上海地铁车辆主逆变器GTO牵引相模块的IGBT替代研制
浅谈轨道交通车辆牵引系统特点及发展方向_轨道交通车辆牵引系统的工作原理
浅谈轨道交通车辆牵引系统特点及发展方向_轨道交通车辆牵引系统的工作原理摘要：随着地铁车辆的快速发展，本文主要简析了城市轨道车辆所采用牵引系统的技术特点及其发展方向。
关键词：轨道交通；牵引系统；技术发展与其他城市交通工具相比，地铁具有高效、节能、安全、舒适等优点，大大改善了城市交通状况与城市布局。
与此同时为满足上述功能，对车辆的可靠性、乘客舒适度及其它性能要求越来越高，而作为车辆的核心牵引系统在其中的作用就显得尤为重要，本文主要对其特点及发展方向进行了阐述。
1.牵引逆变器的发展1.1车辆用IGBT逆变器的应用随着功率电力电子器件的更新与发展，GTO开关元件逐步退出了在轨道交通的舞台，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逐步崛起，尤其是进入21世纪以来，绝缘栅双极型晶体管模块获得迅速发展，如适用城市750V和1500V网压下运行的轨道车辆采用的电压等级1700V和3300V、电流等400～2400A的绝缘栅双极型晶体管模块已是批量生产、性能稳定的成熟产品；在干线机车、动车上应用的电压等级已提高到4500V和6500V、电流等级为900A和600A的绝缘栅双极型晶体管也已应用于DC3000V和AC16Hz、15kV及50Hz、25kV供电网压下。
目前绝缘栅双极型晶体管模块已成为轨道车辆上选用的主流品。
IGBT模块能获得如此广泛应用是由于其具有卓越的性能，主要体现在：1）开关损耗小，允许有较高的开关频率；2）吸收电路小型化，结合层压低感母线可实现无吸收电路；3）属电压型驱动，驱动电路功率较低，开关转换均匀，有效实现抗短路自保护能力；4）绝缘式模块便于组装，散热器设计灵活，简化了变流装置的结构；5）模块的结构与材料的改进使其满足牵引对热交变载工况所提的要求；6）并联简单使装置的功率易于标定系列化等。
采用绝缘栅双极型晶体管构成的牵引逆变器相比于使用GTO的前辈，具有体积小、重量轻、效率高且性能好的优点。
1.2 无吸收电路式逆变器在轨道车辆上要求结构紧凑、重量轻和体积小的装置，采用绝缘式绝缘栅双极型晶体管模块比那些非绝缘式的GTO器件就更能体现出满足这一要求的特点。
电力牵引变流技术GTO、GTR的原理与结构
2.2、GTR的结构及工作原理
对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如， 50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作， 其最大允许耗散功率仅为2—3W
2.2、GTR的结构及工作原理
2 工作原理 在电力电子技术中，GTR与其它的电力电子器 件一般工作于开关状态，在电子技术中，一般工 作于放大状态。晶体管通常连接成共射极电路， NPN型GTR一般工作于正偏（Ib>0)时大电流导通， 反偏时(Ib<0)时处于截止状态。因此，我们通过 控制基极信号，施加足够大功率的脉冲驱动信号， 晶体管将工作于导通与截止状态，这时的GTR与 我们前面学过的全控晶闸管一样，相当于可控制 导通也可控制关断的一个开关。
整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态4个 不同的阶段。图中开通时间ton对应着GTR由截止到饱和的开通过程，
关断时间toff对应着GTR饱和到截止的关断过程。
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（a）串联电阻调速 (b)直流斩波调速 图2-1 城轨直流牵引传动系统示意图
【学习任务】
2.1、GTO的结构及工作原理
可关断（GTO）的内部结构
2.1、GTO的结构及工作原理
GTO的驱动电路
理想的门极驱动信号（电流、电压）波形如图所示，其中实线为 电流波形，虚线为电压波形。
2.1、GTO的结构及工作原理 GTO的驱动电路
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图4-7 开关过程中ib和ic的波形
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地铁车辆GTO制动斩波模块的IGBT国产化替代研制点击数：251陈鞍龙，余强上海申通地铁集团，上海201103摘要介绍了上海引进的交流传动地铁车辆上GTO 制动斩波模块的结构及其工作原理，并分析了其电气性能及驱动电路；在此基础上研制了用于替代GTO的IGBT 制动斩波模块，通过对GTO 和IGBT 两种制动斩波模块的性能对比和分析，得出两者性能几乎相同，可以给予替代应用，并且已装车投入使用。
