中壓逆變器在軌道交通車輛上的應(yīng)用

1  引言
　　近年來，隨著我國城市人口的膨脹、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保節(jié)能理念的推進(jìn)，軌道交通升溫已成為不爭的事實。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的強(qiáng)力支持下，交流傳動系統(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)供電的電動車組中的應(yīng)用得到迅猛發(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)動系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動產(chǎn)品，主要包括ONIXTM IGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動機(jī)。如運行于上海明珠線的是阿爾斯通MetropolisTM列車。列車采用4動2拖編組方式，每輛動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)定值時自動跳閘。當(dāng)AGATE Control檢測到HSCB斷開時，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低通濾波器，減少電流諧波，減小供電電壓波動對變頻器的影響。
　　電容充電接觸器(CCC):對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時，LC閉合，CCC斷開。
　　電容充電電阻(CCZ):對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)HVSS置于接地位置時，用于對電容器放電。
　　進(jìn)線接觸器(LC):對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時，LC閉合;當(dāng)牽引變頻器故障時斷開。
　　硬撬棒回路晶閘管(TH1):對電容器快速放電;瞬間過壓時對IGBT和濾波電容提供保護(hù);當(dāng)濾波電壓超過2500V時，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低阻抗回路。

2.1 ONIXTM牽引變頻器的優(yōu)點
　　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;更易于與信號系統(tǒng)兼容。
　　簡化了功率電路。減少了器件數(shù)量，降低了成本;增加了可靠性;易于維護(hù)。
　　簡化了驅(qū)動電路，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，對冷卻空氣無過濾要求;每一個IGBT器件直接安裝于散熱器上;器件易于替換，無需特殊工具和方法。
　　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)動控制裝置—AGATE Control
　　AGATE Control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)。處理器提供信號處理、快速計算和功率監(jiān)視功能。其中，Intel i960CA微處理器用于總體監(jiān)控，Texas IMS320C31信號處理器用于快速計算和精確的功率控制。如圖2所示。

　　主要控制功能:異步電機(jī)的實施牽引及制動控制，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監(jiān)測。
　　通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實現(xiàn)友好的用戶界面;通過用于增強(qiáng)監(jiān)視能力的各種網(wǎng)絡(luò)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;高等級的自測能力;使用微機(jī)與之通訊，下載事件及錯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)運行在脈寬調(diào)制模式(PWM)，PWM使它可能施加一個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。

　　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)了低速運行性能。速度在10公里/小時以上力矩精度為±5%。在10公里/小時以下力矩精度為±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)(對非激勵電機(jī)<1秒)，矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時關(guān)斷時重新建立。無需等待電機(jī)磁通消失，這是因為逆變器是按電機(jī)反電勢調(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量取代電機(jī)各自的測量;對每個電機(jī)單獨進(jìn)行速度測量;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)計電機(jī)參數(shù)時，允許1%輪徑差，通過對所引起的電機(jī)電流差等補(bǔ)償來實現(xiàn)的。
　　矢量控制在測量方面對電機(jī)而言本質(zhì)上是外部的，它不要求測量電機(jī)內(nèi)部，如電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫度測量、電機(jī)內(nèi)部的磁通測量。
　　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(或制動力)指令連接到AGATE單元并由其分析。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進(jìn)行計算的。在電動或制動時，產(chǎn)生一個加/減速度變化率限止指令，內(nèi)部保證車輛的平滑行駛。

2.5 ONIX交流牽引電機(jī)
　　ALSTOM研制的獨特的輕質(zhì)、緊湊的、型號為4LCA2138的交流牽引電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，其特點是:
　　高可靠性。200級絕緣系統(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)計的冷卻風(fēng)扇使噪音降低至IEC 60349-2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
3.2 列車性能
　　上海明珠線地鐵車輛采用四動兩拖六節(jié)編組，每個動車裝配一個ONIX1500牽引變頻器，驅(qū)動四個并聯(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方式，當(dāng)架空電網(wǎng)不能接受再生能量時，進(jìn)行全功率電阻制動。列車主要數(shù)據(jù)如下:
最大運營速度:  80km/h
最大設(shè)計速度:  90km/h
最大瞬間加速度:　　 0.9m/s2
最大運營減速度:　　 1.0 m/s2
沖擊限制:　　 0.7-1.0 m/s3
額定工作電壓:  1500V
最大牽引力:　　21.3kN/電機(jī)
牽引轉(zhuǎn)矩:　　 1273Nm/電機(jī)
最大制動力:　　23.5kN/電機(jī)
制動轉(zhuǎn)矩:　　 1322kN/電機(jī)

4  參考文獻(xiàn)
[1] ALSTOM, Draught Inverter Operation and Maintenance Manual, 2001.
[2] 陳慧民. 軌道交通車輛OMX1500交流傳動系統(tǒng)的分析研究[J]. 城市軌道交通研究, 2002,⑷:47.