地鐵列車的新型逆變器系統(tǒng)

　　1 引言

　　在即將投入運(yùn)營的sz1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓(vvvf)逆變器牽引和制動(dòng)系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因?yàn)橐韵氯齻€(gè)原因：其一，采用大功率電力電子器件igbt模塊。復(fù)合型igbt是以單極型mosfet為驅(qū)動(dòng)元件，雙極型gtr為主導(dǎo)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小(電壓型)、電路簡單、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好和后者安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn);其二，單臺(tái)牽引電機(jī)額定功率較之目前國內(nèi)外已投入運(yùn)營的同類產(chǎn)品(4m2t)大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動(dòng)功率;其三，vvvf逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這是除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種新的高動(dòng)態(tài)性能的、但更簡單適用的變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。因此，這種“新型”系統(tǒng)體現(xiàn)了現(xiàn)代電力電子器件、電路及其控制技術(shù)方面的特點(diǎn)：集成度高，工作頻率高，全控化，電路控制簡單、靈活、準(zhǔn)確，多功能化和智能化。這將大大提高地鐵列車vvvf逆變器系統(tǒng)的可靠性、可維修性以及經(jīng)濟(jì)性等，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　2 sz1地鐵列車電氣設(shè)備的構(gòu)成

　　2.1 地鐵列車電氣設(shè)備布置與電路圖

　　如圖1所示，sz1地鐵列車為6輛編組(4m2t)的兩個(gè)3車單元(2m1t)對(duì)稱設(shè)計(jì)。每個(gè)3車單元都由一個(gè)帶司機(jī)室的拖車a和兩個(gè)動(dòng)車(帶受電弓的動(dòng)車b和不帶受電弓的動(dòng)車c)組成。兩個(gè)3車單元用半自動(dòng)車鉤連接。

　　每車兩個(gè)轉(zhuǎn)向架共四根軸， 一個(gè)動(dòng)車的四根軸由同一臺(tái)牽引逆變器驅(qū)動(dòng)， 即四臺(tái)自冷三相異步牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

　　(1) sz1地鐵列車的線路區(qū)段：

　　sz1地鐵1期工程1號(hào)線13站，平均站間距1.172km，最大地下深度22m;4號(hào)線5站，平均站間距1.011km，最大地下深度23.5m。

　　(2) 軌距：1435mm。

　　(3) 設(shè)計(jì)最大坡道：正線35‰，車站線路3‰，輔助線路(awo)40‰，車輛段線路0‰。

　　(4) 車輛載荷：列車總載荷(t)awo(空載)： 210t， aw1(48座/輛，288座/列)：227.4t，aw2(6人/m2，1920人/列)：342.6t;aw3(9人/m2，2502人/列)：377.5t。

　　2.2 電氣系統(tǒng)簡述

　　sz1地鐵列車的牽引逆變器系統(tǒng)全稱應(yīng)該是“變頻變壓(vvvf)逆變器牽引和制動(dòng)系統(tǒng)”。圖1所示系統(tǒng)的主要設(shè)備包括受電弓、浪涌吸收器、隔離和接地開關(guān)、高速斷路器、線路濾波電抗器、線路接觸器和充電限流環(huán)節(jié)、接地差動(dòng)電流檢測(cè)器、牽引逆變器(牽引逆變器模塊、制動(dòng)斬波器模塊、線路濾波電容器)、制動(dòng)電阻、牽引電機(jī)(4臺(tái))、接地和負(fù)極回流裝置。現(xiàn)將系統(tǒng)設(shè)備的功能、技術(shù)參數(shù)、工作原理按以上編號(hào)分別簡述如下(控制單元略)。

　　以動(dòng)車b為中心，按編號(hào)順序描述如下設(shè)備名稱、位置、功能基本特點(diǎn)和概念。

　　(1)每個(gè)動(dòng)車b都裝有一個(gè)受電弓1，由一個(gè)浪涌吸收器2進(jìn)行過壓保護(hù)，它連到受電弓的輸出端。其供電制式為架空接觸網(wǎng)，額定電網(wǎng)電壓為dc1500v(變化范圍1000～1800v);計(jì)算電網(wǎng)電壓在牽引時(shí)為dc1500v，再生制動(dòng)時(shí)為dc1650～1800v。