关键字城轨车辆；牵引逆变器；GTO；IGBT；驱动电路The Substitution IGBT Brake Module for GTO Brake Module on Traction InverterCHEN Anlong, YU QiangShanghai Shentong Metro Co., Ltd，Shanghai 201103 ChinaAbstract The structure and operation principle of GTO brake module on traction inverter in the AC drive vehicle of Shanghai metro was presented. Based on the analysis of its electrical performance anddrive circuit, the substitution IGBT brake module for GTO module is developed. The comparative analysis of electrical performance and the function of GTO and IGBT module is made, and the results show that they are exactly the same. The developed IGBT brake module have been put into operation and work well so far.Keywords city vehicle；traction inverter；GTO；IGBT；drive circuit1 概述上海首批交流传动地铁车辆，现编号为AC01/02 型电动列车，是上世纪90 年代末从德国引进的先进的交流传动车辆，其关键的核心部件是采用当时先进的可关断晶闸管GTO 构成的主牵引逆变器。
地铁牵引系统产品的模块化设计
地铁牵引系统产品的模块化设计作者：万伟伟秦建辉焦毕邓京来源：《科技风》2017年第09期摘要：介绍了模块化设计的概念，并以新加坡工程维护车为例介绍了模块化设计在产品设计过程中的应用，说明了模块化设计的可行性和重要性。
关键词：模块化设计；牵引系统；逆变器；IGBT；高压电器箱随着我国城市化进程的不断加快，日益严重的交通问题严重影响着城市的经济建设和运转效率，给人们的工作和生活带来了种种不便与损害。
当前，我国城市特别是大城市，传统的道路交通设施已经不能适应快速发展的现代社会的需要，成为制约城市经济发展和可持续发展的主要瓶颈。
地铁作为城市轨道交通的一种交通工具，因其具有运量大、速度快、乘坐方便、对环境污染少、占地面积小等优点受到越来越多城市的青睐。
然而，面对当前异常激烈的市场竞争环境，为最大限度地满足客户需求，降低开发、生产及采购成本，提高自己产品的市场占有率，就要求我们地铁产品设计周期更短、可靠性更高，因此，采用通用化、系列化的模块化设计方法是一有效途径。
本文将阐明模块化设计的概念，并结合新加坡工程维护车牵引系统介绍模块化设计的思路。
1 模块化设计的概念1.1 模块、模块化模块是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。
模块包含电子模块、结构模块、软件模块，是模块化设计的基础。
模块可以是多级模块，也可以分为部件模块和单元模块。
模块化是以产品（系统）总功能为对象，以功能分析为基础，经层层分解建立模块体系，并通过选用模块组合成不同产品（系统）的全过程。
产品的模块化是为了取得最佳效益，从功能、结构等角度对系统进行分解和组合，建立模块系统和对象系统，并运用模块组合成产品，大大缩短了产品设计周期，提高了工作效率。
1.2 采用模块化设计应注意的问题用模块化设计方法进行产品设计时，对产品应有总体考虑，充分考虑模块的互换性、通用性、兼容性，模块设计时应为今后功能的扩展留有余地。
模块化设计应最大限度采用标准件、通用件，采用已有成熟技术和借用已有模块，并加强接口的互换性，这不仅可减少工作量，还可提高开发的成功率，大大缩短开发周期。
上海地铁车辆AC03型辅助逆变器的国产化替代研究
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ＡＬ Ｔ Ｍ 公 司制造 的交 流传 动 车辆 ， 辅 助 电源 系 ＳＯ 其
统 的主 电路框 图 如图 １ 所示 。在 系统 中静 止 辅助 逆
变器 ， 即高压 ＩＭ（ Ｐ 智能功率模 块） 辅助逆变 器采用 三
菱公司生产的二单元 ４０Ａ ３ ０ Ｍ 构成。由 ０ ／ ０Ｖ Ｉ ３ Ｐ
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图 １ ＡＣ ３型 辅 助 电 源 系统 电路 框 图 ０
虽 然 ＩＭ 将 驱 动 与 保 护 都 集 成 在 功 率 模 块 Ｐ Ｉ Ｔ（ ＧＢ 绝缘 栅 双 极 型 晶体 管 ） 内 ， 设 计 人 员 有 之 对 利 ， 是并 不为其 他制 造商看 好与认 可 ， 但 因而 至今没 有 被 推 广 。这 种 形 式 的 Ｉ Ｍ 仍 是 三 菱 独 家 生 产 。 Ｐ
上海地铁列车参数
