地铁列车的新型逆变器系统

1 引言
　　在即将投入运营的sz1地铁列车上，采用了一种新型变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统。之所以称它是“新型”系统，是因为以下三个原因：其一，采用大功率电力电子器件igbt模块。复合型igbt是以单极型mosfet为驱动元件，双极型gtr为主导元件的达林顿结构元件，它综合了前者输入阻抗高、驱动功率小（电压型）、电路简单、开关频率高、热稳定性好和后者安全工作区宽、电流密度高、导通压降低的优点;其二，单台牵引电机额定功率较之目前国内外已投入运营的同类产品（4m2t）大，因而使这类地铁列车有更大的牵引功率和电制动功率;其三，vvvf逆变器采用直接转矩控制系统，这是除矢量控制系统之外的另一种新的高动态性能的、但更简单适用的变频变压调速系统。因此，这种“新型”系统体现了现代电力电子器件、电路及其控制技术方面的特点：集成度高，工作频率高，全控化，电路控制简单、灵活、准确，多功能化和智能化。这将大大提高地铁列车vvvf逆变器系统的可靠性、可维修性以及经济性等，具有广阔的发展前景。
2 sz1地铁列车电气设备的构成
　　2.1 地铁列车电气设备布置与电路图
　　如图1所示，sz1地铁列车为6辆编组（4m2t）的两个3车单元（2m1t）对称设计。每个3车单元都由一个带司机室的拖车a和两个动车（带受电弓的动车b和不带受电弓的动车c）组成。两个3车单元用半自动车钩连接。

 

