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1 引言 在即將投入運營的sz1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因為以下三個原因：其一，采用大功率電力電子器件igbt模塊。復合型igbt是以單極型mosfet為驅(qū)動元件，雙極型gtr為主導元件的達林頓結(jié)構(gòu)元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅(qū)動功率�。�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、導通壓降低的優(yōu)點;其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內(nèi)外已投入運營的同類產(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：集成度高，工作頻率高，全控化，電路控制簡單、靈活、準確，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3車單元（2m1t）對稱設(shè)計。每個3車單元都由一個帶司機室的拖車a和兩個動車（帶受電弓的動車b和不帶受電弓的動車c）組成。兩個3車單元用半自動車鉤連接。 
每車兩個轉(zhuǎn)向架共四根軸， 一個動車的四根軸由同一臺牽引逆變器驅(qū)動， 即四臺自冷三相異步牽引電動機并聯(lián)運行。 �。�1） sz1地鐵列車的線路區(qū)段： sz1地鐵1期工程1號線13站，平均站間距1.172km，最大地下深度22m;4號線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)、接地差動電流檢測器、牽引逆變器（牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊、線路濾波電容器）、制動電阻、牽引電機（4臺）、接地和負極回流裝置。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分別簡述如下（控制單元略）。 以動車b為中心，按編號順序描述如下設(shè)備名稱、位置、功能基本特點和概念。 �。�1）每個動車b都裝有一個受電弓1，由一個浪涌吸收器2進行過壓保護，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）;計算電網(wǎng)電壓在牽引時為dc1500v，再生制動時為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），它有三個位置，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)）、輸入輸出差動電流接地保護7、牽引逆變器8（包括線路濾波電容器、牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊）、制動電阻9（分別在b車ph箱外和c車pa箱外），以及b車和c車的四臺牽引電動機io。 （4） 隔離和接地開關(guān)θ1和θ2的2位相連接地11（接地和負極回流點）。 �。�5）高壓電經(jīng)過一個輔助熔斷器和一個隔離二極管（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極對地之間，c車pa箱中的牽引逆變器、輔助逆變器輸入電源負極對地之間。 �。�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3車單元供電。 �。�8） 23是組容保護電路，防止隔離二極管反向擊穿。 �。�9） 24是網(wǎng)壓測量裝置。 由此可見，sz1地鐵列車有四臺完全相同的牽引逆變器系統(tǒng)，其中兩臺裝在b車的ph箱中，另外兩臺裝在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輔助逆變器系統(tǒng)，分別裝在兩個3車單元的動車c的pa箱中，但是，它們沒有高速斷路器，只通過裝在動車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在動車c的pa箱外;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺直流電源系統(tǒng)，分別裝在兩個3車單元的拖車a上，但是，蓄電池充電器熔斷器12裝在動車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地鐵列車有兩臺受電弓，分別裝在兩個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)部的操作過電壓對車輛電氣設(shè)備的破壞。其保護整定值應(yīng)與變電所過電壓保護整定值相協(xié)調(diào)。 （3） 隔離和接地開關(guān) 在運行時，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，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，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)的輔助觸點用于監(jiān)控和安全聯(lián)鎖，它有足夠的間隔甚至在觸點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。它可以因過流自動跳閘，也可以由dc110v電源控制跳閘，且可在兩個電流方向過流自動跳閘，這正好滿足地鐵列車牽引和再生制動運行的需要。 高速斷路器的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：dc2000v;額定電流：1000a;允許短時工作電流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;穩(wěn)態(tài)短路電流：30ka（短路時間常數(shù)1sms）;機械響應(yīng)時間：約3ms（電流初始上升率di/dt=2ka/ms時）;總開斷時間：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） 因為感抗（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。