高频逆变器在地铁车辆上应用的探索

高频逆变器在地铁车辆上应用的探索

胡洁芬

深圳地铁运营集团有限公司

摘要：高频逆变器因高效、节能和环保等特点，逐渐在地铁车辆上得到应用。本文通过探索高频逆变器在深圳地铁3号线上的应用案例，分析其优势、工作原理及应用效果，证实了高频逆变器能够提高地铁车辆的运行效率、改善乘车舒适性、降低运营成本，并具有显著的环保效益。未来，高频逆变器在地铁车辆上的应用前景广阔，需继续研究和开发更高效可靠的产品，以满足城市公共交通的发展需求。

关键词：高频逆变器；地铁；

一、引言

随着城市公共交通的快速发展，地铁系统在城市交通中的地位日益突出。作为地铁车辆的核心设备之一，逆变器的性能对地铁车辆的运行效率、稳定性和舒适性具有重要影响。近年来，高频逆变器因其高效、节能和环保等特点，逐渐在地铁车辆上得到应用。本文将对高频逆变器在深圳地铁3号线列车上的应用进行探索和分析。

二、高频逆变器的优势

高频逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子设备，其工作频率通常在几十千赫兹到几百千赫兹之间。与传统的低频逆变器相比，高频逆变器具有以下优势：

（一）高效节能

高频逆变器的开关频率远高于传统的低频逆变器，这使得磁性元件和滤波器的体积得以减小，从而提高整个系统的功率密度。功率密度的提高意味着在单位体积或重量内，高频逆变器可以输出更多的功率，这对于地铁车辆等移动设备而言至关重要。此外，高频逆变器可以实现更高的电能转换效率。在能量转换过程中，损失主要来自于开关损耗、导通损耗和磁性损耗等。由于高频逆变器的开关频率高，开关损耗相对较低。同时，高频逆变器通常采用先进的控制策略和电路拓扑结构，以减小导通损耗和磁性损耗。因此，高频逆变器可以降低能源损耗，提高电能利用率，实现高效节能。

（二）环保

高频逆变器的使用有助于减少环境污染。首先，由于其高效节能的特点，高频逆变器可以降低地铁车辆在运行过程中的碳排放量。传统的低频逆变器在能量转换过程中会产生较多的热量和电磁干扰，而高频逆变器通过优化设计和控制策略，可以降低这些负面影响，减少对环境的污染。其次，高频逆变器的模块化设计使得其更加易于回收和处理。一旦逆变器达到使用寿命或出现严重故障，可以快速更换故障模块或整个逆变器，降低废弃物产生和对环境的影响。此外，高频逆变器的制造过程中也可以采用环保材料和工艺，进一步降低其对环境的负面影响。

（三）易于维护

高频逆变器的模块化设计为其维护带来了极大的便利。一旦出现故障，维护人员可以快速定位并更换故障模块，无需对整个逆变器进行拆解和维修。这不仅缩短了维修时间，提高了地铁车辆的运营效率，还降低了维护成本。此外，高频逆变器的自诊断功能也为维护带来了便利。一旦出现故障或异常情况，逆变器可以通过显示屏或通信接口向维护人员发送故障信息或警告提示，帮助维护人员快速定位并解决问题。这种智能化的维护方式不仅提高了维护效率，还降低了人为错误导致的风险。

三、高频逆变器在地铁车辆上的工作原理

以深圳地铁3号线辅助系统逆变器为例，在大修国产化列车上选取1列车安装高频辅助逆变器，该车型的辅助逆变器应用SIC器件为功率开关管，隔离变换器采用LLC软开关技术，开关频率提升至100KHz以上，有效缩小磁性元器件的体积和重量，软开关和三电平等技术的应用有效提升整机的效率。

辅助逆变器的原理框图如下图1所示，其由EMC滤波磁环、输入熔断器、输入接触器、DCDC模块、逆变模块、ACDC模块、充电机模块及外围器件组成。输入电源DC1500V先经过EMC磁环，输入熔断器，主接触器到逆变单元和充电机单元中。在逆变单元中，输入电源经过8个并联的30KW DCDC模块变成600V直流电源输出到4个并联的60KW逆变模块，逆变模块将600V直流电源转换成三相四线制380V交流电源给车载用电设备供电。充电机单元由两个20KW充电机模块并联组成。当前辅逆系统输入电源异常时，用作拓展供电的ACDC电源模块将整车的380V交流电源转换为1000V直流电源给当前辅逆系统中的充电机供电，保证整车110V用电零部件正常工作。DBS紧急启动模块是蓄电池过放电无法激活列车时，将输入电源转换成110V直流电源给当前辅逆系统提供控制电源，保证当前辅逆系统正常运行。

图1 辅助系统高频逆变器系统原理图

四、高频逆变器在地铁上取得成效

通过深圳地铁3号线上实际应用证明，高频逆变器的使用取得了显著的效果：

（一）提高运行效率

高频逆变器的最大优势在于其高效节能特点，这使得地铁车辆的运行效率大大提高。传统低频逆变器在能量转换过程中会有较多的损失，而高频逆变器则通过先进的技术和优化设计，将这些损失降至最低。当地铁车辆采用高频逆变器后，其电能转换效率显著提高，这意味着更多的电能被有效利用，从而直接提高了车辆的运行速度和加速度。这种效率的提升不仅使得地铁车辆能够在短时间内快速达到最高速度，还能够在减速和停车过程中更加平稳，为乘客带来更加舒适和高效的乘车体验。

（二）改善乘车舒适性

高频逆变器的使用对改善乘车舒适性起到了至关重要的作用。在地铁车辆加速和减速的过程中，传统的低频逆变器可能会产生较大的冲击和振动，这不仅影响了乘客的乘车体验，还可能对车辆的结构和寿命造成损害。而高频逆变器的快速响应能力则能够显著减少这种冲击和振动，使得地铁车辆的加速和减速过程更加平稳。此外，高频逆变器的使用还能够减少电压波动和电流噪声，提高供电质量，进一步改善了乘客的乘车环境。

（三）降低运营成本

高频逆变器的模块化设计给地铁车辆的运营带来了显著的成本降低。一旦逆变器出现故障，维护人员可以快速定位并更换故障模块，而无需对整个逆变器进行拆解和维修。这不仅缩短了维修时间，还降低了运营成本。此外，高频逆变器的使用寿命较长，可以减少设备的更换频率，进一步降低了运营成本。这种降低运营成本的优势在于，地铁公司可以将节省下来的资金用于提升其他方面的服务质量，或用于扩展地铁线路，为更多的乘客提供便利。

五、结论与展望

通过对高频逆变器在深圳地铁上应用的探索和分析可以得出以下结论：高频逆变器因其高效、节能和环保等特点在地铁车辆上得到了广泛应用并取得了显著的效果。未来随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展高频逆变器在地铁车辆上的应用将进一步推广和完善。为了提高地铁系统的运行效率和乘客的乘车体验需要继续研究和开发更高效、更可靠的高频逆变器以满足日益增长的城市公共交通需求。

参考文献

[1] 一种前端级联DC/DC变换器的开关磁阻电机驱动拓扑[J]. 周大林;陈昊;Mohamed Orabi;Alecksey Anuchin;李晓东;Vitor Fernao Pires;Joao Martins.电子测量与仪器学报,2022

[2] 改进型自抗扰控制在DC/DC变换器中的应用[J]. 李松;陈宗祥;刘康;张武林;陈克难.重庆工商大学学报(自然科学版),2023