交流傳動(dòng)技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用[摘要]介紹VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)的概況以及在城市軌道交通中的應(yīng)用，同時(shí)闡述了VVVF技術(shù)的工作原理和交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作了說(shuō)明。[關(guān)鍵詞]VVVF；交流傳動(dòng)；城軌動(dòng)車組；工作原理；發(fā)展趨勢(shì)1交流傳動(dòng)概況 與斬波器─直流電機(jī)斬波調(diào)壓電氣傳動(dòng)系統(tǒng)相比，調(diào)壓調(diào)頻(VVVF)逆變器─交流電機(jī)的系統(tǒng)主電路變得十分簡(jiǎn)單,少了電阻發(fā)熱的危害。現(xiàn)在，以斬波器為核心的直流傳動(dòng)電動(dòng)車組也逐步讓位于以VVVF為核心的交流傳動(dòng)電動(dòng)車組，如日本的東京、韓國(guó)的首爾、德國(guó)的漢堡和法蘭克福、美國(guó)的波特蘭等。交流傳動(dòng)技術(shù)是一門綜合技術(shù)，但其本質(zhì)的特點(diǎn)是牽引電動(dòng)機(jī)采用了交流異步電動(dòng)機(jī)，其一系列的優(yōu)點(diǎn)都是由此而表現(xiàn)出來(lái)的。交流傳動(dòng)機(jī)車包括城市軌道交通交流傳動(dòng)動(dòng)車組，所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方向，正是由異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在構(gòu)造簡(jiǎn)單、黏著性能好、功率大、牽引力大、可靠性高、維修簡(jiǎn)便、效率高，利用率高、使用靈活性強(qiáng)、動(dòng)力性能好、制動(dòng)性能好。2VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)車組應(yīng)用情況 北京城軌八通線的電動(dòng)車組為2動(dòng)2拖4輛編，全長(zhǎng)接近80m，牽引系統(tǒng)采用架控式VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字模擬式電控制動(dòng)系統(tǒng)。l輛動(dòng)車上有2臺(tái)VVVF牽引逆變器，分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)，當(dāng)一個(gè)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)接觸器切除故障逆變器，并且不影響另一個(gè)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(hù)器件等組成的2點(diǎn)式電壓型VVVF牽引逆變器。與牽引逆變器配套配置的制動(dòng)斬波器負(fù)責(zé)控制制動(dòng)電阻的投入與切除，同樣由IGBT模塊及其控制、傳感器、保護(hù)等組成。每輛動(dòng)車的電阻制動(dòng)斬波器、制動(dòng)電阻均設(shè)2組，并與每個(gè)VVVF逆變器相對(duì)應(yīng)。電氣牽引系統(tǒng)具有完善的保護(hù)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(tǒng)具有牽引與電制動(dòng)（包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)）等功能。制動(dòng)工況時(shí)，優(yōu)先采用電制動(dòng)（含再生和電阻制動(dòng)），電制動(dòng)優(yōu)先采用再生制動(dòng)，與空氣制動(dòng)聯(lián)合制動(dòng)的控制方式。電制動(dòng)與空氣制動(dòng)隨時(shí)自動(dòng)配合、平滑轉(zhuǎn)換，使列車不至產(chǎn)生過(guò)大的沖動(dòng)。動(dòng)車組主電路原理示意圖見(jiàn)圖1。
3VVVF逆變器原理 VVVF逆變器能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電，并能夠調(diào)節(jié)輸出交流電的電壓和頻率的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(gè)與其相等的等幅矩形脈沖來(lái)代替（見(jiàn)圖2），同樣對(duì)于正弦波的負(fù)半周來(lái)說(shuō)是用極性為負(fù)的矩形脈沖來(lái)代替。這樣就用6個(gè)幅度為ud(逆變器輸入直流電壓)的寬度不等的矩形脈沖來(lái)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(diǎn)式電壓源三相逆變器。從A、B、C三點(diǎn)向三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供正弦三相電源。采用雙極性正弦脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制T1～T6的開(kāi)關(guān)順序和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電源的調(diào)壓和調(diào)頻的控制。同一橋臂下的兩個(gè)元件互補(bǔ)通、斷。圖4為IGBT的開(kāi)、關(guān)順序。2） 輸出電壓和頻率的調(diào)整 調(diào)整調(diào)制波對(duì)載波的幅度可以調(diào)整輸出電壓，改變調(diào)制波的頻率來(lái)調(diào)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(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗的限制，IGBT的最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到50kHz。4交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 城市軌道交通普遍采用VVVF逆變器和鼠籠式異步電機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)器件選用大功率快速開(kāi)關(guān)器件IGBT模塊,將來(lái)選用DC1500V供電方式來(lái)取代DC750V供電方式是可行的。對(duì)于城市軌道交通列車所需的交流傳動(dòng)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(chǎn)品化，從目前的技術(shù)水平看，我國(guó)完全能夠自力更生來(lái)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)鐵路系統(tǒng)于1996年研制成功了AC4000型交流傳動(dòng)電力機(jī)車原型車。目前正在開(kāi)展200km/h交流傳動(dòng)高速動(dòng)車組研制。[參考文獻(xiàn)][1]劭丙衡.電力電子技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.[2]劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.
3VVVF逆變器原理 VVVF逆變器能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電，并能夠調(diào)節(jié)輸出交流電的電壓和頻率的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(gè)與其相等的等幅矩形脈沖來(lái)代替（見(jiàn)圖2），同樣對(duì)于正弦波的負(fù)半周來(lái)說(shuō)是用極性為負(fù)的矩形脈沖來(lái)代替。這樣就用6個(gè)幅度為ud(逆變器輸入直流電壓)的寬度不等的矩形脈沖來(lái)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(diǎn)式電壓源三相逆變器。從A、B、C三點(diǎn)向三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供正弦三相電源。采用雙極性正弦脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制T1～T6的開(kāi)關(guān)順序和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電源的調(diào)壓和調(diào)頻的控制。同一橋臂下的兩個(gè)元件互補(bǔ)通、斷。圖4為IGBT的開(kāi)、關(guān)順序。2） 輸出電壓和頻率的調(diào)整 調(diào)整調(diào)制波對(duì)載波的幅度可以調(diào)整輸出電壓，改變調(diào)制波的頻率來(lái)調(diào)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(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗的限制，IGBT的最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到50kHz。4交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 城市軌道交通普遍采用VVVF逆變器和鼠籠式異步電機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)器件選用大功率快速開(kāi)關(guān)器件IGBT模塊,將來(lái)選用DC1500V供電方式來(lái)取代DC750V供電方式是可行的。對(duì)于城市軌道交通列車所需的交流傳動(dòng)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(chǎn)品化，從目前的技術(shù)水平看，我國(guó)完全能夠自力更生來(lái)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)鐵路系統(tǒng)于1996年研制成功了AC4000型交流傳動(dòng)電力機(jī)車原型車。目前正在開(kāi)展200km/h交流傳動(dòng)高速動(dòng)車組研制。[參考文獻(xiàn)][1]劭丙衡.電力電子技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.[2]劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.