上海轨道交通二号线（SIEMENS）上海地铁二号线电客车辆是引进德国先进技术，由Adtranz公司总体设计和总负责、Adtranz公司和Siemens公司制造，并由Adtranz负责组装和调试。
引进车辆分为AC01和AC02型二种，其中AC01型电动列车运营服务于一号线，AC02型电动列车运营服务于二号线。
车辆总体设计目标按车辆技术规格书要求，要达到性能先进、经济有效、可靠安全、低维修、造型美观、乘座舒适，设计寿命为30年。
车辆类型与DC01型电动列车相同，仍分A、B、C三类型车，其中A型车为带司机室的拖车、B车为带受电弓的动车、C车为带空压机的动车，基本列车编组六节形式为：—A ═B * C═B * C═A—注：—：自动车钩═：半自动车钩*：半永久车钩车辆的车体结构采用大型铝合金挤压型材及板材焊接结构，整体承载、轻量设计、耐腐蚀。
车辆之间设有宽，高的贯通道。
车辆每侧有5扇开度为、高为的内藏式对开风动移门。
座椅纵向布置，每辆车客室中心线上设置13根立柱，两边设垂直扶手和水平扶手，与一号线DC01型车辆相比较，AC01/02型车辆在车厢连接棚、灯槽、音箱罩、拉杆等方面都作了更新的设计处理，车厢更宽敞明亮了，体现了“以人为本”的理念，可满足上海地区大容量运营的需求。
转向架采用无摇枕钢板焊接结构，一系簧悬挂采用人字金属橡胶簧，二系簧采用空气簧，以确保车辆具有良好的动态特性和舒适性。
车辆通过受电弓从架空线网获得直流1500V供电。
电气传动采用先进的交流调压调频（VVVF）三相交流异步电动机驱动（直-交），与DC01型车辆牵引采用直流传动（直-直）相比，具有特性好、节能和维修工作量少的突出优点。
司机室操作的控制：司机能直接从屏幕上及时掌握列车的运行状态和故障情况，便于及时记录故障、排除故障。
车辆通风空调系统方面：与DC01型车辆空调系统相比，风道设计更趋合理。
在紧急状态下，能在外部失电，靠蓄电池维持45分钟的紧急客室照明、头尾灯、通信设备和通风用电。
电动列车主逆变器GTO牵引相模块的IGBT替代研制(1)
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ＩＧＢＴ驱动方案及分析 通主士对６与Ⅳ触发渡形分析来构建二种
ＩＧＢＴ驱动电路方案第一种由分立儿件电路构成． 鼾一种采用瑞士公可生产的ＩＧＤ５Ｉ ５驱动模块丰勾成 的电路打案，第＝种ｍ瑚”公一ｑ生产的２ＳＤ３１ ５驱 动模块构成。通过对ｊｔ所构成的驱动电路分析‘ｊ试
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功率模块IGBT、IPM、PIM性能综述说明书
功率模块IGBT、IPM、PIM 的性能及使用时有关问题的综述1 IGBT主要用途IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率1-20KHZ，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中。
例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。
问世迄今有十年多历史，几乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中，单个元件电压可达4.0KV（PT结构）— 6.5KV（NPT结构），电流可达1.5KA，是较为理想的功率模块。
追其原因是第三代IGBT模块，它是电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，元件容量大等优点。
实质是个复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。
又因先进的加工技术使它通态饱和电压低，开关频率高（可达20KHZ），这两点非常显著的特性，最近西门子公司又推出低饱和压降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系，所以世界各大器件公司都在奋力研究、开发，予估近2-3年内，会有突破性的进展。
目今已有适用于高压变频器的有电压型HV-IGBT，IGCT，电流型SGCT等。
2 关断浪涌电压在关断瞬时流过IGBT的电流，被切断时而产生的瞬时电压。
它是因带电动机感性负载(L)及电路中漏电感(Lp)，其总值L*p = L + Lp则Vp* = Vce + Vp而Vp = L*p di/dt在极端情况下将产生Vp* Vces（额定电压）导致器件的损坏发生，为此要采取尽可能减小电感(L)，电路中的漏电感(Lp)—由器件制造结构而定，例合理分布，缩短到线长度，适当加宽减厚等。
上海地铁车辆主逆变器GTO牵引相模块的IGBT替代研制
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维普资讯
第３卷 １
第３ 期
电力 机 车 与 城 轨 车 辆
Ｅｌｃｒｃ ｅ ｔｉ Ｌｏ ｏ ｔｖ ｓ ＆ Ｍ ａ ｓ ｃ ｍｏ ｉｅ ｓ Ｔｒｎｓｔ ａ ｉ Ｖｅ ｌ ｈｃｅｓ
