中壓逆變器在軌道交通車輛上的應(yīng)用
1、引言
近年來，隨著我國(guó)城市人口的膨脹、國(guó)民的和環(huán)保節(jié)能理念的推進(jìn)，軌道升溫已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力技術(shù)和微電子技術(shù)的強(qiáng)力支持下，交流傳動(dòng)系統(tǒng)以其固有的優(yōu)越性，在軌道牽引領(lǐng)域、尤其是在地鐵等原來由直流電網(wǎng)供電的電動(dòng)車組中的得到迅猛發(fā)展。本文以阿爾斯通公司的車輛為例，介紹用于地鐵、輕軌等的DC1500V供電的中壓牽引變頻器。
2、系統(tǒng)構(gòu)成
阿爾斯通ONIXTM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，主要包括ONIXTMIGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動(dòng)機(jī)。如運(yùn)行于上海明珠線的是阿爾斯通MetropolisTM列車。列車采用4動(dòng)2拖編組方式，每輛動(dòng)車裝備一套牽引變頻器。包括ONIXTM1500逆變器模塊、ONIXTM交流電機(jī)和AGATE控制電子裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
高壓供電開關(guān)（HVSS）:
三檔位置:位置P—牽引變頻器由接觸網(wǎng)供電;
位置E—牽引變頻器完全接地;
位置W—輔助變流器由車間電源供電。
高速斷路器（HSCB）:故障情況下，將牽引變頻器與供電電源快速隔離。斷開速度約15ms。斷開可以由控制回路控制或當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)跳閘。當(dāng)AGATEControl檢測(cè)到HSCB斷開時(shí)，它將斷開LC和CCC，并且觸發(fā)撬棒回路使濾波器放電。
●進(jìn)線電抗器（LFL）:與充電電容器組成一個(gè)低通濾波器，減少電流諧波，減小供電電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的。
●電容充電接觸器（CCC）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時(shí)，LC閉合，CCC斷開。
●電容充電電阻（CCZ）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)HVSS置于接地位置時(shí)，用于對(duì)電容器放電。
●進(jìn)線接觸器（LC）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時(shí)，LC閉合;當(dāng)牽引變頻器故障時(shí)斷開。
●硬撬棒回路晶閘管（TH1）:對(duì)電容器快速放電;瞬間過壓時(shí)對(duì)IGBT和濾波電容提供保護(hù);當(dāng)濾波電壓超過2500V時(shí)，導(dǎo)通保護(hù)。
●高頻濾波電容（HFK）:減少高頻電磁干擾;為高頻交流電流提供一個(gè)低阻抗回路。
圖1ONIXTM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1ONIXTM牽引變頻器的優(yōu)點(diǎn)
較高的開關(guān)頻率。使交流波形平滑，降低諧波電流，減少體積及重量;更好的電機(jī)波形;降低電機(jī)損耗;更易于與信號(hào)系統(tǒng)兼容。
●簡(jiǎn)化了功率電路。減少了器件數(shù)量，降低了成本;增加了可靠性;易于維護(hù)。
●簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路，易于控制。
●無需吸收回路。
●易于安裝在散熱器上。IGBT器件包含內(nèi)部絕緣介質(zhì);散熱器直接接地，對(duì)冷卻空氣無過濾要求;每一個(gè)IGBT器件直接安裝于散熱器上;器件易于替換，無需特殊工具和。
●節(jié)約能量。ONIX牽引所產(chǎn)生的近乎完美的正弦波電流輸出減少了電機(jī)熱量，通過改進(jìn)的疊片封裝提供了優(yōu)良的磁性能，降低了渦流損耗。
2.2驅(qū)動(dòng)控制裝置—AGATEControl
AGATEControl是一種先進(jìn)的電子控制裝置，專門用于控制四象限變流器及電壓源變頻器。大規(guī)模集成電路和雙32位微處理器的使用使ALSTOM牽引變頻器在可靠性及性能方面獲得改進(jìn)。處理器提供信號(hào)處理、快速和功率監(jiān)視功能。其中，Inteli960CA微處理器用于總體監(jiān)控，TexasIMS320C31信號(hào)處理器用于快速計(jì)算和精確的功率控制。如圖2所示。
圖2AGATE結(jié)構(gòu)框圖
主要控制功能:異步電機(jī)的實(shí)施牽引及制動(dòng)控制，采用了專利的矢量控制算法;先進(jìn)的防空轉(zhuǎn)、防滑行控制;用于電力電子控制的信號(hào)監(jiān)測(cè)。
通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面;通過用于增強(qiáng)監(jiān)視能力的各種與所有的AGATE產(chǎn)品通訊;在同功率車輛之間或不同功率車輛之間進(jìn)行通訊。