　　每车两个转向架共四根轴， 一个动车的四根轴由同一台牵引逆变器驱动， 即四台自冷三相异步牵引电动机并联运行。
　　（1） sz1地铁列车的线路区段：
　　sz1地铁1期工程1号线13站，平均站间距1.172km，最大地下深度22m;4号线5站，平均站间距1.011km，最大地下深度23.5m。
　　（2） 轨距：1435mm。
　　（3） 设计最大坡道：正线35‰，车站线路3‰，辅助线路（awo）40‰，车辆段线路0‰。
　　（4） 车辆载荷：列车总载荷（t）awo（空载）： 210t， aw1（48座/辆，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 电气系统简述
　　sz1地铁列车的牵引逆变器系统全称应该是“变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统”。图1所示系统的主要设备包括受电弓、浪涌吸收器、隔离和接地开关、高速断路器、线路滤波电抗器、线路接触器和充电限流环节、接地差动电流检测器、牵引逆变器（牵引逆变器模块、制动斩波器模块、线路滤波电容器）、制动电阻、牵引电机（4台）、接地和负极回流装置。现将系统设备的功能、技术参数、工作原理按以上编号分别简述如下（控制单元略）。
　　以动车b为中心，按编号顺序描述如下设备名称、位置、功能基本特点和概念。
　　（1）每个动车b都装有一个受电弓1，由一个浪涌吸收器2进行过压保护，它连到受电弓的输出端。其供电制式为架空接触网，额定电网电压为dc1500v（变化范围1000～1800v）;计算电网电压在牵引时为dc1500v，再生制动时为dc1650～1800v。
　　（2）高压电源（dc1500v）通过4根电缆（每根都各走一根钢管）连接到b车的ph箱（牵引逆变器和高压设备箱）中的隔离和接地开关3（θ1点），它有三个位置，即受电弓受电位、连接车间电源的插座位、车辆接地位。
　　（3） 经过隔离和接地开关后， 高压电就连接到两个高速断路器4，
　　它们分别接到本车上ph箱中的线路滤波电抗器5和本车上ph箱外的线路滤波电抗器5，再分别接到各自的b车和c车;ph箱中和pa箱（牵引逆变器和辅助逆变器箱）中的线路接触器6（充电限流环节）、输入输出差动电流接地保护7、牵引逆变器8（包括线路滤波电容器、牵引逆变器模块、制动斩波器模块）、制动电阻9（分别在b车ph箱外和c车pa箱外），以及b车和c车的四台牵引电动机io。
　　（4） 隔离和接地开关θ1和θ2的2位相连接地11（接地和负极回流点）。
　　（5）高压电经过一个辅助熔断器和一个隔离二极管（图1中的25和26）连接到蓄电池充电熔断器12，再连接到a车的蓄电池充电器;连接到辅助逆变器熔断器13、线路滤波电抗器14（在c车上）、线路接触器（充电限流环节）15（在c车的pa箱中）、辅助逆变器16（逆变器模块、滤波电容器）、三相变压器、滤波器、输出变压器（三相交流380v，50hz）17，以及三相电压测量装置18。
　　（6）电磁兼容emi电容器19，分别连接在b车ph箱中的牵引逆变器输入电压负极对地之间，c车pa箱中的牵引逆变器、辅助逆变器输入电源负极对地之间。
　　（7） 高压经过辅助熔断器25和隔离二极管26后，还连接到母线重联装置的熔断器、接触器20、重联插座21，给列车的另一个3车单元供电。
　　（8） 23是组容保护电路，防止隔离二极管反向击穿。
　　（9） 24是网压测量装置。
　　由此可见，sz1地铁列车有四台完全相同的牵引逆变器系统，其中两台装在b车的ph箱中，另外两台装在c车的pa箱中（但是它们的告诉断路中4装在b车的ph箱中，线路滤波电抗器5装在b车的ph箱外）;sz1地铁列车有完全相同的两台辅助逆变器系统，分别装在两个3车单元的动车c的pa箱中，但是，它们没有高速断路器，只通过装在动车b的ph箱外的辅助逆变器熔断器供电，且线路滤波电抗器14在动车c的pa箱外;sz1地铁列车有完全相同的两台直流电源系统，分别装在两个3车单元的拖车a上，但是，蓄电池充电器熔断器12装在动车b的ph箱中，由此得到dc1500v高压电源。
　　2.3 主要电气设备简介
　　（1） 受电弓
　　sz1地铁列车有两台受电弓，分别装在两个3车电源的b车顶上，将dc1500v电源连接到ph箱中的隔离和接地开关上。
　　受电弓的主要技术参数：额定电压：dc1500v; 最大/暂态系统电压：dc1800v/dc2000v;
　　额定/最大电流：1400a/2400a;最大静态电流：460a; 最大速度：90km/h;