Ｖｏ ． Ｎｏ ３ １ ３１ ． Ｍ ａ ０ ｈ， ０ ｙ ２ ｔ ２ ０８
Ａ ｂ ｔａｃ ：Ｆｉｓｌ ｈｉ ｐｅ ｅ ｅ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｄ ｏ ｒｔｏ ｉｃｐｌ ｆＧＴ０ ｓｒ ｔ ｒｔｙ ｔ ｓｐａ ｒｐｒ ｓ ｎ ｓｔ ｔｕｃ ｕ ｅ ａ ｐｅ ａｉｎ ｐｒｎ ｉ ｅ ｏ ｈ ｎ ｐｈａ ｅｍ ｏ ｕｌ ｎ ｓ ｄ ｅ ｏ ＶＶＶＦ ｒｃ ｏ ｎｖ ｒｅ ｎ ｔａ ｔ ｎ ｉ ｅｔｒｉ ｉ ｈ ｔ ｅＡＣ ｉｖ ｅ ｃｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎ ｏＳｈ ｇ ｉｍｅ ｏ ｄｒ ｅ ｖ ｈｉｌ ｎ ｒ ｃ ｄ ｉｔ ａ ｈａ ｔ ．Ｔｈｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｆｅｅ ｔｉａ ｒｏｍ ａ ｃ ｄ ｄｒｖ ｏｔｇ ｖ ｆ ｄ ｎ ｒ ｎ ｂ ｄ ｏ ｎ ｓｓｏ ｌｃｒｃ ｐｅ ｒ ｎ ｅ ａ ｉ ｅｖ ｌａ ｅ ｗａ ｅ ｏ ｓ ｈ ｌ ｌ ｆ ｎ ｈ ＧＴ０ ｍｏ ｕｌ ｔｅ ｕｂ ｔｔ ｔｏ Ｉ ｔｅ ｄ ｅ， ｓ ｓ ｕ ｉｎ ＧＢＴ ｍｏ ｕｅ ｏ ＧＴＯ ｐ ｓ ｍ ｏ ｕｌ ｉ ｄ ｖ ｌｐ ｄ． Ｔｈ ｃ ｍ ｐ ｒ ｔｖ ａ ａ ｙ ｉ ｏ ｅｅ ｔｉａ ｈ ｉ ｄ ｌ ｆｒ ｈａ ｅ ｄ ｅ Ｓ ｅ ｅｏ ｅ ｅ ｏ ａ ａ ｅ ｎ ｓｓ ｆ ｌｃ ｒｃ ｉ ｌ ｌ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｄ ｔ ｅ ｆ ｃｔ ｎ ｏ ｈ ｅ ｄ ｖ ｒｃｒ ｕｉ ｆＧＴＯ ｎｖ ｒｅ ｄ Ｉ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ａ ｕｎ ｉ ｆｔ ｒ ｅ ｉｃ ｔ ｏ ｍ ｎ ｈ ｏ ｉ ｓ ｉ ｅ ｒａ ＧＢＴ ｉｖ ｒｅ ｓｍ ａ ｅ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｎ ｅ ｒｉ ｄ ｎ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ｔｔ ｙ ａ ｔ ｈ ｓ ｈ ｈ ｒ
城轨列车牵引系统设备检修—调频调压牵引逆变器VVVF的检修
● 续流二极管V4的测试
(1)将测量仪表的正极接在接线端3上。 (2)将测童仪表的负极接在接线端2上，如图2所示。测得的值 为0.2 ~0.3kΩ时表示二极管正常。 (3)调换测量仪表的极性，测得的值为无穷大时,二极管正常;测 得的值为0时，表示续流二极管或者并联的GTO损坏。 (4)拆下损坏的二极管并检查。
电流及防止输入电压过高。（ ）
牵引逆变器R140接地电阻接在牵引箱与车辆之间，将牵引箱接地与车辆
接地隔离。（ ）
爱岗业
答案： 1、（ √ ）2、（ √ ）3、（ √ ）4、（ × ）5、（ √ ）6、（ √ ）
03
问答题
1、车辆牵引逆变器的作用是什么？
答：车辆牵引逆变器把来自接触网上的1500V直流电变换为三相0 V ～ 1150 V 交流电，为两个动车转向架上的牵引交流电机提供交流电。
2、简述车辆牵引箱的拆卸步骤。
答：车辆牵引箱的拆卸步骤如下：
1、打开牵引箱两侧和底部的检修盖；
2、从牵引箱背面拔出蓄电池电压的连接插头和控制电缆的连接插头；
3、拆下牵引箱内所有供电电缆的连接；
4、拆卸设备风扇电缆；
5、松掉牵引箱背面的PG密封板，把PG密封板的电缆固定在车上；
6、拆下牵引箱所有的接地电缆；
模块散热器上的PT100温度传感器；如果上述检查正常且故障重复出
现，更换相应的GTO模块。
爱岗业
03
模块测试
教学目标
► 掌握模块测试
教学重点
► 吸收二极管V5、V6的测试 ► 续流二极管V4的测试 ► 续流二极管V3的测试
目录
01 02 03
吸收二极管 V5,V6的测 试
续流二极管 V4的测试
地铁车辆牵引培训
VVVF组成及介绍
• 牵引逆变器将1500V直流电压转换频率和电压 均可调的三相交流电压（针对不同的速度和力 矩，频率和振幅可变），为牵引电机供电。
• 牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，早期地 铁列车VVVF的功率元件是GTO，近年来，随 着IGBT技术的不断发展，目前VVVF的功率 元件已经普遍采用IGBT元件。牵引逆变器采 用模块化设计。
线路电抗器L100
线路电抗器L100
预充电电阻
预充电电阻
• 作用：当直流电路电容器被充电至线网电 压时，预充电电阻器起到限制电流的作用。
• 预充电电阻器通过预充电接触器以串联方 式连接到电路中。有了这个电路，直流电 路电容器便可被缓慢充电直至达到线网电 压。在达到一定的电压限值后，线路接触 器接通，预充电接触器断开。
牵引系统工作原理
