1 引言
軌道車輛電氣系統中牽引變流器對干線電力機車指的是ac-dc-ac變流系統，對城市地鐵與輕軌為dc-ac逆變系統。隨著電力電子技術發展，它們在軌道車輛中的應用也在不斷地進步與發展。這些變流系統中的電力電子器件都經歷過從半控型晶閘管（scr）、全控型晶閘管（gto）及絕緣柵雙極型晶體管（igbt）的發展過程[1]。隨著器件發展，還會有性能更好的電力電子器件進一步替代，采用新一代性能優良的電力電子器件，這是科技發展的必然趨勢，標志著科技的進步。由于igbt器件屬電壓驅動的全控型開關器件，脈沖開關頻率高，性能好，損耗小，且自保護能力也強。為此，目前世界上無論是干線鐵路還是城市軌道的電動車輛的電氣系統中均采用igbt模塊來構成。
隨著igbt性能的迅速發展，igbt模塊的電壓等級和電流容量在不斷提高，從1991年生產出了小型igbt模塊，其電壓等級為1200v/300a，很快取代了在工業上通用變頻器中所用的雙極型晶體管；1993年出現了1700v/300a的igbt，并已開始在城市電車上獲得推廣應用；到2000年后更出現了1700v/2400a，3300v/1200a和6500v/600a的高壓igbt，這些高壓hv igbt很快地應用到鐵道與城市地鐵輕軌車輛中，由于其性能優越，加之其為絕緣型模塊，整機的結構設計緊湊輕巧，且采用了低感母線技術與軟門極的驅動技術并解決了熱循環的壽命問題[2],目前，hv igbt模塊已成為軌道電力牽引系統中應用的主導元件。
隨著城市發展，城軌交通供電網壓制也從早期的600v dc和750v dc發展為1500v dc網壓制，以適應大城市大客流量發展的需要。網壓的提高對電力電子器件的電壓等級提出了更高的要求，igbt模塊的電壓等級也從1200v發展到1700v、3300v以及4500v和6500v電壓等級水平，國外已有多家公司批量生產與供貨。
2 電氣系統中牽引變流器的發展
2.1 車輛用igbt逆變器的開發
當電壓等級不夠高時，在德國和日本曾用1200v和1700v等級igbt構成三點式（三電平）逆變器用于750v和1500v電網（圖1）。隨著新一代igbt迅速發展，尤其是3300v等級igbt的批量生產，用這類電壓等級的模塊（器件）構成兩電平（兩點式）逆變器能夠滿足在3300v電網當中的應用，因而在上世紀末國外生產的地鐵輕軌電動車輛以及部分干線電力機車動車都已采用這類高壓hv igbt模塊，其所構成的逆變器主電路圖如圖2所示。
圖1 三點式逆變器主電路原理圖
圖2 兩點式逆變器主電路原理圖
由圖1和圖2可見，雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、脈沖頻率低、電壓上升率也低及損耗小等優點，但是其主電路結構復雜，所用器件多出一倍，這是它不足之點。所以在城軌車輛中目前都采用igbt構成的兩電平逆變器，而在干線電力機車中，采用4500v等級或6500v等級的hv igbt來構成兩電平逆變器。當然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優點，目前在日本仍有不少的應用。
2.2 無吸收電路式逆變器
在軌道車輛上要求結構緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式igbt模塊比那些非絕緣式的gto器件就更能體現出滿足這一要求的特點。通過采用低感母線技術以盡量降低母線的寄生電感來達到抑制關斷時的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進一步簡化了結構，減輕了重量，縮小了體積。在1500v網壓下，采用上述技術可以使其尖峰電壓抑制在2300v以內。從圖3還可以看出，應用了低感母線技術的主電路結構不僅在器件數量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。
圖3 無吸收電路式逆變器
2.3 軟門極驅動技術
一般高壓igbt模塊在關斷時其電壓上升率陡峭可達5000v/μs，通過應用軟門極驅動技術可以大大抑制電壓上升率dv/dt，將其降低到2000v/μs，尖峰電壓也控制2300v之內，如圖4所示的1500v電壓下工作的情況。此外，這電壓上升率dv/dt的降低對裝置中工作的各類器件都是大為有利的。由于采用了軟門極驅動技術同時也降低了igbt的損耗。
圖4 1500v電壓下軟門極驅動控制
2.4 低噪音化的pwm控制
牽引變流器采用變壓變頻的調速方法，也常將其稱為變壓變頻逆變器（即vvvf）。要實現這一點，要采用脈寬調制控制方式（pwm），它們主要有：高頻全域異步控制方式，低頻異步、同步并用控制方式，低頻全域異步控制方式和異步擴大控制方式（gto方式）。采用這些控制方式都會有大量的諧波存在，這些諧波也就是逆變器產生噪聲之源。可以通過改變高次諧波分布范圍的控制模式，如頻譜擴散控制方式，可以降低電磁噪音，如圖5所示。
圖5 改變高次諧波分布范圍的控制模式
2.5 無速度傳感器矢量控制
對逆變器和異步電機構成的交流傳動系統，目前均已采用性能優良的旋轉矢量控制或直接轉矩控制，這些控制中均需要電機速度的反饋信號。由于微電子技術迅速發展，計算功能越來越強，也就開發出采用無速度傳感器的矢量控制技術。由于取消了速度傳感器，如圖6所示看出，由于軸向距離擴大，這對電機的設計的靈活性提供了很大的方便。無速度傳感器的矢量控制是通過控制轉矩電流以同時實現速度測算和高速轉矩響應。這種控制方式的特點是不需要速度傳感器及所帶來的維護工作量，同時有利于提高系統的可靠性及電機設計的靈活性。
圖6 無速度傳感器的矢量控制
2.6 全電制動停車控制
現行的制動系統中停車控制主要是靠氣制動實現停車，而氣制動在低速時由于靠摩擦力制動的不穩定性，乘客會感覺到較明顯的晃動。在目前制動系統的硬件基礎上，通過控制上的改善實現全電制動控制停車（圖7），這將提高停車精度，降低停車沖擊，降低制動塊的摩擦損耗和制動噪音，從而進一步提高乘客的乘坐的舒適度（圖8）。
圖7 全電制動停車控制過程示意圖
圖8 車站停車時的舒適度比較
3 結束語
從目前電力電子發展趁勢來看，主牽引逆變器應采用hv igbt模塊來構成，無論其主電路結構還是控制理論與控制技術，還需要進一步研究、完善及優化。對于那些進口的電氣傳動系統中采用gto構成的地鐵輕軌車輛都將面臨由于gto退出軌道車輛應用領域而導致無備品備件的局面，因而都應開展用igbt替代的國產化研究。
：鞏經理
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