交流傳動技術在城市軌道交通中的應用

摘 要：介紹VVVF交流傳動系統的概況以及在城市軌道交通中的應用，同時闡述了VVVF技術的工作原理和交流傳動技術的發展趨勢作了說明。

關鍵詞：VVVF;交流傳動;城軌動車組;工作原理;發展趨勢

1 交流傳動概況

　　與斬波器─直流電機斬波調壓電氣傳動系統相比，調壓調頻（VVVF）逆變器─交流電機的系統主電路變得十分簡單,少了電阻發熱的危害。現在，以斬波器為核心的直流傳動電動車組也逐步讓位于以VVVF為核心的交流傳動電動車組，如日本的東京、韓國的首爾、德國的漢堡和法蘭克福、美國的波特蘭等。交流傳動技術是一門綜合技術，但其本質的特點是牽引電動機采用了交流異步電動機，其一系列的優點都是由此而表現出來的。交流傳動機車包括城市軌道交通交流傳動動車組，所以成為現代機車發展的方向，正是由異步電動機的特點和優點所決定的。交流異步電動機驅動系統的優越之處表現在構造簡單、黏著性能好、功率大、牽引力大、可靠性高、維修簡便、效率高，利用率高、使用靈活性強、動力性能好、制動性能好。

2 VVVF交流傳動系統在動車組應用情況

　　北京城軌八通線的電動車組為2動2拖4輛編，全長接近80m，牽引系統采用架控式VVVF交流傳動系統和數字模擬式電控制動系統。l輛動車上有2臺VVVF牽引逆變器，分別驅動2個轉向架上的牽引電機，當一個逆變器出現故障時，可通過接觸器切除故障逆變器，并且不影響另一個逆變器的正常工作。牽引逆變器單元是由IGBT模塊、牽引控制裝置、傳感器、保護器件等組成的2點式電壓型VVVF牽引逆變器。與牽引逆變器配套配置的制動斬波器負責控制制動電阻的投入與切除，同樣由IGBT模塊及其控制、傳感器、保護等組成。每輛動車的電阻制動斬波器、制動電阻均設2組，并與每個VVVF逆變器相對應。電氣牽引系統具有完善的保護功能。逆變器的冷卻方式為非氟熱管自冷方式。牽引逆變器系統具有牽引與電制動（包括再生制動和電阻制動）等功能。制動工況時，優先采用電制動（含再生和電阻制動），電制動優先采用再生制動，與空氣制動聯合制動的控制方式。電制動與空氣制動隨時自動配合、平滑轉換，使列車不至產生過大的沖動。動車組主電路原理示意圖見圖1。

3 VVVF逆變器原理

　　VVVF逆變器能夠將直流電轉換成交流電，并能夠調節輸出交流電的電壓和頻率的大小，從而實現對交流牽引電動機的轉矩和轉速的控制。

　　3.1正弦波與等幅矩形脈沖序列波等效

　　把正弦波的半波作i（這里取6）等分，將正弦曲線每一等分所包含的面積都用一個與其相等的等幅矩形脈沖來代替（見圖2），同樣對于正弦波的負半周來說是用極性為負的矩形脈沖來代替。這樣就用6個幅度為ud（逆變器輸入直流電壓）的寬度不等的矩形脈沖來代替正弦波，而且諧波分量還少。

　　3.2VVVF逆變器的工作原理

　　1） 電路原理圖

　　如圖3，采用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）T1～T6作為主電路的控制部件，這是一種兩點式電壓源三相逆變器。從A、B、C三點向三相交流異步電動機提供正弦三相電源。

　　采用雙極性正弦脈寬調制技術來控制T1～T6的開關順序和時間，從而實現對三相電源的調壓和調頻的控制。同一橋臂下的兩個元件互補通、斷。圖4為IGBT的開、關順序。

　　2） 輸出電壓和頻率的調整

　　調整調制波對載波的幅度可以調整輸出電壓，改變調制波的頻率來調整輸出交流電的頻率。圖4的載波比N=3,載波比越大，逆變器輸出的諧波分量越小。但N受到IGBT開關頻率和開關損耗的限制，IGBT的最高開關頻率可達到50kHz。

4 交流傳動技術的發展趨勢

　　城市軌道交通普遍采用VVVF逆變器和鼠籠式異步電機的交流傳動系統，開關器件選用大功率快速開關器件IGBT模塊,將來選用DC1500V供電方式來取代DC750V供電方式是可行的。對于城市軌道交通列車所需的交流傳動VVVF逆變器、輔助電源的DC/DC變換器（即斬波器）和靜止逆變器的研制與產品化，從目前的技術水平看，我國完全能夠自力更生來實現。我國鐵路系統于1996年研制成功了AC4000型交流傳動電力機車原型車。目前正在開展200km/h交流傳動高速動車組研制。

[參考文獻]

　　[1]劭丙衡.電力電子技術[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

　　[2]劉競成.交流調速系統[M].上海：上海交通大學出版社，2001.