　　最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 静态接触压力：120n±10n; 升弓/降弓时间：≯8s/≯7s。
　　（2） 浪涌吸收器（避雷器）
　　浪涌吸收器的功能是防止车辆外部的大气过电压（如雷击过电压）和车辆内部的操作过电压对车辆电气设备的破坏。其保护整定值应与变电所过电压保护整定值相协调。
　　（3） 隔离和接地开关
　　在运行时，连接受电弓、辅助电源系统、牵引逆变器系统，隔离车间电源;在车间时，连接辅助电源系统、车间电源，隔离受电弓、牵引逆变器系统;关断时，隔离受电弓、辅助电源系统、牵引逆变器系统、车间电源，并把受电弓和辅助设备电源端接地。
　　隔离和接地开关的辅助触点用于监控和安全联锁，它有足够的间隔甚至在触点开闭过程中也不拉弧;短路电流由变电站的高速断路器限流。
　　（4） 高速断路器（hscb）
　　sz1地铁列车的4台牵引逆变器都是由高速断路器来接通或断开dc1500v高压电源的。高速断路器是电磁控制和自然冷却的单极直流断路器。它可以因过流自动跳闸，也可以由dc110v电源控制跳闸，且可在两个电流方向过流自动跳闸，这正好满足地铁列车牵引和再生制动运行的需要。
　　高速断路器的主要技术参数：额定电压：dc2000v;额定电流：1000a;允许短时工作电流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;稳态短路电流：30ka（短路时间常数1sms）;机械响应时间：约3ms（电流初始上升率di/dt=2ka/ms时）;总开断时间：约15ms;控制电源电压：dc110v。
　　（5） 线路滤波器（线路滤波电抗器和线路滤波电容器）
　　因为感抗（xl=ωl）和容抗（xc=1/ωc）的原因，使它们具有抑制电流冲击（di/dt）和抑制电压冲击（du/dt）的功能。它们在地铁列车变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统中起着至关重要的作用。如抑制电网侧传输到逆变器直流侧的谐波电流和过电压，抑制逆变器产生的谐波电流和换流引起的过电压的不利影响，限制逆变器的故障电流和滤平输入电压等。线路滤波电抗器电感量一般为5～8mh（900a时5mh），额定电流为475a，最大电流为900a。
　　线路滤波电容器电容量与其额定电压有关，且应与线路滤波电抗器的电感量相匹配，约在数千μf左右。线路滤波电容器的主要技术参数：
　　额定电压：最高达6kv;最大电流：最高达600a;自感量：≤40nh;额定能量：最高达18kj;介质损耗因数：tanδ0=2×10-4;最大峰值电流：最高达10ka;最大浪涌电流：最高达100ka。
　　（6） 线路接触器
　　线路接触器的功能常被人们忽视，不熟悉其闭合断开过程，以及它与高速断路器和线路滤波电容器充放电之间的关系。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流使线路滤波电容器受损，首先闭合充电限流环节的接触器，接入限流电阻，待电容电压达到一定值后（由与电容器固定并联的放电电阻上取电压传感器信号），闭合线路接触器6，将限流电阻短接。当高速断路器断开时，线路滤波电容器应在5min内自动放电至低于50v（由其固定并联放电电阻值决定），且可得到放电时间常数值。
　　线路接触器的通断能力应满足下列要求：
　　·电压：1.2un（un为dc 1500v）;
　　·电流：1.1in（in为电磁接触器的额定电流）;
　　·两次间隔时间：2min。
　　（7） 接地差动电流检测装置（差动电流保护器）
　　当牵引逆变器正端输入电流和负端回流的差值超过50a时，表明牵引逆变器主电路发生接地故障，差动电流保护器动作，封锁igbt门极脉冲，断开高速断路器和线路接触器，并故障显示，报警。[page]
3 牵引逆变器
　　3.1 牵引逆变器简述
　　三相桥式逆变器由t1、t2、t3、t4、t5、t6组成逆变电路（直流到交流）为3300v/1200aigbt;d1、d2、d3、d4、d5、d6组成整流电路，为感性负载电流（4台电机并联，定子绕组星形连接、三相负载为za、zb、zc）提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈。前者被称为逆变管，后者被称为续流二极管或反馈二极管。180°导通型三相桥式逆变电路每隔60°，在一周内依次导通：t1、t2、t3;t2、t3、t4;t3、t4、t5;t4、t5、t6;t5、t6、t1;t6、t1、t2。
　　牵引逆变器模块和制动斩波器模块主电路如图2所示。