它們在地鐵列車變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統(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6kv;最大電流：最高達600a;自感量：≤40nh;額定能量：最高達18kj;介質(zhì)損耗因數(shù)：tanδ0=2×10-4;最大峰值電流：最高達10ka;最大浪涌電流：最高達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），閉合線路接觸器6，將限流電阻短接。當高速斷路器斷開時，線路濾波電容器應(yīng)在5min內(nèi)自動放電至低于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）; ·兩次間隔時間：2min。 �。�7） 接地差動電流檢測裝置（差動電流保護器） 當牽引逆變器正端輸入電流和負端回流的差值超過50a時，表明牽引逆變器主電路發(fā)生接地故障，差動電流保護器動作，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，為感性負載電流（4臺電機并聯(lián)，定子繞組星形連接、三相負載為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°導通型三相橋式逆變電路每隔60°，在一周內(nèi)依次導通：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斬波器模塊主電路如圖2所示。
3.2 牽引電機技術(shù)參數(shù) 按照sz1地鐵列車牽引電機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，電機的牽引和制動特性曲線分別如圖3、圖4所示。
牽引電機的主要技術(shù)參數(shù)： 電機電壓：u1=1150v;電機電流：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，牽引逆變器igbt逆變管和續(xù)流二極管溫度曲線。此時，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，制動斬波器igbt溫度曲線。此時，制動斬波器igbt的最高結(jié)溫112℃（100%電阻制動）;igbt的最高結(jié)溫87℃（50%電阻制動），環(huán)境溫度40℃。 4 sz1列車牽引和制動逆變器系統(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)�，穩(wěn)態(tài)機械特性也較后者差一些。但是評判優(yōu)劣，只得有賴于運營實踐。 �。�2） 牽引和制動轉(zhuǎn)矩裕量 牽引和制動轉(zhuǎn)矩裕量（顛覆轉(zhuǎn)矩與最大牽引轉(zhuǎn)矩或最大制動轉(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減速控制 �。�1）司機控制手柄位置給出牽引或制動轉(zhuǎn)矩的大小，應(yīng)從0～100%連續(xù)可調(diào)（司機牽引制動控制器tbc發(fā)出的指令信號0.5～10v（牽引/制動力）在列車試驗時可以加以調(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時間內(nèi)讀取到新的牽引/制動力指令，并發(fā)送到車輛總線wtb，另一個3車單元的列車控制單元vtcu讀取到牽引/制動力信號，以及將這個信號自動地發(fā)送到牽引控制單元dcu和制動控制單元bcu，完成一次列車的牽引加速和制動減速全過程（列車控制單元vtcu經(jīng)多功能列車總線mvb將牽引/制動力指令信號送到牽引控制單元dcu和制動控制單元bcu，直至控制牽引逆變器和制動斬波器igbt的門極脈沖）。
圖6為制動時，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，再生制動電流超過800a，輸出反饋功率約5800kw;在dc1800v/80～65km/h時，再生制動電流約700a，輸出反饋功率約6000kw。 �。�2） 加速度和減速度的控制是自動連續(xù)的 逆變器的輸出電流即電機電流（牽引時為正，電制動時為負），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，其分擔比例隨逆變器輸出電壓的高低、牽引和再生制動的工況不同而變化。 牽引時，若逆變器輸出電壓高，則igbt分擔的電流大，若輸出電壓低，則分擔的電流小。igbt分擔的比例為50%～100%。 再生制動時，逆變器交流側(cè)電壓（即牽引電機在發(fā)電機工況時的輸出電壓）越高，續(xù)流二極管分擔的電流越大，續(xù)流二極管分擔的比例為50～100%。 sz1列車牽引和制動特性曲線如圖7所示。
模擬條件： ·牽引時，網(wǎng)壓dc1000v，1500v ·制動時，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負載：342.6t ·aw3負載：377.5t �。�3） 當方向/方式手柄在ato位時， 列車允許由ato裝置控制， 進入自動駕駛模式， 實現(xiàn)牽引、巡航、惰行、制動;但司機控制器調(diào)速手柄保留快速制動功能，確保安全。 4.3 特殊運行方式 “爬行”（低速）牽引功能， 用于洗車（維持3±0.5km/h速度）。 4.4 電制動控制 �。�1） 在手動模式和自動駕駛模式（ato）下，對所有的速度條件下的減速控制均有效。 �。�2） 再生制動和電阻制動能力在額定網(wǎng)壓和額定負荷aw2下，均能滿足列車常用制動的要求。 （3） 再生制動和電阻制動的轉(zhuǎn)換控制 當接觸網(wǎng)具有接收能力時，采用再生制動;當接觸網(wǎng)不能吸收再生能量時，再生制動部分或全部轉(zhuǎn)為電阻制動。轉(zhuǎn)換過程的控制應(yīng)平滑，且不需空氣制動介入。 5 結(jié)束語 對sz1地鐵的新型逆變器系統(tǒng)的描述，是作者現(xiàn)階段的膚淺認識，有待調(diào)試、驗收、運營檢驗后修正和確認。因此，本文僅作信息交流，僅供參考，敬請批評指正，以便日后作專題討論。 電子工程網(wǎng) |