• 由公式可以看出：转矩T与电机电压和电 源频率之比（V/fi）的平方成正比、与转 差频率fs成正比。同时还说明，当转差频 率fs为负值时，转矩T为负值，产生了制 动力。因此，在采用VVVF逆变器的电动车 中，只要控制压频比（V/fi）和转差频率 （fs）即可自由的控制牵引力和再生制动 力。
• 再生制动产生的能量不断的增加，把电网的电压抬高， 当超出一定的范围时，为了保证设备的正常使用就必须 要进行强制降压，因此就出现了利用电阻来消耗过多的 能量。这种方式就称之为电阻制动。
再生制动
电阻制动
二、主电路
•
三、牵引系统的组成
• 司机控制器 • 受流系统 • 高速断路器 • 线路滤波模块 • 制动电阻 • 牵引电机 • 牵引逆变功率模块
《城市轨道交通车辆及操作》期末考试题库
《城市轨道交通车辆及操作》题库一、填空题1、世界上第一条城市地下铁道诞生于1863年的（）。
2、北京地铁车辆经历了三次更新换代，第一代（）；第二代（）；第三代（）。
3、客室车门采用（）拉门或（）拉门两种类型。
4、车门按照安装位置的不同，有（）、（）和（）之分。
5、列车的电器部分是由（）和（）组成。
6、轨道车辆速度参数包括（）、（）、（）。
7、列车底架就是由各种（）和（）钢架组成的长方形构架。
8、我国常见的地铁列车车厢主要有三种：（）、（）和（）。
9、客室车厢一般由（）、（）、（）、（）、（）和其他设备构成的。
10、水平、垂直扶手和侧边屏风有抛光的（）材料制成。
11、按照功能，可将轨道交通车辆车门分为（）、（）、（）、（）。
12、按照车门的驱动系统，可将轨道交通车门分为（）和（）。
13、按照车门的运动轨迹以及车体的安装方式可分为（）、（）、（）和（）。
14、客室塞拉式车门主要有客室（）塞拉门和客室（）塞拉门两种。
15、客室端门有（）和（）两种。
16、驾驶室侧门通常采用（）或（）。
17、车钩缓冲装置由（）、（）、（）和（）构成。
18、车钩可分为（）、车钩和（）车钩。
19、连接式车钩按照牵引联挂装置的连接方式可分为（）、（）和（）三种。
20、全自动车钩有（）、（）和（）3种状态。
21、解钩有两种方式进行，一种为（）解钩，另一种为（）解钩。
22、转向架是车市轨道交通车辆的重要走行部件，安装在（）与（）之间。
23、转向架根据是否装有动力设备分为（）转向架和（）转向架。
24、一系悬架提供的是（）和（）之间的连接。
25、二系悬架提供的是（）和（）之间的连接。
26、城市轨道交通车辆制动方式一般有（）和（）制动两种。
27、螺杆式空气压缩机的工作过程分为（）、（）和（）三个阶段。
28、空气制动系统按其作用原理的不同，可以分为（）制动机、（）制动机和（）制动机。
29、EP2002制动控制系统是由（）公司研制生产的。
30、常用制动方式为再生制动、电阻制动和空气制动，在制动过程中，他们分为（）、（）和（）制动。
城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势
城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势马颖涛【摘要】Recent development of APS is described from perspectives of parallel operation mode,converter topology and devices of the next generation.Following technical progress,light-weight design of APS becomes the main development direction for urban rail transit trains.In which,parallel operation mode will replace the extended power supply and the cross power supply to reduce the total capacity of the train,median frequency technology is adopted to replace the power frequency isolating transformer,thus the weight of APS will be significantly reduced.In the future,application of the next generation power devices such as Silicon Carbine (SiC) will replace the silicon-based IGBT,leading to smaller cooling components,inductors and capacitors.All the light-weight technologies represent the development trend of APS.%以轻量化为主线,从供电模式、变流器拓扑结构、新器件应用三个方面,综述了城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势.