　　(2)高壓電源(dc1500v)通過4根電纜(每根都各走一根鋼管)連接到b車的ph箱(牽引逆變器和高壓設(shè)備箱)中的隔離和接地開關(guān)3(θ1點(diǎn))，它有三個(gè)位置，即受電弓受電位、連接車間電源的插座位、車輛接地位。

　　(3) 經(jīng)過隔離和接地開關(guān)后， 高壓電就連接到兩個(gè)高速斷路器4，

　　它們分別接到本車上ph箱中的線路濾波電抗器5和本車上ph箱外的線路濾波電抗器5，再分別接到各自的b車和c車;ph箱中和pa箱(牽引逆變器和輔助逆變器箱)中的線路接觸器6(充電限流環(huán)節(jié))、輸入輸出差動(dòng)電流接地保護(hù)7、牽引逆變器8(包括線路濾波電容器、牽引逆變器模塊、制動(dòng)斬波器模塊)、制動(dòng)電阻9(分別在b車ph箱外和c車pa箱外)，以及b車和c車的四臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)io。

　　(4) 隔離和接地開關(guān)θ1和θ2的2位相連接地11(接地和負(fù)極回流點(diǎn))。

　　(5)高壓電經(jīng)過一個(gè)輔助熔斷器和一個(gè)隔離二極管(圖1中的25和26)連接到蓄電池充電熔斷器12，再連接到a車的蓄電池充電器;連接到輔助逆變器熔斷器13、線路濾波電抗器14(在c車上)、線路接觸器(充電限流環(huán)節(jié))15(在c車的pa箱中)、輔助逆變器16(逆變器模塊、濾波電容器)、三相變壓器、濾波器、輸出變壓器(三相交流380v，50hz)17，以及三相電壓測(cè)量裝置18。

　　(6)電磁兼容emi電容器19，分別連接在b車ph箱中的牽引逆變器輸入電壓負(fù)極對(duì)地之間，c車pa箱中的牽引逆變器、輔助逆變器輸入電源負(fù)極對(duì)地之間。

　　(7) 高壓經(jīng)過輔助熔斷器25和隔離二極管26后，還連接到母線重聯(lián)裝置的熔斷器、接觸器20、重聯(lián)插座21，給列車的另一個(gè)3車單元供電。

　　(8) 23是組容保護(hù)電路，防止隔離二極管反向擊穿。

　　(9) 24是網(wǎng)壓測(cè)量裝置。

　　由此可見，sz1地鐵列車有四臺(tái)完全相同的牽引逆變器系統(tǒng)，其中兩臺(tái)裝在b車的ph箱中，另外兩臺(tái)裝在c車的pa箱中(但是它們的告訴斷路中4裝在b車的ph箱中，線路濾波電抗器5裝在b車的ph箱外);sz1地鐵列車有完全相同的兩臺(tái)輔助逆變器系統(tǒng)，分別裝在兩個(gè)3車單元的動(dòng)車c的pa箱中，但是，它們沒有高速斷路器，只通過裝在動(dòng)車b的ph箱外的輔助逆變器熔斷器供電，且線路濾波電抗器14在動(dòng)車c的pa箱外;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺(tái)直流電源系統(tǒng)，分別裝在兩個(gè)3車單元的拖車a上，但是，蓄電池充電器熔斷器12裝在動(dòng)車b的ph箱中，由此得到dc1500v高壓電源。

　　2.3 主要電氣設(shè)備簡介

　　(1) 受電弓

　　sz1地鐵列車有兩臺(tái)受電弓，分別裝在兩個(gè)3車電源的b車頂上，將dc1500v電源連接到ph箱中的隔離和接地開關(guān)上。

　　受電弓的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：dc1500v; 最大/暫態(tài)系統(tǒng)電壓：dc1800v/dc2000v;

　　額定/最大電流：1400a/2400a;最大靜態(tài)電流：460a; 最大速度：90km/h;

　　最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 靜態(tài)接觸壓力：120n±10n; 升弓/降弓時(shí)間：≯8s/≯7s。

　　(2) 浪涌吸收器(避雷器)

　　浪涌吸收器的功能是防止車輛外部的大氣過電壓(如雷擊過電壓)和車輛內(nèi)部的操作過電壓對(duì)車輛電氣設(shè)備的破壞。其保護(hù)整定值應(yīng)與變電所過電壓保護(hù)整定值相協(xié)調(diào)。