維護(hù)功能:用于診斷和參數(shù)設(shè)置的人機(jī)界面;高等級(jí)的自測(cè)能力;使用微機(jī)與之通訊，下載事件及錯(cuò)誤記錄及以前的維護(hù)數(shù)據(jù)。
2.3牽引系統(tǒng)控制策略
由電壓源變頻器供電電機(jī)運(yùn)行在脈寬調(diào)制模式（PWM），PWM使它可能施加一個(gè)平衡的三相電壓給電機(jī)，其幅值和頻率可調(diào)。如圖3所示。
圖3逆變控制框圖
使用專利技術(shù)的矢量控制策略，輸出力矩常接近力矩指令，且改進(jìn)了低速運(yùn)行性能。速度在10公里/小時(shí)以上力矩精度為±5%。在10公里/小時(shí)以下力矩精度為±10%。這些精度是假設(shè)所有相互之間輪徑差在1%（即8mm）以內(nèi)。
帶有電機(jī)電流最佳控制的矢量控制給出了快速磁通和力矩響應(yīng)（對(duì)非激勵(lì)電機(jī)<1秒），矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時(shí)關(guān)斷時(shí)重新建立。無需等待電機(jī)磁通消失，這是因?yàn)槟孀兤魇前措姍C(jī)反電勢(shì)調(diào)節(jié)輸出電壓的。力矩控制用寬通帶（0至36Hz）調(diào)節(jié)器完成磁通建立，而不管電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。力矩由電流環(huán)控制，減少當(dāng)電源系統(tǒng)不規(guī)則時(shí)用常規(guī)控制技術(shù)可能發(fā)生的過流可能性。矢量控制原理如圖4所示。
2.4控制參數(shù)的測(cè)量
電機(jī)并聯(lián)連接的策略基于:
在逆變器輸出端公用的電流和電壓測(cè)量取代電機(jī)各自的測(cè)量;對(duì)每個(gè)電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行速度測(cè)量;在說明的容差范圍內(nèi)，總的力矩調(diào)節(jié)與輪徑差無關(guān);設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)時(shí)，允許1%輪徑差，通過對(duì)所引起的電機(jī)電流差等補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)的。
矢量控制在測(cè)量方面對(duì)電機(jī)而言本質(zhì)上是外部的，它不要求測(cè)量電機(jī)內(nèi)部，如電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫度測(cè)量、電機(jī)內(nèi)部的磁通測(cè)量。
關(guān)于加速度變化率/負(fù)載補(bǔ)償:主令控制器產(chǎn)生的牽引力（或制動(dòng)力）指令連接到AGATE單元并由其。為了控制車輛加速度，按照車輛重量作出校正。車輛載重量是由控制單元使用來自轉(zhuǎn)向架上的傳感器上的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的。在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)加/減速度變化率限止指令，內(nèi)部保證車輛的平滑行駛。
2.5ONIX交流牽引電機(jī)
ALSTOM研制的獨(dú)特的輕質(zhì)、緊湊的、型號(hào)為4LCA2138的交流牽引電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是:
●高可靠性。200級(jí)絕緣系統(tǒng)及真空加壓浸漬技術(shù)為定子繞組提供了高等級(jí)溫升裕量，這意味著功率的提高及體積和重量的降低。
●低維護(hù)性。轉(zhuǎn)子和定子繞組與外部完全隔離，無需定期拆卸清潔。
●低噪音。特別設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇使噪音降低至IEC60349-2標(biāo)準(zhǔn)。
3、主要性能
3.1變頻器的額定參數(shù)
額定工作電壓:1500V
最大工作電壓:1800V
最小工作電壓:1000V
持續(xù)有效輸出功率:800kW
峰值輸出視在功率:1850kVA
持續(xù)線電流有效值:520A
IGBT開關(guān)頻率:600Hz（最大值）
逆變器輸出頻率:106Hz（額定值）
逆變器IGBT器件額定值:3300V，1200A
圖4矢量控制原理圖
3.2列車性能
上海明珠線地鐵車輛采用四動(dòng)兩拖六節(jié)編組，每個(gè)動(dòng)車裝配一個(gè)ONIX1500牽引變頻器，驅(qū)動(dòng)四個(gè)并聯(lián)的ONIX交流牽引電機(jī)，變頻器強(qiáng)迫風(fēng)冷，采用再生和電阻混合制動(dòng)方式，當(dāng)架空電網(wǎng)不能接受再生能量時(shí)，進(jìn)行全功率電阻制動(dòng)。列車主要數(shù)據(jù)如下:
最大運(yùn)營(yíng)速度:80km/h