随着技术的进步,辅助逆变电源朝着轻量化的方向不断改进:采用并联供电方式替代扩展供电和交叉供电,降低整车电源总容量;采用中频化技术,取消工频隔离变压器,降低体积质量;采用碳化硅(SiC)器件替代Si基IGBT(绝缘栅双极晶体管),减小电感、电容、冷却系统的体积质量.以并联供电、中频化技术、新器件应用为代表的轻量化技术是城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2017(020)007【总页数】4页(P90-93)【关键词】城市轨道交通车辆;辅助逆变电源;轻量化【作者】马颖涛【作者单位】中国铁道科学研究院机车车辆研究所,100044,北京;北京纵横机电技术开发公司,100094,北京【正文语种】中文【中图分类】U270.38+1Author′s addressLocomotive and Car Research Institute，China Academyof Railway Sciences，100044，Beijing，China近年来，我国城市轨道交通（以下简为“城轨”）建设快速发展，城轨车辆需求旺盛。
地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制研究
地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制研究摘要：地铁车辆牵引逆变器共模电压会导致电机绝缘轴承内外圈的轴电压过大，其电压会击穿绝缘油膜，致使绝缘失效，引起轴承电蚀，从而严重影响了车辆安全运行。
关键词：地铁车辆；牵引逆变器；共模电压当前，几乎所有地铁车辆变频器都采用脉宽调制(PWM)技术来改变变频器输出波形。
与其他控制形式变频器相比，PWM技术能降低牵引电机谐波损耗，减小转矩脉动，简化逆变器结构，提高系统响应时间。
然而，由于PWM脉冲的固有特性，输出电压在很短时间内快速变化。
基于此，本文详细探讨了地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制。
一、共模电压概述共模电压(common mode voltage):在每一导体和所规定的参照点之间(往往是大地或机架)出现的相量电压的平均值。
或同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。
共模电压会使电路的工作点发生变化，输出电压的动态范围减小，若共模电压三极管极电流过大还会烧坏三极管。
二、牵引逆变器的发展概述在地铁车辆牵引电气系统中，牵引变流器主要应用于直交变流系统，用于地铁的是直交逆变系统，牵引逆变器是城市轨道交通车辆的心脏，其性能能保证城市轨道交通车辆的运行性能和质量。
牵引逆变器电力电子器件从半控型晶闸管、全控型晶闸管直接到绝缘门极双极型晶体管、作为电压驱动的全控型开关器件，IGBT脉冲开关具有很高的频率、较好的性能，而且其损耗和自保护能力优异。
无论对运输部门还是制造商，IGBT变流器都具有低成本和高效率特点，不仅如此，其可靠性和可用性都能得到保证，并在整个牵引传动领域中起到主导作用。
牵引逆变器不仅要满足地铁的运行速度，还要满足其运行工况。
其站间距离短，能在地下隧道运行，运行安全性很有保证，不仅部件的可靠性能得到保证，其故障运行能力也能保证地铁在出现故障时运行到车辆维修厂。
电传动系统装置尽可能的轻量化，并具有很好的过载能力，能保证在高峰期也难能持续运行。
电力电子技术发展促进了现代牵引电传动技术的发展，其控制方式经历了凸轮调阻、斩波调压和调频调压三大方式。
上海地铁二号线车辆VVVF牵引逆变器保护系统
上海地铁二号线车辆VVVF牵引逆变器保护系统
程隆华
【期刊名称】《电力机车与城轨车辆》
【年(卷),期】2003()4
【摘要】介绍了上海地铁二号线车辆VVVF牵引逆变器系统的保护机理,分析了系统运行参数的实际值监控,关键组件的监控和自动测试。
【总页数】4页(P35-37)
【关键词】上海地铁;VVVF牵引逆变器;保护系统;保护机理;地铁车辆;电压;电流;速度;温度;运行参数监控;GTO模块;传感器;门极单元
【作者】程隆华
【作者单位】上海阿尔斯通交通设备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U264.3
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２电气性能测试及ＩＧＢＴ驱动方案
２．１ Ａ１（或Ａ２）的Ｇ与Ｋ测试波形 根据对ＧＴＯ触发通断信息要求的分析：导通时首先
要求有几十斗ｓ宽的强触发信号，同时，为可靠导通还要 给予额定的正向偏置约＋ｌ Ｖ；关断时也需要有足够的关 断能量，尔后施以负偏置约一１５ Ｖ，保证可靠关断。
当Ａ３上对应牵引控制单元ＴＣＵ的端子Ｘ２输以约 １１２ Ｈｚ的触发通断信号时，测试波形如图４所示。对图中 ＧＫ波形的上升沿和下降沿展开时，可以看出约有５０斗ｓ 宽的强触发导通脉冲和约１ Ｖ的正向偏置电压，以及有 强的瞬间关断能量与约１４ Ｖ的负偏置电压确保可靠关 断。因而图４的ＧＫ触发波形是符合对ＧＴＯ触发信息的 要求的。
