[4]。

2.3低噪声化的PWM控制

涂汉卿在研究中指出牵引变流器所使用的调速方法是变压变频，变压变频逆变器是其主要构成，其中高频全域异步控制方式、低频全域异步控制方式和异步扩大控制方式等这些控制方式是脉宽调制控制主要使用的方式，但是在这些控制方式中会存在大量的谐波，这是逆变器产生噪声的主要原因[5]。针对这种状况要想将电磁的噪声降低，则需要通过对高次谐波分布范围的控制模式进行改变，如可以对频谱扩散的控制方式进行改变等。

2.4无速度传感器

在旋转矢量与直接转矩技术控制的逆变器和异步电机构成的交流传动系统中，电机速度的反馈信号是这些控制技术的主要支撑点。随着微电子技术发展速度的不断加快大大加强了其计算功能，从而将无速度传感器的矢量控制技术开发出来。由于将速度传感器取消，使轴向之间的距离进一步增加，这对设计电机工作具有重要的作用。胡兵在研究中指出在使用无速度传感器矢量控制技术的过程中要对转矩电流进行控制，其主要目的是使测算速度和高速转矩响应等工作得以更好的完成。这一技术使维护和管理速度传感器等工作量大大减少，同时可以使电气传动系统对可靠性和灵活性等方面的需求得以满足[6]。

2.5全电制动停车

当前停车系统的停车任务主要是通过气制动系统来实现的，但是在轨道车辆低速行驶的过程中这种制动方式的稳定性较差，其造成客室内的晃动感非常的明显和强烈，从而对乘客的乘车舒适度方面造成不利的影响。陶生桂认为针对这种问题全电制动停车系统可以将问题合理的解决，这一停车系统技术主要是在原有的制动系统上发展起来的，该技术不但可以将停车的精度大大提升，同时可以将停车产生的冲击感和损耗情况大大减少，逐渐降低制动的噪声，这些优点都可以使乘客较高的乘车需求得以满足，从而可以将车辆的行驶质量大大提升[7]。

2.6软门极驱动技术

康劲松在研究中发现在关断5000V/μs的IGBT模块时电压上升率陡峭，而通过软门极驱动技术的使用可以将其电压的上升率降低到2000V/μs以内，而且可以在2300V内控制其尖峰电压，通过降低电压上升率对装置中各种器件都会产生有利的影响。另外IGBT的损耗情况也可以通过软门极驱动技术来降低[8]。

结论：由此可见，通过使用城市轨道交通可以将人们出现的便利性大大提升，将我国大部分城市交通拥挤情况良好的改善，同时将更加环保和便捷的出行方式提供给城市居民。在研究中发现车辆电气系统是城市轨道交通的主要技术支撑点，随着科学技术水平的不断提高逐渐出现了更多关于轨道车辆技术的研究成果，这为城市轨道交通的进一步发展提供了有利的保障。要想将城市轨道交通的发展水平不断提升，需要相应的技术工作人员，根据我国的具体情况和城市轨道交通发展的状况将新型的技术尽快的研发出来。研发的新型技术不但技术水平要高，同时要具有独立的知识产权，只有这样才能为我国城市轨道交通的发展提供有利的保障。

参考文献

[1]米志宏.城市轨道车辆电气传动系统的发展[J].城市建设理论研究（电子版），2017（15）：17.

[2]吴天皓.城市轨道交通中车辆电气传动系统的应用[J].技术与市场，2016，23（10）：89.

[3]范伟媛.城市轨道车辆电气传动系统的发展[J].黑龙江科技信息，2015，21（08）：13.

[4]夏兵.城市轨道交通车辆电气系统的研究[J].科技与企业，2014，16（05）：261.

[5]涂汉卿.昆明地铁首期工程车辆电气牵引系统设计[J].铁道工程学报，2012，29（12）：85-89.

[6]胡兵.机车车辆制动系统系列产品[J].铁路技术创新，2016，18（02）：43-47.

[7]陶生桂.城市轨道车辆电气传动系统发展综述[J].电力机车与城轨车辆，2017，31（02）：1-5+22.

[8]康劲松.城市轨道交通电动车组电力电子器件与变流器发展趋势[J].城市轨道交通研究，2016，26（02）：20-24.