近年來，隨著我國(guó)城市人口的膨脹、國(guó)民的和環(huán)保節(jié)能理念的推進(jìn)，軌道升溫已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力技術(shù)和微電子技術(shù)的強(qiáng)力支持下，交流傳動(dòng)系統(tǒng)以其固有的優(yōu)越性，在軌道牽引領(lǐng)域、尤其是在地鐵等原來由直流電網(wǎng)供電的電動(dòng)車組中的得到迅猛發(fā)展。本文以阿爾斯通公司的車輛為例，介紹用于地鐵、輕軌等的DC1500V供電的中壓牽引變頻器。
2、系統(tǒng)構(gòu)成
阿爾斯通ONIXTM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，主要包括ONIXTMIGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動(dòng)機(jī)。如運(yùn)行于上海明珠線的是阿爾斯通MetropolisTM列車。列車采用4動(dòng)2拖編組方式，每輛動(dòng)車裝備一套牽引變頻器。包括ONIXTM1500逆變器模塊、ONIXTM交流電機(jī)和AGATE控制電子裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
高壓供電開關(guān)（HVSS）:
三檔位置:位置P—牽引變頻器由接觸網(wǎng)供電;
位置E—牽引變頻器完全接地;
位置W—輔助變流器由車間電源供電。
高速斷路器（HSCB）:故障情況下，將牽引變頻器與供電電源快速隔離。斷開速度約15ms。斷開可以由控制回路控制或當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)跳閘。當(dāng)AGATEControl檢測(cè)到HSCB斷開時(shí)，它將斷開LC和CCC，并且觸發(fā)撬棒回路使濾波器放電。
●進(jìn)線電抗器（LFL）:與充電電容器組成一個(gè)低通濾波器，減少電流諧波，減小供電電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的。
●電容充電接觸器（CCC）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時(shí)，LC閉合，CCC斷開。
●電容充電電阻（CCZ）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)HVSS置于接地位置時(shí)，用于對(duì)電容器放電。
●進(jìn)線接觸器（LC）:對(duì)濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時(shí)，LC閉合;當(dāng)牽引變頻器故障時(shí)斷開。
●硬撬棒回路晶閘管（TH1）:對(duì)電容器快速放電;瞬間過壓時(shí)對(duì)IGBT和濾波電容提供保護(hù);當(dāng)濾波電壓超過2500V時(shí)，導(dǎo)通保護(hù)。
●高頻濾波電容（HFK）:減少高頻電磁干擾;為高頻交流電流提供一個(gè)低阻抗回路。
圖1ONIXTM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1ONIXTM牽引變頻器的優(yōu)點(diǎn)
較高的開關(guān)頻率。使交流波形平滑，降低諧波電流，減少體積及重量;更好的電機(jī)波形;降低電機(jī)損耗;更易于與信號(hào)系統(tǒng)兼容。
●簡(jiǎn)化了功率電路。減少了器件數(shù)量，降低了成本;增加了可靠性;易于維護(hù)。
●簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路，易于控制。
●無需吸收回路。
●易于安裝在散熱器上。IGBT器件包含內(nèi)部絕緣介質(zhì);散熱器直接接地，對(duì)冷卻空氣無過濾要求;每一個(gè)IGBT器件直接安裝于散熱器上;器件易于替換，無需特殊工具和。
●節(jié)約能量。ONIX牽引所產(chǎn)生的近乎完美的正弦波電流輸出減少了電機(jī)熱量，通過改進(jìn)的疊片封裝提供了優(yōu)良的磁性能，降低了渦流損耗。
2.2驅(qū)動(dòng)控制裝置—AGATEControl
AGATEControl是一種先進(jìn)的電子控制裝置，專門用于控制四象限變流器及電壓源變頻器。大規(guī)模集成電路和雙32位微處理器的使用使ALSTOM牽引變頻器在可靠性及性能方面獲得改進(jìn)。處理器提供信號(hào)處理、快速和功率監(jiān)視功能。其中，Inteli960CA微處理器用于總體監(jiān)控，TexasIMS320C31信號(hào)處理器用于快速計(jì)算和精確的功率控制。如圖2所示。
圖2AGATE結(jié)構(gòu)框圖
主要控制功能:異步電機(jī)的實(shí)施牽引及制動(dòng)控制，采用了專利的矢量控制算法;先進(jìn)的防空轉(zhuǎn)、防滑行控制;用于電力電子控制的信號(hào)監(jiān)測(cè)。
通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面;通過用于增強(qiáng)監(jiān)視能力的各種與所有的AGATE產(chǎn)品通訊;在同功率車輛之間或不同功率車輛之間進(jìn)行通訊。
