1 引言
軌道車輛電氣系統(tǒng)中牽引變流器對干線電力機車指的是ac-dc-ac變流系統(tǒng)，對城市地鐵與輕軌為dc-ac逆變系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，它們在軌道車輛中的應(yīng)用也在不斷地進步與發(fā)展。這些變流系統(tǒng)中的電力電子器件都經(jīng)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(fā)展過程[1]。隨著器件發(fā)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(yōu)良的電力電子器件，這是科技發(fā)展的必然趨勢，標志著科技的進步。由于igbt器件屬電壓驅(qū)動的全控型開關(guān)器件，脈沖開關(guān)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(tǒng)中均采用igbt模塊來構(gòu)成。
隨著igbt性能的迅速發(fā)展，igbt模塊的電壓等級和電流容量在不斷提高，從1991年生產(chǎn)出了小型igbt模塊，其電壓等級為1200v/300a，很快取代了在工業(yè)上通用變頻器中所用的雙極型晶體管；1993年出現(xiàn)了1700v/300a的igbt，并已開始在城市電車上獲得推廣應(yīng)用；到2000年后更出現(xiàn)了1700v/2400a，3300v/1200a和6500v/600a的高壓igbt，這些高壓hv igbt很快地應(yīng)用到鐵道與城市地鐵輕軌車輛中，由于其性能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊，整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊輕巧，且采用了低感母線技術(shù)與軟門極的驅(qū)動技術(shù)并解決了熱循環(huán)的壽命問題[2],目前，hv igbt模塊已成為軌道電力牽引系統(tǒng)中應(yīng)用的主導(dǎo)元件。
隨著城市發(fā)展，城軌交通供電網(wǎng)壓制也從早期的600v dc和750v dc發(fā)展為1500v dc網(wǎng)壓制，以適應(yīng)大城市大客流量發(fā)展的需要。網(wǎng)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(fā)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(chǎn)與供貨。

2 電氣系統(tǒng)中牽引變流器的發(fā)展
2.1 車輛用igbt逆變器的開發(fā)
當電壓等級不夠高時，在德國和日本曾用1200v和1700v等級igbt構(gòu)成三點式（三電平）逆變器用于750v和1500v電網(wǎng)（圖1）。隨著新一代igbt迅速發(fā)展，尤其是3300v等級igbt的批量生產(chǎn)，用這類電壓等級的模塊（器件）構(gòu)成兩電平（兩點式）逆變器能夠滿足在3300v電網(wǎng)當中的應(yīng)用，因而在上世紀末國外生產(chǎn)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(gòu)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(yōu)點，但是其主電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)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(gòu)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(yōu)點，目前在日本仍有不少的應(yīng)用。
2.2 無吸收電路式逆變器
在軌道車輛上要求結(jié)構(gòu)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(xiàn)出滿足這一要求的特點。通過采用低感母線技術(shù)以盡量降低母線的寄生電感來達到抑制關(guān)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(jié)構(gòu)，減輕了重量，縮小了體積。在1500v網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電壓抑制在2300v以內(nèi)。從圖3還可以看出，應(yīng)用了低感母線技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)不僅在器件數(shù)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(qū)動技術(shù)
一般高壓igbt模塊在關(guān)斷時其電壓上升率陡峭可達5000v/μs，通過應(yīng)用軟門極驅(qū)動技術(shù)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(nèi)，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(qū)動技術(shù)同時也降低了igbt的損耗。

圖4 1500v電壓下軟門極驅(qū)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(diào)速方法，也常將其稱為變壓變頻逆變器（即vvvf）。要實現(xiàn)這一點，要采用脈寬調(diào)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(chǎn)生噪聲之源?？梢酝ㄟ^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(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)，目前均已采用性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)矢量控制或直接轉(zhuǎn)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(shù)迅速發(fā)展，計算功能越來越強，也就開發(fā)出采用無速度傳感器的矢量控制技術(shù)。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(shè)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(zhuǎn)矩電流以同時實現(xiàn)速度測算和高速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。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(tǒng)的可靠性及電機設(shè)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(xiàn)行的制動系統(tǒng)中停車控制主要是靠氣制動實現(xiàn)停車，而氣制動在低速時由于靠摩擦力制動的不穩(wěn)定性，乘客會感覺到較明顯的晃動。在目前制動系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上，通過控制上的改善實現(xiàn)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(jié)束語
從目前電力電子發(fā)展趁勢來看，主牽引逆變器應(yīng)采用hv igbt模塊來構(gòu)成，無論其主電路結(jié)構(gòu)還是控制理論與控制技術(shù)，還需要進一步研究、完善及優(yōu)化。對于那些進口的電氣傳動系統(tǒng)中采用gto構(gòu)成的地鐵輕軌車輛都將面臨由于gto退出軌道車輛應(yīng)用領(lǐng)域而導(dǎo)致無備品備件的局面，因而都應(yīng)開展用igbt替代的國產(chǎn)化研究。