　　(3) 隔離和接地開關(guān)

　　在運(yùn)行時(shí)，連接受電弓、輔助電源系統(tǒng)、牽引逆變器系統(tǒng)，隔離車間電源;在車間時(shí)，連接輔助電源系統(tǒng)、車間電源，隔離受電弓、牽引逆變器系統(tǒng);關(guān)斷時(shí)，隔離受電弓、輔助電源系統(tǒng)、牽引逆變器系統(tǒng)、車間電源，并把受電弓和輔助設(shè)備電源端接地。

　　隔離和接地開關(guān)的輔助觸點(diǎn)用于監(jiān)控和安全聯(lián)鎖，它有足夠的間隔甚至在觸點(diǎn)開閉過程中也不拉弧;短路電流由變電站的高速斷路器限流。

　　(4) 高速斷路器(hscb)

　　sz1地鐵列車的4臺(tái)牽引逆變器都是由高速斷路器來接通或斷開dc1500v高壓電源的。高速斷路器是電磁控制和自然冷卻的單極直流斷路器。它可以因過流自動(dòng)跳閘，也可以由dc110v電源控制跳閘，且可在兩個(gè)電流方向過流自動(dòng)跳閘，這正好滿足地鐵列車牽引和再生制動(dòng)運(yùn)行的需要。

　　高速斷路器的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：dc2000v;額定電流：1000a;允許短時(shí)工作電流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;穩(wěn)態(tài)短路電流：30ka(短路時(shí)間常數(shù)1sms);機(jī)械響應(yīng)時(shí)間：約3ms(電流初始上升率di/dt=2ka/ms時(shí));總開斷時(shí)間：約15ms;控制電源電壓：dc110v。

　　(5) 線路濾波器(線路濾波電抗器和線路濾波電容器)

　　因?yàn)楦锌?xl=ωl)和容抗(xc=1/ωc)的原因，使它們具有抑制電流沖擊(di/dt)和抑制電壓沖擊(du/dt)的功能。它們?cè)诘罔F列車變頻變壓(vvvf)逆變器牽引和制動(dòng)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。如抑制電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)侥孀兤髦绷鱾?cè)的諧波電流和過電壓，抑制逆變器產(chǎn)生的諧波電流和換流引起的過電壓的不利影響，限制逆變器的故障電流和濾平輸入電壓等。線路濾波電抗器電感量一般為5～8mh(900a時(shí)5mh)，額定電流為475a，最大電流為900a。

　　線路濾波電容器電容量與其額定電壓有關(guān)，且應(yīng)與線路濾波電抗器的電感量相匹配，約在數(shù)千μf左右。線路濾波電容器的主要技術(shù)參數(shù)：

　　額定電壓：最高達(dá)6kv;最大電流：最高達(dá)600a;自感量：≤40nh;額定能量：最高達(dá)18kj;介質(zhì)損耗因數(shù)：tanδ0=2×10-4;最大峰值電流：最高達(dá)10ka;最大浪涌電流：最高達(dá)100ka。

　　(6) 線路接觸器

　　線路接觸器的功能常被人們忽視，不熟悉其閉合斷開過程，以及它與高速斷路器和線路濾波電容器充放電之間的關(guān)系。在受電弓升起、高速斷路器閉合后，為防止過大的充電電流使線路濾波電容器受損，首先閉合充電限流環(huán)節(jié)的接觸器，接入限流電阻，待電容電壓達(dá)到一定值后(由與電容器固定并聯(lián)的放電電阻上取電壓傳感器信號(hào))，閉合線路接觸器6，將限流電阻短接。當(dāng)高速斷路器斷開時(shí)，線路濾波電容器應(yīng)在5min內(nèi)自動(dòng)放電至低于50v(由其固定并聯(lián)放電電阻值決定)，且可得到放電時(shí)間常數(shù)值。

　　線路接觸器的通斷能力應(yīng)滿足下列要求：

　　·電壓：1.2un(un為dc 1500v);

　　·電流：1.1in(in為電磁接觸器的額定電流);

　　·兩次間隔時(shí)間：2min。

　　(7) 接地差動(dòng)電流檢測(cè)裝置(差動(dòng)電流保護(hù)器)

