中壓逆變器在軌道交通車輛上的應用

1  引言
　　近年來，隨著我國城市人口的膨脹、國民經濟的發展和環保節能理念的推進，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。在電力電子技術和微電子技術的強力支持下，交流傳動系統以其固有的優越性，在軌道牽引領域、尤其是在地鐵等原來由直流電網供電的電動車組中的應用得到迅猛發展。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  系統構成
　　阿爾斯通ONIXTM驅動系統是一種標準化的驅動產品，主要包括ONIXTM IGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動機。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交流電機和AGATE控制電子裝置。系統結構如圖1所示。
　　高壓供電開關(HVSS):
　　三檔位置:位置P—牽引變頻器由接觸網供電;
　  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電流超過設定值時自動跳閘。當AGATE Control檢測到HSCB斷開時，它將斷開LC和CCC，并且觸發撬棒回路使濾波器放電。
　　進線電抗器(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;當濾波電壓達到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HVSS置于接地位置時，用于對電容器放電。
　　進線接觸器(LC):對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當濾波電壓達到950V時，LC閉合;當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;當濾波電壓超過2500V時，導通保護。
　　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牽引變頻器的優點
　　較高的開關頻率。使交流波形平滑，降低諧波電流，減少體積及重量;更好的電機波形;降低電機損耗;更易于與信號系統兼容。
　　簡化了功率電路。減少了器件數量，降低了成本;增加了可靠性;易于維護。
　　簡化了驅動電路，易于控制。
　　無需吸收回路。
　　易于安裝在散熱器上。IGBT器件包含內部絕緣介質;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。
　　節約能量。ONIX牽引所產生的近乎完美的正弦波電流輸出減少了電機熱量，通過改進的疊片封裝提供了優良的磁性能，降低了渦流損耗。
2.2 驅動控制裝置—AGATE Control
　　AGATE Control是一種先進的電子控制裝置，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。處理器提供信號處理、快速計算和功率監視功能。其中，Intel i960CA微處理器用于總體監控，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:異步電機的實施牽引及制動控制，采用了專利的矢量控制算法;先進的防空轉、防滑行控制;用于電力電子控制的信號監測。
　　通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實現友好的用戶界面;通過用于增強監視能力的各種網絡與所有的AGATE產品通訊;在同功率車輛之間或不同功率車輛之間進行通訊。
　　維護功能:用于診斷和參數設置的人機界面;高等級的自測能力;使用微機與之通訊，下載事件及錯誤記錄及以前的維護數據。
2.3 牽引系統控制策略
　　由電壓源變頻器供電電機運行在脈寬調制模式(PWM)，PWM使它可能施加一個平衡的三相電壓給電機，其幅值和頻率可調。如圖3所示。

　　使用專利技術的矢量控制策略，輸出力矩常接近力矩指令，且改進了低速運行性能。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%。這些精度是假設所有相互之間輪徑差在1%(即8mm)以內。
　　帶有電機電流最佳控制的矢量控制給出了快速磁通和力矩響應(對非激勵電機<1秒)，矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時關斷時重新建立。無需等待電機磁通消失，這是因為逆變器是按電機反電勢調節輸出電壓的。力矩控制用寬通帶(0至36Hz)調節器完成磁通建立，而不管電機的旋轉速度。力矩由電流環控制，減少當電源系統不規則時用常規控制技術可能發生的過流可能性。矢量控制原理如圖4所示。
2.4 控制參數的測量
　　電機并聯連接的策略基于:
　　在逆變器輸出端公用的電流和電壓測量取代電機各自的測量;對每個電機單獨進行速度測量;在說明的容差范圍內，總的力矩調節與輪徑差無關;設計電機參數時，允許1%輪徑差，通過對所引起的電機電流差等補償來實現的。
　　矢量控制在測量方面對電機而言本質上是外部的，它不要求測量電機內部，如電機定子和轉子的溫度測量、電機內部的磁通測量。
　　關于加速度變化率/負載補償:主令控制器產生的牽引力(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向架上的傳感器上的信號進行計算的。在電動或制動時，產生一個加/減速度變化率限止指令，內部保證車輛的平滑行駛。

2.5 ONIX交流牽引電機
　　ALSTOM研制的獨特的輕質、緊湊的、型號為4LCA2138的交流牽引電機為全封閉結構，其特點是:
　　高可靠性。200級絕緣系統及真空加壓浸漬技術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。
　　低維護性。轉子和定子繞組與外部完全隔離，無需定期拆卸清潔。
　　低噪音。特別設計的冷卻風扇使噪音降低至IEC 60349-2標準。
3  主要性能
3.1 變頻器的額定參數
額定工作電壓: 1500V
最大工作電壓: 1800V
最小工作電壓: 1000V
持續有效輸出功率:　　800kW
峰值輸出視在功率:　　1850kVA
持續線電流有效值:　　520A
IGBT開關頻率:　　 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編組，每個動車裝配一個ONIX1500牽引變頻器，驅動四個并聯的ONIX交流牽引電機，變頻器強迫風冷，采用再生和電阻混合制動方式，當架空電網不能接受再生能量時，進行全功率電阻制動。列車主要數據如下:
最大運營速度:  80km/h
最大設計速度:  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
牽引轉矩:　　 1273Nm/電機
最大制動力:　　23.5kN/電機
制動轉矩:　　 1322kN/電機

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