证的控制信转驱动电路Ｃ＆Ｑ单元装在一个屏蔽盒内，并
布置在Ａｌ和Ａ２的下面，固定在一块绝缘的环氧板上，
空间足够，固定将是很牢靠的。
４）ＩＧＢＴ牵引相模块的基本结构如图７所示。
ｘ１ ｘ２
ｃ＆Ｐ控制、信转、保护及驱动电路；Ａ３一驱动控制逻辑单元；Ａ１和
Ａ２一高压驱动单元；ｓｎｕｈ一吸收电路。
图７ ＩＧＢＴ牵引相模块结构电路
万方数据
一２９—
电力机车与城轨车辆·２００８年第３期
尖峰电压的电阻、电容和二极管组成的低损耗的非对称
式吸收电路；晶闸管ＧＴＯ用的门极驱动组件，其由Ａ３、
Ａ２和Ａ１三个小部件构成，以及三个小部组件之间的连
线及光缆等；此外，还有温控小部件。这些部件中主要可
分为如下三类：一是主电路部件，由晶闸管ＧＴＯ、续流管
是非对称式吸收电路的一个器件。高压驱动单元Ａｌ和
Ａ２是直接驱动ＧＴＯ的单元，通过Ａ１和Ａ２按ＰＷＭ规律
交替通断Ｖ１（ＧＴ０１）和Ｖ２（ＧＴ０２），将输入端Ｐ与Ｎ间的
直流电压变换为输出端Ｌ的交流电压。
上，
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一３０一
万方数据
余强等·上海地铁车辆主逆变器ＧＴＯ牵引相模块的ＩＧＢＴ替代研制·２００８年第３期
图４ ＧＫ触发信号波形（１０ Ｖ／Ｄｉｖ） ２．２ ｌ ＧＢＴ驱动方案及分析
通过对Ｇ与Ｋ触发波形分析来构建ＩＧＢＴ驱动电路 方案，并分析了３种驱动电路方案：第一种由分立元件电 路构成；第二种采用瑞士公司生产的ＩＧＤ５１５驱动模块构 成的电路方案；第三种也是用瑞士公司生产的２ＳＤ３１５驱 动模块构成。通过对其所构成的驱动电路分析与试验，及 对测试波形的比较，可选择后两种方案，即采用由 ２ＳＤ３１５或ＩＧＤ５１５构成的ＩＧＢＴ驱动电路；信转电路也通 过采用光耦与运放比较后，宜采用后者或组合式来构成。 所设计的驱动电路框图如图５所示，图５中Ｃ＆Ｑ为控 制、信转、保护及驱动电路单元，其状态反馈仍由Ａ１、Ａ２ 与Ａ３来完成，过流或短路也由原逆变器的电流传感器来 实施，而ＩＧＢＴ驱动电路又具有抗短路保护功能，其所需 的驱动功率是由Ａ１或Ａ２输出的电气上已隔离的１５ Ｖ 直流控制电压来提供的。通过对所设计与研制的驱动电 路单元的试验，得到的测试波形如图６所示。Ｃ＆Ｑ单元 的输人为Ｇ与Ｋ的波形，输出为触发ＩＧＢＴ的Ｇ与Ｅ的 ｙ伍波形。
源线与红兰两根信息线）；Ｘ５是输入到高压驱动单元 Ａ２，而Ｘ６是输到高压驱动单元Ａ１；Ａ３上的两个光缆座 Ｂ３和Ｂ４分别对应于Ａ２和Ａｌ上光缆座，它们由相应的 两根光缆相连，Ａ２和Ａ１上Ｒ是光缆的发射器，Ａ３上的 Ｂ３和Ｂ４是光缆的接收器；接线端子Ｘ２与牵引控制单元 ＴＣＵ相连，接受控制ＧＴＯ的触发信号。
Ｄ、吸收电路以及连接铜排构成；－－是控制电路部件，由双
门极控制单元Ａ３和高压驱动单元Ａｌ与Ａ２构成，以及
温控部件等；三是机械结构部件，主要为散热器底盘及其
它用于固定部件的结构件。
。
１．２牵引相模块上的接口件
１）相模块与外部的接口件：相模块与外部的接口件
在主电路方面有５个接口端子，分别是Ｐ（＋）、Ｎ（一）、Ｌ（一）
由测试波形看出，Ｇ与Ｋ的触发通断波形与ＩＧＢＴ的 触发波形ｙ伍的前后沿几乎完全相吻；如对其上升沿展 开可见，ｙ僵上升沿对ＧＫ上升沿延时约１斗ｓ；而对它们 下降沿展开则矿晓下降沿相对ＧＫ下降沿延时约２Ｉ．Ｌｓ。
所以‰的导通脉宽比ＧＫ的导通脉宽宽约１斗ｓ，这在工
程上完全可忽略不计，此外这约１ Ｉａ，ｓ的差异早被淹没在 死区时间（或吸收电路所引起的时间）里了。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＶＶＶＦ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＧＴ０；ＩＧＢＴ；ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
上海地铁运行的ＡＣＯＩ／０２型电动列车是２０世纪９０ 年代末从德国引进的交流传动地铁车辆，其核心部件是 采用当时先进的可关断晶闸管ＧＴＯ构成的主牵引逆变 器。它在结构上由３个牵引相模块和一个制动相模块构 成，前者实现将直流电变换成交流电，后者可将反馈的能 量消耗在制动电阻上。这４个ＧＴＯ相模块即构成交流传 动用的ＶＶＶＦ牵引逆变器，所采用的ＧＴＯ晶闸管的规格 为３ ０００Ａ／４５００Ｖ，由于绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ模块 迅速发展，使这类规格的ＧＴＯ器件面临淘汰的局面，因 而研究采用ＩＧＢＴ模块替代ＧＴＯ以解决无此备品替换的 危机是很有必要的。