維護(hù)功能:用于診斷和參數(shù)設(shè)置的人機(jī)界面;高等級(jí)的自測(cè)能力;使用微機(jī)與之通訊，下載事件及錯(cuò)誤記錄及以前的維護(hù)數(shù)據(jù)。
2.3牽引系統(tǒng)控制策略
由電壓源變頻器供電電機(jī)運(yùn)行在脈寬調(diào)制模式（PWM），PWM使它可能施加一個(gè)平衡的三相電壓給電機(jī)，其幅值和頻率可調(diào)。如圖3所示。
圖3逆變控制框圖
使用專利技術(shù)的矢量控制策略，輸出力矩常接近力矩指令，且改進(jìn)了低速運(yùn)行性能。速度在10公里/小時(shí)以上力矩精度為±5%。在10公里/小時(shí)以下力矩精度為±10%。這些精度是假設(shè)所有相互之間輪徑差在1%（即8mm）以內(nèi)。
帶有電機(jī)電流最佳控制的矢量控制給出了快速磁通和力矩響應(yīng)（對(duì)非激勵(lì)電機(jī)<1秒），矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時(shí)關(guān)斷時(shí)重新建立。無需等待電機(jī)磁通消失，這是因?yàn)槟孀兤魇前措姍C(jī)反電勢(shì)調(diào)節(jié)輸出電壓的。力矩控制用寬通帶（0至36Hz）調(diào)節(jié)器完成磁通建立，而不管電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。力矩由電流環(huán)控制，減少當(dāng)電源系統(tǒng)不規(guī)則時(shí)用常規(guī)控制技術(shù)可能發(fā)生的過流可能性。矢量控制原理如圖4所示。
2.4控制參數(shù)的測(cè)量
電機(jī)并聯(lián)連接的策略基于:
在逆變器輸出端公用的電流和電壓測(cè)量取代電機(jī)各自的測(cè)量;對(duì)每個(gè)電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行速度測(cè)量;在說明的容差范圍內(nèi)，總的力矩調(diào)節(jié)與輪徑差無關(guān);設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)時(shí)，允許1%輪徑差，通過對(duì)所引起的電機(jī)電流差等補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)的。
矢量控制在測(cè)量方面對(duì)電機(jī)而言本質(zhì)上是外部的，它不要求測(cè)量電機(jī)內(nèi)部，如電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫度測(cè)量、電機(jī)內(nèi)部的磁通測(cè)量。
關(guān)于加速度變化率/負(fù)載補(bǔ)償:主令控制器產(chǎn)生的牽引力（或制動(dòng)力）指令連接到AGATE單元并由其。為了控制車輛加速度，按照車輛重量作出校正。車輛載重量是由控制單元使用來自轉(zhuǎn)向架上的傳感器上的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的。在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)加/減速度變化率限止指令，內(nèi)部保證車輛的平滑行駛。
2.5ONIX交流牽引電機(jī)
ALSTOM研制的獨(dú)特的輕質(zhì)、緊湊的、型號(hào)為4LCA2138的交流牽引電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是:
●高可靠性。200級(jí)絕緣系統(tǒng)及真空加壓浸漬技術(shù)為定子繞組提供了高等級(jí)溫升裕量，這意味著功率的提高及體積和重量的降低。
●低維護(hù)性。轉(zhuǎn)子和定子繞組與外部完全隔離，無需定期拆卸清潔。
●低噪音。特別設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇使噪音降低至IEC60349-2標(biāo)準(zhǔn)。
3、主要性能
3.1變頻器的額定參數(shù)
額定工作電壓:1500V
最大工作電壓:1800V
最小工作電壓:1000V
持續(xù)有效輸出功率:800kW
峰值輸出視在功率:1850kVA
持續(xù)線電流有效值:520A
IGBT開關(guān)頻率:600Hz（最大值）
逆變器輸出頻率:106Hz（額定值）
逆變器IGBT器件額定值:3300V，1200A
圖4矢量控制原理圖
3.2列車性能
上海明珠線地鐵車輛采用四動(dòng)兩拖六節(jié)編組，每個(gè)動(dòng)車裝配一個(gè)ONIX1500牽引變頻器，驅(qū)動(dòng)四個(gè)并聯(lián)的ONIX交流牽引電機(jī)，變頻器強(qiáng)迫風(fēng)冷，采用再生和電阻混合制動(dòng)方式，當(dāng)架空電網(wǎng)不能接受再生能量時(shí)，進(jìn)行全功率電阻制動(dòng)。列車主要數(shù)據(jù)如下:
最大運(yùn)營(yíng)速度:80km/h
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