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摘要：变频传动技术在我国轻轨车辆和地铁中有着广泛应用，随着地铁载客量的不断增加，需要使用更大功率的变频调速系统。本文首先对大功率变频调速系统的技术原理和应用优势进行了简要概述，随后就该系统在地铁车辆牵引控制中的具体应用展开了简要分析。
关键词：变频调速；地铁；大功率电机；牵引控制
引言：地铁车辆所用电机在使用过程中启动、停止频繁，加速减、速频繁，为满足使用要求，对牵引电机的控制提出了较高的要求。变频调速系统VVVF（VariableVoltageandVariableFrequency的缩写，意为：可变电压、可变频率），VVVF控制的逆变器连接电机，通过同时改变频率和电压，达到磁通恒定（可以用反电势/频率近似表征）和控制电机转速（和频率成正比）的目的。VVVF系统作为当前先进的调速方式，具有过载能力强、节约能源、运行稳定等特点，逐渐成为城市轨道交通车辆的重要组成部分
一、大功率变频调速系统的概述
1、技术原理
大功率变频调速系统主要是依照电机学的基本内容进行运作，在这个系统实际运行过程中，主要通过调节相应的供电频率，来实现对机器设备运行速度的调节。相关工作人员需要注意观察转差率的变化情况。当异步电动机转速会与定子供电频率成正比时，就表示转差率基本无变化。地铁运行主要就是依靠供电系统电能频率的变化来实现对环控系统的频率调节工作。
2、实现方式
要想在电路运行系统当中实现VVVF控制，目前比较常见的实现方式主要是依靠PAM(脉幅调制)和PWM（脉宽调制）。在具体实施过程中，可以使用相应的技术手段对电流脉冲的宽窄度进行调控，并对各个脉冲之间的“占空比”进行调节，从而实现对电压的控制功能。电流实际的脉冲宽窄问题与占空比之间具有一定的联系性，可以用数学当中的相关公式来将这种联系表示出来，如下图所示的SPWM波形图，这种图形可以直观清晰的展示出供电设备运行过程中电流的运输过程，这主要是通过绕组的功能特点实现的。
3、进行速度调控的方法
想要能够获得理想的SPWM波，技术人员可以利用等腰三角形波与正弦波进行比较。如下图所示，两个图形之间的交点就是电力运行当中开关管的“开”或“关”时刻。通常情况下，技术人员将这个三角形的波形称之为载波波形，而另一个正弦波被称为调制波。从图形上来看，改动调制波的幅值，就能够使两个图形的相交位置进行变动。脉冲的宽窄就会随之产生一些变化，达到调节电源输出电压数值大小的目的。
二、大功率变频调速技术在地铁车辆牵引控制中的应用
1、地铁车辆牵引变频调速系统设计
在大功率变频调速系统中，主要的控制设备是PLC，能够对前端感应器、监测器收集到的数据信号进行分析，并且进行自动适应调整。另外还包括主电路、保护电路、逆变电路等组成部分。在变频机组的输入回路中，安装有滤波电抗器，其作用主要有两方面，其一是对系统运行中产生的谐波进行处理，避免谐波干扰影响变频调速系统的运行稳定性，其二是将变频机组和供电系统相互隔离开来，避免产生电磁干扰。系统的主要参数是：最高输入电压DC1000V，额定输入电压DC750V；最高输出电流1.8×103A，额定输出电流为900A；最大开关频率480Hz，额定功率可以达到96%。
2、逆变器主电路设计
（1）基本原理。系统在正常通电情况下，额定电压DC750V依次经过接触轨、隔离开关等电气元件，最终进入到变频机组中。在系统内部，这些电流先要经过保护充电电路的检测，确定电流、电压均在额定范围之内后，进入到逆变器回路中。如果实际电流超过额定电流，则需要进行降压后重新检测。在逆变器回路中，存在三相逆变功率模块，可以将直流电压转化成三相交流电压，这样就可以让三相异步牵引电动机正常运行。在逆变回路中，其他的重要组成部分还有斩波模块、跳断接触器、晶闸管等。
（2）逆变器开关元件的选用。在大功率变频调速系统中，对逆变器提出了更高的运行要求。在选择逆变器开关元件时，也必须使用更大容量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)元件。目前，国内地铁交流驱动系统中，IGBT元件已经得到了广泛使用，并且结合应用效果的对比，可以发现使用IGBT元件后，逆变回路中可以承载的最大电流，是原逆变回路的2倍左右。在选择逆变器开关元件时，除了要关注可承载的最大电流外，像工作频率、冷却方式等，也都是影响逆变器开关元件选择的重要因素。选择使用的IGBT参数为1800V/2200A，完全能够满足现阶段大多数地铁车辆牵引变频调速系统的运行要求。
（3）主电路的保护。在变频调速系统的运行中，需要设置缺相、过压、过载等保护功能，以维持地铁车辆在不同运行状态下变频调速系统的正常工作。例如，IGBT内部有过电流信号检测模块，在变频调速系统中实际电流值超过额定电流时，电路中会产生过电流信号。IGBT检测到该信号后，通过驱动设备将该信号反馈给主控电路，从而切断电路以达到保护IGBT不受损害的作用。
3、控制系统的实现
根据交流传动机车的牵引特性，在弱磁范围进行的控制是恒功率调节，而不是恒转矩调节，并且工作电压在整个区段中起作用而没有零状态电压工作的时间。在高速范围，即40%-100%额定转速之间仍然采用六边形磁链，只是控制方法有所改动，需要确定磁链矢量的区间及幅值，利用转矩调节器以控制转矩。在低速范围内，则采用磁链圆形轨迹，因为在牵引领域，起动范围要求很高的磁通，低速下采用圆形轨迹，可以有效的提高磁通。控制系统的硬件实现采用电机控制专用芯片TMS320F240，这种芯片能够更好的符合大功率变频调速系统的运行需要，在增强牵引控制灵活性方面也具有一定的应用优势。
结语：新技术、新设备的创新与应用，是推动我国地铁事业不断发展的核心动力。近年来，我国地铁车辆电力传动系统从直流到交流、从变阻调速到斩波器调速，在调速性能、牵引控制等方面发挥了强大的优势。另一方面，大功率变频调速系统还具有节约能源、故障率低、污染较小以及运载能力强等应用优势。随着变频调速系统功率不断增加，控制也会变得更加灵敏，其应用范围也会更加广泛。
参考文献：
[1]王雪峰,戈金龙.地铁车辆电气牵引及控制系统研究[J].建材发展导向,2017(15):243.
[2]罗海龙,阮岩,王昆.基于DSP的三相交流异步电机变频调速系统设计[J].现代计算机(专业版),2018,No.610(10):79-82.