　　當(dāng)牽引逆變器正端輸入電流和負(fù)端回流的差值超過50a時(shí)，表明牽引逆變器主電路發(fā)生接地故障，差動(dòng)電流保護(hù)器動(dòng)作，封鎖igbt門極脈沖，斷開高速斷路器和線路接觸器，并故障顯示，報(bào)警。

　　3 牽引逆變器

　　3.1 牽引逆變器簡述

　　三相橋式逆變器由t1、t2、t3、t4、t5、t6組成逆變電路(直流到交流)為3300v/1200aigbt;d1、d2、d3、d4、d5、d6組成整流電路，為感性負(fù)載電流(4臺(tái)電機(jī)并聯(lián)，定子繞組星形連接、三相負(fù)載為za、zb、zc)提供續(xù)流回路，完成無功能量的續(xù)流和反饋。前者被稱為逆變管，后者被稱為續(xù)流二極管或反饋二極管。180°導(dǎo)通型三相橋式逆變電路每隔60°，在一周內(nèi)依次導(dǎo)通：t1、t2、t3;t2、t3、t4;t3、t4、t5;t4、t5、t6;t5、t6、t1;t6、t1、t2。

　　牽引逆變器模塊和制動(dòng)斬波器模塊主電路如圖2所示。

　　3.2 牽引電機(jī)技術(shù)參數(shù)

　　按照sz1地鐵列車牽引電機(jī)4eba4040(正弦電壓)在58hz，150℃的等值電路的數(shù)據(jù)，可以得到網(wǎng)壓dc1500v和dc1800v時(shí)，電機(jī)的牽引和制動(dòng)特性曲線分別如圖3、圖4所示。

　　牽引電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：

　　電機(jī)電壓：u1=1150v;電機(jī)電流：i1=130a;轉(zhuǎn)矩：m=1230nm;轉(zhuǎn)差率：s=1.70%;定子繞組電阻：r1=0.135ω;定子繞組感抗：x1s=0.350ω;勵(lì)磁繞組感抗：xh=15.47ω; 轉(zhuǎn)子繞組折算感抗：x2′s=0.421ω; 轉(zhuǎn)子繞組折算電阻：r2′= 0.089ω。

　　3.3 牽引逆變器功率模塊

　　圖5(a)為超載(aw3)時(shí)，牽引逆變器igbt逆變管和續(xù)流二極管溫度曲線。此時(shí)，逆變器igbt的最高結(jié)溫為105℃，續(xù)流二極管的最高結(jié)溫為102℃;散熱器的最高溫度為76℃，環(huán)境溫度為40℃。

　　圖5(b)為超載(aw3)時(shí)，制動(dòng)斬波器igbt溫度曲線。此時(shí)，制動(dòng)斬波器igbt的最高結(jié)溫112℃(100%電阻制動(dòng));igbt的最高結(jié)溫87℃(50%電阻制動(dòng))，環(huán)境溫度40℃。

　　4 sz1列車牽引和制動(dòng)逆變器系統(tǒng)控制

　　4.1 轉(zhuǎn)矩控制模式的基本要求

　　(1) 采用直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是近年來開發(fā)成熟應(yīng)用的高動(dòng)態(tài)性能交流變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)是：

　　·轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式band-band控制，省去旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，簡化了控制器的結(jié)構(gòu);

　　·選擇定子磁鏈作為控制對(duì)象，使控制性能不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，這是它優(yōu)于矢量控制系統(tǒng)的主要方面;

　　·直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制方案比較，前者調(diào)速范圍不夠?qū)挘€(wěn)態(tài)機(jī)械特性也較后者差一些。但是評(píng)判優(yōu)劣，只得有賴于運(yùn)營實(shí)踐。

　　(2) 牽引和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩裕量

　　牽引和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩裕量(顛覆轉(zhuǎn)矩與最大牽引轉(zhuǎn)矩或最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之差)不小于20%顛覆轉(zhuǎn)矩值。

