城市轨道交通车辆的紧凑型牵引变流器应用探讨

李岩 吴天昊

摘要：本文研究了紧凑型牵引交流器应用到城市轨道交通中降压变流的功能。其不仅能够为轨道交通提供电能，还能够对电网实现车辆再生制动能量的回馈，使直流供电电压能够稳定。本文首先，对紧凑型牵引变流器优势进行了分析；之后，研究城市轨道交通车辆应用变流器的方案，寻找最优方案；通过实验对此方案性能进行验证，最后验证此变流器的动态及稳态性能。

关键词：城市轨道交流；变流器；牵引供电

中图分类号：u224 文献标识码：HTA

我国城市交通牵引变电所都是利用降压变压器及多脉波不控及相控整流电路，使35kV三相交流电降压整流成为1500V/75OV直流电方式对车辆提供电能。因为二极管整流电路只能够单方向通过电流，并且开通及关闭不可控，所以其输出电压也不可控。在启动轨道交通车辆的时候，从接触网接收电流迅速上升，从而导致降低接触网电压，以此降低轨道交通车辆供电电源。研究全新的牵引供电交流器方案，能够提高可靠性，降低开关损耗。

1 紧凑型牵引变流器的优势

在大部分轨道车辆项目中，车辆在设计过程中的主要问题就是对牵引变流器、变压器及电机尺寸造成了制约，ABB牵引变流器设备具有设备紧凑及质量较轻的优势，使车辆在设计过程中能够充分发挥其自由度。牵引变流器内部的液体冷却系统是通过ABB开发的技术，并且在发展过程中有了有效优化。温度在变流器各个部分均匀地分布，以此使功率半导体使用的寿命有效提高。因为其电源模块的体积较小，并且质量较轻，所以只需要一个人就能够自由的操作。因为牵引变流器冷却系统不需要冷却气流进入，控制电子单元具有良好的密封性，能够避免周围的湿气、灰尘进入到内部，所以较为洁净[2]。

变流器内部的器件采用模块化结构设计，减少了金属板材的使用。通过合理的划分电路拓扑结构，将整个系统划分为不同功能单元，并形成了具有独立功能并且易于维护的集成模块。模块中的电器元件通过铜排与线缆得到了合理布置及连接，相比传统分散式的电器柜，模块化设计有效地减小了结构的重量及体积。由于模块间的电气连接相对简单，线缆在柜内没有重复布置的情况，也进一步减少了整个柜体的电缆用量。模块化的结构设计可以减小柜体的维护空间，使布局更加紧凑合理，很大程度地减小了变流器的总重量。

2 城市轨道交通车辆应用变流器的方案

2.1 完全使用紧凑型牵引变流器

此方案可以完全使用牵引变流器代替二极管整流器，其能够创新传统牵引供电设备模式。此方案电路因为全部为PWM整流电路，其主要优势为：

（1）输出直流电压纹波系数较小，电流携波含量较低；

（2）直流电压特性较硬，并且可控；

（3）将制动能量回馈吸收，提高转换效率，具有良好的节能效果。

但是此方案也存在一定的局限性，因为其变流器一般都是使用全控型电力电子器件作为核心设备，此产品的容量比二极管要小，所以其最大功率较大，投资较大[3]。

2.2 混合方案

结合二极管整流机组，其谐波等技术指标满足需求。保留二极管整流机组可以发挥的优势，比如价格较低、容量较大、双向变流器机组可以负担相应的整流负荷，以此使二极管整流机组的设计容量得到降低，两者相互集合，不仅保证供电能力，还能够回馈能量，并且整体的成本比全部使用紧凑型牵引变流器方案较低。

2.3 无功补偿方案

因为紧凑型牵引变流器的结构和SVG基本相同，并且交流侧直接接入到中压系统中，所以不需要对电力硬件及倒闸作业进行调整，在控制程序中就能够对测量参数和算法进行改变，从而对装备进行转变。在不同地点分布的交流器形成此种就地补偿模式，能够降低主变电气中所集成的补偿压力，夜间线路停运的时间也是此地铁供电系统中最需要无功补偿的时候，紧凑型牵引交流器能够在无功补偿模式中运行，实现地铁供电系统中无功的补偿。其转换的过程较为便捷，并且具有较高的质量，使设备价值得到了有效地提高。

3 实验结果

实现牵引供电变流器小功率实验平台的设计，控制电路是以TMS320为基础，并且使用FPGA实现四个通道。其中的额定功率设置为3kVA，三相额定交流输入电压设置为380V。图1为实验结果。

其中（a）表示变流器在3kW整流情况中的电网相电压、电网输入电流的波形及频谱，（b）指的是变流器在逆变情况下的电网相电压、电网输入电流的波形和频谱。以此表示，电网输入电流和电网相电压相位相同，从而能够表现出单位输入功率因数。电网输入电流波形正弦度良好，所以输入电网不理想的因素和波形，都会具有一定的低次谐波电流。模拟轨道交通车辆从再生制动到加速启动和从加速启动转变到再生制动状态切换过程中的工作波形，也就是在满载整流及逆变过程中负载的切换，直流电压和6.4%不符合，调节时间较短。基于稳态的时候，此牵引供电交流器输出的电压纹波较小，并且输入的电压较为稳定。

和电阻消耗、逆变吸收等相应的制动能量吸收方式进行对比，紧凑型牵引变流器通过相同的电路能够有效实现逆变及整流功能，不需要单独进行制动能量吸收电路的设置，从而有效降低了设备数量及设备的安装空间，所以在建筑、设备两个方面共同节约了工程投资。另外，使用紧凑型牵引变流器还能够在城轨工程等方面具有连带的影响，从而提高自身的经济效益。

4 结语

本文对全新城市交通牵引供电紧凑型牵引变流器进行了全面的分析，对相关的策略进行分析。表示使用紧凑型牵引变流器具有较低的开关频率、较小的电流谐波含量及简单的谐波等各种优势，以此创建成为牵引供电系统的小损耗及工作过程中的可靠性，还能够降低对交流电网造成的谐波污染。通过实验结果表示，紧凑型牵引变流器具有良好的稳态性能，并且动态的调节过程比较快，不仅能够对直流电网供电质量进行有效改善，还能够实现电能的节约。

参考文献

[1]尹力明，刘俊艳，冯国强，交流变频控制系统在城市轨道交通车辆中的应用[J].装备机械，2010（2）：44-50.

[2]李小波，吴浩，翁晓韬，等.地铁列车可关断晶闸管牵引变流器综合测试技术研究[J].城市轨道交通研究，2010，13（9）：17-20.

[3]许爱国，谢少军.城市轨道交通牵引供电PWM变流器的研究[J].电力电子技術，2009，43（12）：7-9.