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＧＴＯ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌｅ ｏｎ ＶＶＶＦ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ ｔｌｌｅ ＡＣ ｄｒｉｖｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ Ｓｈａｈｇｈａｉ ｍｅｔｒｏ．Ｔｈｅｌｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｄｒｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ＧＴＯ ｍｏｄｕｌｅ．ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ＧＴＯ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌｅ ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ＧＴＯ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ＩＧＢＴ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｍａｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｍｅｙ ａｒｅ ｅｘａｃｔｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ＩＧＢＴ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｗｅｌｌ ＳＯ ｆａｒ．
端子一Ｘ２和一ｘｌ。
１．３相模块的电气原理
１．３．１主电路及其原理
由ＧＴＯ牵引相模块的主电路图（见图２）可以看出：
Ｖ１与Ｖ２为两个主晶闸管ＧＴＯＩ和ＧＴ０２；Ｖ４和Ｖ３为
Ｖ２和Ｖｌ的续流管；电容Ｃ１。Ｃ４和Ｃ５～Ｃ６及吸收二极
管Ｖ５一Ｖ６一起构成低损耗的非对称式吸收电路；Ｃ７和
Ｒ７为Ｖ５一Ｖ６的阻容吸收电路；电阻Ｒｌ是外接电阻，也
电源 ，，
Ｄｃ １４０ ｖ
ＴＣＵ
｝０
Ｂ３
Ｘ９
Ａ２
吲Ｉ Ｘ５
Ａ３
Ｘ６ ，ｃ厂］
Ｘ２
４｜ＡＩ Ｉ ：
Ｂ４
Ｕ
图３控制电路的原理框图
当Ａ３的Ｘ９插座输入ＤＣ １４０Ｖ电源时，输出端子 ｘ５或Ｘ６的黑白两根电源线上为－Ｉ－６５ Ｖ、５０ ｋＨｚ的方波 电源，用于传递给驱动电路Ａ１或Ａ２所需的驱动功率， 而其两根红兰信息线上无信号。此时Ａ１和Ａ２上的光缆 发射器点亮，通过光缆发射光束，让Ａ３上的Ｂ３和Ｂ４光 缆接收器接收到红外光束，同时Ａｌ和Ａ２触发的ＧＴＯ的 Ｇ与Ｋ端子是负偏置，电压约为一１４ Ｖ，即桥臂上两个 ＧＴＯ是处于断态。所以此两根光缆仅是传递Ａ１和Ａ２触 发的ＧＴＯ处于断态的状态信息，且当Ａ３得知两个ＧＴＯ 均处于断态时，才允许向Ａ１或Ａ２发送触发导通信号 （ｉＸ里对ＧＴＯ的触发信息不是由光缆发送的），这也确保 电压型逆变器任一桥臂的上下两管的先断后通的原则。 Ｘ５或Ｘ６端子上的红兰两根信息线是传递对ＧＴＯ导通 的触发信号。该触发信息是由牵引控制单元ＴＣＵ经Ａ３ 上接线端子Ｘ２传递进去的。当由Ｘ２通人对Ａ１或Ａ２触 发的ＧＴＯ触发导通信号时，相应的ＧＴＯ会导通，此时Ａ１ 或Ａ２上的光缆发射器变暗。
图中，ＩＧＢＴ替代ＧＴＯ及其续流管，因为ＩＧＢＴ模块已
及Ｃ＋和Ｃ一；控制电路方面有Ａ３上的电源接线端子Ｘ９
和与ＴＣＵ相连的电缆座Ｘ２及底盘上ＰＴｌ００的Ｘ５。
２）相模块上部件问的接口件：相模块上部件间的接
口件有Ａ３上的光缆连接插座Ｂ３和Ｂ４，分别对应高压驱
动单元的Ａ２和Ａ１上的光缆连接插座；Ａ３上的连线端子
一Ｘ５和一Ｘ６，分别对应高压驱动单元的Ａ２和Ａｌ的连线
ＹＵ Ｑｉａｎ９１，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｊｉｎ９１，ＹＵＡＮ Ｄｅｎｇ－ｋｅ２，ＴＡＯ Ｓｈｅｎｇ－ｇｕｉ２
（１．Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｅｔｒｏ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
中图分类号：Ｕ２６４．３＋７
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２一１１８７（２００８）０３－－００２９－－０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ＧＴＯ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ
ｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ
图５ ＩＧＢＴ相模块的控制、驱动电路原理框图
ｌ一驱动电路输出波形；２－—ＣＫ输入波形。 图６ ＧＫ输人波形和驱动电路输出波形的比较