交流传动技术在城市轨道交通中的应用

摘 要：介绍VVVF交流传动系统的概况以及在城市轨道交通中的应用，同时阐述了VVVF技术的工作原理和交流传动技术的发展趋势作了说明。
关键词：VVVF;交流传动;城轨动车组;工作原理;发展趋势
1 交流传动概况
　　与斩波器─直流电机斩波调压电气传动系统相比，调压调频（VVVF）逆变器─交流电机的系统主电路变得十分简单,少了电阻发热的危害。现在，以斩波器为核心的直流传动电动车组也逐步让位于以VVVF为核心的交流传动电动车组，如日本的东京、韩国的首尔、德国的汉堡和法兰克福、美国的波特兰等。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。交流传动机车包括城市轨道交通交流传动动车组，所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在构造简单、黏着性能好、功率大、牵引力大、可靠性高、维修简便、效率高，利用率高、使用灵活性强、动力性能好、制动性能好。
2 VVVF交流传动系统在动车组应用情况
　　北京城轨八通线的电动车组为2动2拖4辆编，全长接近80m，牵引系统采用架控式VVVF交流传动系统和数字模拟式电控制动系统。l辆动车上有2台VVVF牵引逆变器，分别驱动2个转向架上的牵引电机，当一个逆变器出现故障时，可通过接触器切除故障逆变器，并且不影响另一个逆变器的正常工作。牵引逆变器单元是由IGBT模块、牵引控制装置、传感器、保护器件等组成的2点式电压型VVVF牵引逆变器。与牵引逆变器配套配置的制动斩波器负责控制制动电阻的投入与切除，同样由IGBT模块及其控制、传感器、保护等组成。每辆动车的电阻制动斩波器、制动电阻均设2组，并与每个VVVF逆变器相对应。电气牵引系统具有完善的保护功能。逆变器的冷却方式为非氟热管自冷方式。牵引逆变器系统具有牵引与电制动（包括再生制动和电阻制动）等功能。制动工况时，优先采用电制动（含再生和电阻制动），电制动优先采用再生制动，与空气制动联合制动的控制方式。电制动与空气制动随时自动配合、平滑转换，使列车不至产生过大的冲动。动车组主电路原理示意图见图1。

3 VVVF逆变器原理
　　VVVF逆变器能够将直流电转换成交流电，并能够调节输出交流电的电压和频率的大小，从而实现对交流牵引电动机的转矩和转速的控制。
　　3.1正弦波与等幅矩形脉冲序列波等效
　　把正弦波的半波作i（这里取6）等分，将正弦曲线每一等分所包含的面积都用一个与其相等的等幅矩形脉冲来代替（见图2），同样对于正弦波的负半周来说是用极性为负的矩形脉冲来代替。这样就用6个幅度为ud（逆变器输入直流电压）的宽度不等的矩形脉冲来代替正弦波，而且谐波分量还少。

　　3.2VVVF逆变器的工作原理
　　1） 电路原理图
　　如图3，采用了绝缘栅双极晶体管（IGBT）T1～T6作为主电路的控制部件，这是一种两点式电压源三相逆变器。从A、B、C三点向三相交流异步电动机提供正弦三相电源。

　　采用双极性正弦脉宽调制技术来控制T1～T6的开关顺序和时间，从而实现对三相电源的调压和调频的控制。同一桥臂下的两个元件互补通、断。图4为IGBT的开、关顺序。
　　2） 输出电压和频率的调整
　　调整调制波对载波的幅度可以调整输出电压，改变调制波的频率来调整输出交流电的频率。图4的载波比N=3,载波比越大，逆变器输出的谐波分量越小。但N受到IGBT开关频率和开关损耗的限制，IGBT的最高开关频率可达到50kHz。
4 交流传动技术的发展趋势
　　城市轨道交通普遍采用VVVF逆变器和鼠笼式异步电机的交流传动系统，开关器件选用大功率快速开关器件IGBT模块,将来选用DC1500V供电方式来取代DC750V供电方式是可行的。对于城市轨道交通列车所需的交流传动VVVF逆变器、辅助电源的DC/DC变换器（即斩波器）和静止逆变器的研制与产品化，从目前的技术水平看，我国完全能够自力更生来实现。我国铁路系统于1996年研制成功了AC4000型交流传动电力机车原型车。目前正在开展200km/h交流传动高速动车组研制。