　　4.2 列車的牽引加速和制動(dòng)減速控制

　　(1)司機(jī)控制手柄位置給出牽引或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，應(yīng)從0～100%連續(xù)可調(diào)(司機(jī)牽引制動(dòng)控制器tbc發(fā)出的指令信號(hào)0.5～10v(牽引/制動(dòng)力)在列車試驗(yàn)時(shí)可以加以調(diào)整)經(jīng)采樣器(最小采樣周期為16ms)采樣和模/數(shù)變換(a/d)后，至列車控制單元vtcu在2ms時(shí)間內(nèi)讀取到新的牽引/制動(dòng)力指令，并發(fā)送到車輛總線wtb，另一個(gè)3車單元的列車控制單元vtcu讀取到牽引/制動(dòng)力信號(hào)，以及將這個(gè)信號(hào)自動(dòng)地發(fā)送到牽引控制單元dcu和制動(dòng)控制單元bcu，完成一次列車的牽引加速和制動(dòng)減速全過程(列車控制單元vtcu經(jīng)多功能列車總線mvb將牽引/制動(dòng)力指令信號(hào)送到牽引控制單元dcu和制動(dòng)控制單元bcu，直至控制牽引逆變器和制動(dòng)斬波器igbt的門極脈沖)。

　　圖6為制動(dòng)時(shí)，牽引逆變器模塊相電流、輸出功率與列車速度關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，在dc1500v/80～60km/h時(shí)，再生制動(dòng)電流超過800a，輸出反饋功率約5800kw;在dc1800v/80～65km/h時(shí)，再生制動(dòng)電流約700a，輸出反饋功率約6000kw。

　　(2) 加速度和減速度的控制是自動(dòng)連續(xù)的

　　逆變器的輸出電流即電機(jī)電流(牽引時(shí)為正，電制動(dòng)時(shí)為負(fù))，它在逆變器的可控元件(igbt)和不可控元件(續(xù)流二極管)中交替流通，其分擔(dān)比例隨逆變器輸出電壓的高低、牽引和再生制動(dòng)的工況不同而變化。

　　牽引時(shí)，若逆變器輸出電壓高，則igbt分擔(dān)的電流大，若輸出電壓低，則分擔(dān)的電流小。igbt分擔(dān)的比例為50%～100%。

　　再生制動(dòng)時(shí)，逆變器交流側(cè)電壓(即牽引電機(jī)在發(fā)電機(jī)工況時(shí)的輸出電壓)越高，續(xù)流二極管分擔(dān)的電流越大，續(xù)流二極管分擔(dān)的比例為50～100%。

　　sz1列車牽引和制動(dòng)特性曲線如圖7所示。

　　模擬條件：

　　·牽引時(shí)，網(wǎng)壓dc1000v，1500v

　　·制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)壓dc1000v，1500v

　　dc1650v，1800v

　　·列車最大速度：80km/h

　　·車輪直徑：0.805m(半磨耗)

　　·aw2負(fù)載：342.6t

　　·aw3負(fù)載：377.5t

　　(3) 當(dāng)方向/方式手柄在ato位時(shí)， 列車允許由ato裝置控制， 進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式，

　　實(shí)現(xiàn)牽引、巡航、惰行、制動(dòng);但司機(jī)控制器調(diào)速手柄保留快速制動(dòng)功能，確保安全。

　　4.3 特殊運(yùn)行方式

　　“爬行”(低速)牽引功能， 用于洗車(維持3±0.5km/h速度)。

　　4.4 電制動(dòng)控制

　　(1) 在手動(dòng)模式和自動(dòng)駕駛模式(ato)下，對(duì)所有的速度條件下的減速控制均有效。

　　(2) 再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)能力在額定網(wǎng)壓和額定負(fù)荷aw2下，均能滿足列車常用制動(dòng)的要求。

　　(3) 再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)的轉(zhuǎn)換控制

　　當(dāng)接觸網(wǎng)具有接收能力時(shí)，采用再生制動(dòng);當(dāng)接觸網(wǎng)不能吸收再生能量時(shí)，再生制動(dòng)部分或全部轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)。轉(zhuǎn)換過程的控制應(yīng)平滑，且不需空氣制動(dòng)介入。

　　5 結(jié)束語

　　對(duì)sz1地鐵的新型逆變器系統(tǒng)的描述，是作者現(xiàn)階段的膚淺認(rèn)識(shí)，有待調(diào)試、驗(yàn)收、運(yùn)營檢驗(yàn)后修正和確認(rèn)。因此，本文僅作信息交流，僅供參考，敬請(qǐng)批評(píng)指正，以便日后作專題討論。