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。

同时，通过采用低感母线技术以降低母线的寄生电感来达到
抑制关断时的尖峰电压的目的，使逆变器可以取消吸收电路，这样进一步
简化了结构，缩小了体积，减轻了重量。

1.3 低噪声化的PWM控制
牵引变流器采用变压变频的调速方法，称其为变压变频逆变器。

所采
用的脉宽调制控制方式（PWM）主要有：高频全域异步控制方式，低频
异步、同步并用控制方式，低频全域异步控制方式和异步扩大控制方式（GTO方式）。

采用这些控制方式都会有大量的谐波存在，这些谐波也就
是逆变器产生噪声之源。

而通过改变高次谐波分布范围的控制模式，如频
谱扩散控制方式，可以降低电磁噪声。

1.4 无速度传感器矢量控制
对逆变器和异步电机构成的交流传动系统，目前均已采用性能优良的
旋转矢量控制或直接转矩控制，这些控制中均需要电机速度的反馈信号。

由于微电子技术迅速发展，计算功能越来越强，也就开发出采用无速度
传感器的矢量控制技术。

由于取消了速度传感器，轴向距离扩大，这为
电机的设计提供了很大的方便。

无速度传感器的矢量控制是通过控制转矩
电流以同时实现速度测算和高速转矩响应。

这种控制方式的特点是不需要
速度传感器及所带来的维护工作量，同时有利于提高系统的可靠性及电机
设计的灵活性。

1.5 全电制动停车控制
现有城市轨道交通停车控制（低速阶段）主流是靠气制动实现停车，而气制动在低速时会存在气制动和电制动配合问题，即气制动逐步上升，
电制动逐步降低，在理论上可保证减速率满足相关要求。

但实际过程中，由于参考值会随时发生变化，最终使得减速率并不能完全响应参考值
（由司机控制器或者ATO接口输出）需求，导致乘客感觉到较明显的晃动，影响到乘客舒适度。

另外也存在停车对标不准的风险。

而实际上，目前已
有相关技术实现了全电制动控制停车功能，提高了停车精度，降低了停车
冲击和制动噪声，减少了制动闸片的摩擦损耗，目前这一技术已在一些项
目中有很好的应用。

2.辅助逆变器的发展
城市轨道车辆上的辅助逆变器早期采用笨重的旋转式电动机—发电机
变流机组，随着电力电子器件的发展，现均已采用了电力电子器件构成的
静止式变流机组，其构成的方案有：1）斩波稳压再逆变，加变压器降
压隔离；2）三点式逆变器加变压器降压隔离；3）电容分压两路逆变，加
隔离变压器构成12脉冲方案；4）两点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；5）直—直变换与高频变压器隔离加逆变的方案等。

这些方案各有其
特点，而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。

辅助逆变器目前也存在一些
发展趋势，如并网供电方式的应用，并网供电方式必须要时刻检测中压
交流母线的幅值、相位、频率这三个交流电要素，保证所有辅助逆变器输
出完全一致，这对辅助逆变器软硬件设计提出了较高的要求，目前此技术
已在国内不少项目得到了应用。

苏州一号线车辆并网供电的原理如下所示：苏州一号线每列车由4辆编组构成，共4个辅助逆变器构成交流中压
网络系统，当任何1个辅助逆变器故障后，只需断开其输出接触器，剩余
3个辅助逆变器仍可正常供电，列车的可靠性及舒适性进一步提高。

3.列车控制系统的发展
传统的列车控制系统仅仅是将车辆的各个系统的状态及故障信息进行
搜集，将这些信息进行处理后在车辆显示屏和事件记录仪进行显示和记录，并不起控制车辆作用，因而称为Train Management Sytem ，简称TMS系统。

而随着相关技术发展，列车控制系统的可靠性、响应时
间等大幅提高，列车控制系统逐步突破“监而不控”的局面，逐步参
与到车辆的控制，甚至是参与到车辆控制核心：牵引制动相关计算。

因
而目前已改称为Train Control And Management Sytem ，简为TCMS系统。

在欧洲列车控制系统已开始采用以太网（Ethernet）的方式
组网，目前国内地铁建设者也在积极关注，有望成为下一个趋势。

4.总结和展望
轨道交通牵引系统目前还属于快速发展阶段，需要从各个方面去完善
去发展，本文浅析了其发展趋势，起到个抛砖引玉的作用，还请同行和大
方之家不吝指教！。