地鐵列車的新型逆變器系統

分類：技術教程日期：2012-03-16 00:00:00 來源：西部工控網

　　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。之所以稱它是“新型”系統，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為驅動元件，雙極型gtr為主導元件的達林頓結構元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅動功率小(電壓型)、電路簡單、開關頻率高、熱穩定性好和后者安全工作區寬、電流密度高、導通壓降低的優點;其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內外已投入運營的同類產品(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逆變器采用直接轉矩控制系統，這是除矢量控制系統之外的另一種新的高動態性能的、但更簡單適用的變頻變壓調速系統。因此，這種“新型”系統體現了現代電力電子器件、電路及其控制技術方面的特點：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逆變器系統的可靠性、可維修性以及經濟性等，具有廣闊的發展前景。

　　2 sz1地鐵列車電氣設備的構成

　　2.1 地鐵列車電氣設備布置與電路圖

　　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。

　　每車兩個轉向架共四根軸，一個動車的四根軸由同一臺牽引逆變器驅動，即四臺自冷三相異步牽引電動機并聯運行。

　　(1) sz1地鐵列車的線路區段：

　　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 電氣系統簡述

　　sz1地鐵列車的牽引逆變器系統全稱應該是“變頻變壓(vvvf)逆變器牽引和制動系統”。圖1所示系統的主要設備包括受電弓、浪涌吸收器、隔離和接地開關、高速斷路器、線路濾波電抗器、線路接觸器和充電限流環節、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。現將系統設備的功能、技術參數、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，額定電網電壓為dc1500v(變化范圍1000～1800v);計算電網電壓在牽引時為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備箱)中的隔離和接地開關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) 經過隔離和接地開關后，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(充電限流環節)、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θ1和θ2的2位相連接地11(接地和負極回流點)。

　　(5)高壓電經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(充電限流環節)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) 高壓經過輔助熔斷器25和隔離二極管26后，還連接到母線重聯裝置的熔斷器、接觸器20、重聯插座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，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，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，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上。

　　受電弓的主要技術參數：額定電壓：dc1500v; 最大/暫態系統電壓：dc1800v/dc2000v;

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

　　最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 靜態接觸壓力：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)和車輛內部的操作過電壓對車輛電氣設備的破壞。其保護整定值應與變電所過電壓保護整定值相協調。

　　(3) 隔離和接地開關

　　在運行時，連接受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統，隔離車間電源;在車間時，連接輔助電源系統、車間電源，隔離受電弓、牽引逆變器系統;關斷時，隔離受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統、車間電源，并把受電弓和輔助設備電源端接地。

　　隔離和接地開關的輔助觸點用于監控和安全聯鎖，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參數：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;穩態短路電流：30ka(短路時間常數1sms);機械響應時間：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中起著至關重要的作用。如抑制電網側傳輸到逆變器直流側的諧波電流和過電壓，抑制逆變器產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，且應與線路濾波電抗器的電感量相匹配，約在數千μf左右。線路濾波電容器的主要技術參數：

　　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;介質損耗因數：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節的接觸器，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，線路濾波電容器應在5min內自動放電至低于50v(由其固定并聯放電電阻值決定)，且可得到放電時間常數值。

　　線路接觸器的通斷能力應滿足下列要求：

　　·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，定子繞組星形連接、三相負載為za、zb、zc)提供續流回路，完成無功能量的續流和反饋。前者被稱為逆變管，后者被稱為續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 牽引電機技術參數

　　按照sz1地鐵列車牽引電機4eba4040(正弦電壓)在58hz，150℃的等值電路的數據，可以得到網壓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參數：

　　電機電壓：u1=1150v;電機電流：i1=130a;轉矩：m=1230nm;轉差率：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; 轉子繞組折算感抗：x2′s=0.421ω; 轉子繞組折算電阻：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逆變管和續流二極管溫度曲線。此時，逆變器igbt的最高結溫為105℃，續流二極管的最高結溫為102℃;散熱器的最高溫度為76℃，環境溫度為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的最高結溫112℃(100%電阻制動);igbt的最高結溫87℃(50%電阻制動)，環境溫度40℃。

　　4 sz1列車牽引和制動逆變器系統控制

　　4.1 轉矩控制模式的基本要求

　　(1) 采用直接轉矩控制

　　直接轉矩控制系統是近年來開發成熟應用的高動態性能交流變頻變壓調速系統。直接轉矩控制的特點是：

　　·轉矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式band-band控制，省去旋轉坐標轉換，簡化了控制器的結構;

　　·選擇定子磁鏈作為控制對象，使控制性能不受轉子參數變化的影響，這是它優于矢量控制系統的主要方面;

　　·直接轉矩控制與矢量控制方案比較，前者調速范圍不夠寬，穩態機械特性也較后者差一些。但是評判優劣，只得有賴于運營實踐。

　　(2) 牽引和制動轉矩裕量

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

　　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矩的大小，應從0～100%連續可調(司機牽引制動控制器tbc發出的指令信號0.5～10v(牽引/制動力)在列車試驗時可以加以調整)經采樣器(最小采樣周期為16ms)采樣和模/數變換(a/d)后，至列車控制單元vtcu在2ms時間內讀取到新的牽引/制動力指令，并發送到車輛總線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)。