 

　　3.2 牵引电机技术参数
　　按照sz1地铁列车牵引电机4eba4040（正弦电压）在58hz，150℃的等值电路的数据，可以得到网压dc1500v和dc1800v时，电机的牵引和制动特性曲线分别如图3、图4所示。

 

　　牵引电机的主要技术参数：
　　电机电压：u1=1150v;电机电流：i1=130a;转矩：m=1230nm;转差率：s=1.70%;定子绕组电阻：r1=0.135ω;定子绕组感抗：x1s=0.350ω;励磁绕组感抗：xh=15.47ω; 转子绕组折算感抗：x2′s=0.421ω; 转子绕组折算电阻：r2′= 0.089ω。
　　3.3 牵引逆变器功率模块
　　图5（a）为超载（aw3）时，牵引逆变器igbt逆变管和续流二极管温度曲线。此时，逆变器igbt的最高结温为105℃，续流二极管的最高结温为102℃;散热器的最高温度为76℃，环境温度为40℃。

 

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　　图5（b）为超载（aw3）时，制动斩波器igbt温度曲线。此时，制动斩波器igbt的最高结温112℃（100%电阻制动）;igbt的最高结温87℃（50%电阻制动），环境温度40℃。
4 sz1列车牵引和制动逆变器系统控制
　　4.1 转矩控制模式的基本要求
　　（1） 采用直接转矩控制
　　直接转矩控制系统是近年来开发成熟应用的高动态性能交流变频变压调速系统。直接转矩控制的特点是：
　　·转矩和磁链都采用直接反馈的双位式band-band控制，省去旋转坐标转换，简化了控制器的结构;
　　·选择定子磁链作为控制对象，使控制性能不受转子参数变化的影响，这是它优于矢量控制系统的主要方面;
　　·直接转矩控制与矢量控制方案比较，前者调速范围不够宽，稳态机械特性也较后者差一些。但是评判优劣，只得有赖于运营实践。
　　（2） 牵引和制动转矩裕量
　　牵引和制动转矩裕量（颠覆转矩与最大牵引转矩或最大制动转矩之差）不小于20%颠覆转矩值。
　　4.2 列车的牵引加速和制动减速控制
　　（1）司机控制手柄位置给出牵引或制动转矩的大小，应从0～100%连续可调（司机牵引制动控制器tbc发出的指令信号0.5～10v（牵引/制动力）在列车试验时可以加以调整）经采样器（最小采样周期为16ms）采样和模/数变换（a/d）后，至列车控制单元vtcu在2ms时间内读取到新的牵引/制动力指令，并发送到车辆总线wtb，另一个3车单元的列车控制单元vtcu读取到牵引/制动力信号，以及将这个信号自动地发送到牵引控制单元dcu和制动控制单元bcu，完成一次列车的牵引加速和制动减速全过程（列车控制单元vtcu经多功能列车总线mvb将牵引/制动力指令信号送到牵引控制单元dcu和制动控制单元bcu，直至控制牵引逆变器和制动斩波器igbt的门极脉冲）。

 

　　图6为制动时，牵引逆变器模块相电流、输出功率与列车速度关系曲线。从曲线中可以看出，在dc1500v/80～60km/h时，再生制动电流超过800a，输出反馈功率约5800kw;在dc1800v/80～65km/h时，再生制动电流约700a，输出反馈功率约6000kw。
　　（2） 加速度和减速度的控制是自动连续的
　　逆变器的输出电流即电机电流（牵引时为正，电制动时为负），它在逆变器的可控元件（igbt）和不可控元件（续流二极管）中交替流通，其分担比例随逆变器输出电压的高低、牵引和再生制动的工况不同而变化。
　　牵引时，若逆变器输出电压高，则igbt分担的电流大，若输出电压低，则分担的电流小。igbt分担的比例为50%～100%。
　　再生制动时，逆变器交流侧电压（即牵引电机在发电机工况时的输出电压）越高，续流二极管分担的电流越大，续流二极管分担的比例为50～100%。
　　sz1列车牵引和制动特性曲线如图7所示。

 

　　模拟条件：
　　·牵引时，网压dc1000v，1500v
　　·制动时，网压dc1000v，1500v
　　dc1650v，1800v
　　·列车最大速度：80km/h
　　·车轮直径：0.805m（半磨耗）
　　·aw2负载：342.6t
　　·aw3负载：377.5t
　　（3） 当方向/方式手柄在ato位时， 列车允许由ato装置控制， 进入自动驾驶模式，
　　实现牵引、巡航、惰行、制动;但司机控制器调速手柄保留快速制动功能，确保安全。
　　4.3 特殊运行方式
　　“爬行”（低速）牵引功能， 用于洗车（维持3±0.5km/h速度）。
　　4.4 电制动控制
　　（1） 在手动模式和自动驾驶模式（ato）下，对所有的速度条件下的减速控制均有效。
　　（2） 再生制动和电阻制动能力在额定网压和额定负荷aw2下，均能满足列车常用制动的要求。
　　（3） 再生制动和电阻制动的转换控制
　　当接触网具有接收能力时，采用再生制动;当接触网不能吸收再生能量时，再生制动部分或全部转为电阻制动。转换过程的控制应平滑，且不需空气制动介入。
5 结束语
　　对sz1地铁的新型逆变器系统的描述，是作者现阶段的肤浅认识，有待调试、验收、运营检验后修正和确认。因此，本文仅作信息交流，仅供参考，敬请批评指正，以便日后作专题讨论。