试论轨道交通车辆牵引逆变器及其技术发展

尹国龙

摘 要 地铁主传动系统由牵引逆变器、牵引电动机等部件组成，实施地铁主传动系统设备国产化有利于降低主传动设备投资，确保提高轨道车辆国产化率目标的实现，促进我国地铁健康快速发展。本文介绍城市轨道交通车辆牵引逆变器的发展，对简统化牵引逆变器分析，介绍牵引逆变器冷却方式。

关键词 轨道交通;地铁车辆;牵引逆变器;技术发展

目前我国城市轨道交通装备制造方面具备了生产能力，主要电气部件已能实现自主研制。本文首先梳理牵引逆变器的发展，再分析牵引逆变器主电路和简统化平台，最后介绍逆变器冷却方式。

1牵引逆变器的发展

城轨车辆大多在地下隧道运行，因此要提高部件可靠性，车辆要具有带故障运行能力，损失部分动力时可行驶到最近车站[1]。在高峰期经常发生乘客超员情况，要求其在过载工况具有持续运行能力。VVVF交流传动系统技术趋于成熟，其在世界各国城轨系统广泛应用。

2主电路分析

目前城轨车辆牵引逆变器典型主电路为采用功率模块驱动牵引电机的架控方式。架控方式的优点是牵引逆变器模块独立控制，当变流器一个模块故障时可将其切除，车辆仅损失一个转向架动力。相对于车控方式的缺点是部件增多，导致系统可靠性降低。同时，相对于轴控方式具有节省成本和可靠性高等特点。

典型双模块架控方式的主电路如图1所示，主要包括预充电模块、LC线路滤波器、功率模块和冷却风机。SVES1和SVES2为网压传感器。当检测到网压在正常范围内时闭合充电接触器KM12和KM22，通过充电电阻R11和R21为支撑电容C1和C2充电以防止充电电流过大。当充电完成后闭合主接触器KM11和KM21同时断开KM12和KM22完成充电过程。

LC线路滤波器由滤波电抗器L1，L2和支撑电容C1，C2构成， LC线路滤波器可滤除直流电压的高频分量和尖峰电压，抑制电网电压波动與直流侧电流脉动的影响，同时避免IGBT工作时产生的高频电流对电网侧产生干扰[2]。

功率模块的逆变单元为电机供电，斩波单元将过高的网压消耗在制动电阻上，慢放电阻R12和R22消耗支撑电容的能量。冷却风机主要包括风机FAN1以及空开和接触器。一般风机控制有星三角变换和高低速控制等方式。该图风机为高低速控制。

3牵引逆变器简统化平台

随着城市轨道交通快速发展，城轨交通牵引系统供电方式和供电制式向多样化发展，目前供电制式为DC750V与DC1500V，时代电气研制的简统化牵引逆变器可满足城轨车辆工作环境，具有内部结构紧凑等特点，通过改变接线、更换功率模块和控制机箱的方式实现车控与架控互换，满足不同供电制式应用[2]。

综合以往设计经验，采用简统化设计思路，统一牵引逆变器吊耳数量、尺寸等外形接口信息。牵引逆变器由相同IGBT模块构成，包括传感器等部件。隔舱采用门锁结构设计，防水防尘，方便部件拆卸维护。柜体密封满足车底设备防护等级IP54要求。简统化平台能够缩短研发周期，降低设计采购成本。

4牵引逆变器冷却

IGBT元件构成变流器模块，是城轨车辆牵引逆变器核心部件，目前时代电气研制的城轨车辆牵引逆变器采用IGBT变流器模块，包括热管散热器，温度继电器，支撑电容和门极驱动等，是功能独立的功率模块。很多变流器采用水冷装置散热系统，但需配置热交换器等设备，且漏水会对系统造成很大损失。传统实体散热器必须加大散热面积，相应需增大基板与主干，远端降温大，只能在散热面积与传导损失中求折中值。但热管技术能降低传导热阻，热管两端温差小，使散热器与空气热阻减小。

采用热管传热的IGBT变流器模块，具有高的传热效率。铜-水热管内部蒸发端与冷凝端温差小于3℃，在冷凝端通过外加翅片的方式能使其散热时热量分配均匀。热管具有在温差低下传递热量的优点，产生的热量能被及时带出。热管散热器无噪声污染。实际应用表明，逆变器散热器台面最高温升为27K，能够保证热量及时排散。

参考文献

[1] 陈林，王卫安.轨道车辆牵引逆变器的最优化设计[J].新型工业化，2016，6（4）：34-39.

[2] 翁星方，邹档兵.城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术发展[J].机车电传动，2012（1）：47-51.