城市轨道交通交流传动逆变器系统国产化方案

摘　要　比较了交流传动系统和直流传动系统的性能,分析了我国城市轨道交通的现状与发展趋势,结合北京地铁复八线建设提出了城市轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案.

关键词　轨道交通　交流传动　逆变器　调压调频分类号　

1 　交流传动系统与直流传动系统的比较
随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展,交流传动已经逐步在取代直流传动,并显示了其在性能价格比和运行性能上的优势. 自1970 年bbc 公司开发的第一台交流传动内燃机车de2500 问世以来,到目前已有数千台交流传动机车和电动车组投入运营. 交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约10 % , 且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长,几乎免维护的鼠笼式异步电机。交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1 所示[ 1 ].
交流传动机车较直流传动有相当大的优越性,目前,欧洲和日本等工业化国家铁路工业部门,已基本停止了直流传动电力机车的生产[2 ]. 与斩波器─ 直流电机斩波调压电气传动系统相比,调压调频(vvvf) 逆变器─ 交流电机的系统主电路变得十分简单. 主要由高速断路器、

表1 　交流传动机车与直流传动机车的性能比较

少了电阻发热的危害. 现在,以斩波器为核心的直流传动电动车组也逐步让位于以vvvf 为核心的交流传动电动车组,如日本的东京、韩国的汉城、德国的汉堡和法兰克福、美国的波特兰[3 ] 等.
2 　我国城市轨道交通传动系统的现状和发展趋势
　　国内城市轨道交通(除香港外) 发展比较缓慢,除了地铁以外,几乎没有城区和近郊的地面轨道交通. 而地铁交通,目前也只有北京、天津、上海和广州等城市开通运营.
2. 1 　供电制式
以北京和天津为代表的北方地区采用dc 750 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 500 v～dc 900 v , 第三轨受流;以上海和广州为代表的南方地区采用dc 1 500 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 1 000 v～dc 1 800 v , 架空接触网受电弓受流.
上述两种供电电压制式都是国际电工委员会推荐的,都能满足城市轨道交通供电的要求. 但是,从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降,延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资,以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言,采用dc 1 500 v 的牵引供电电压制式比采用dc 750 v 的牵引供电电压制式显然要经济得多. 高耐压电力电子变流器件的不断发展,如4 500 v 的gto 、3 300 v 的igbt 等,为采用dc 1 500 v 供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障. 因此,今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的dc 1 500 v.
2. 2 　牵引传动系统
北京的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻和斩波调阻方式,牵引电机为直流电机. 正在新建的复八线(复兴门─ 八王坟) 线长16. 7 km , 预计1999 年10 月1 日通车,牵引控制装置采用gto 元件的vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机,主机由日本东洋电机公司制造.
天津的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻器方式,牵引电机为直流电机. 上海的地铁列车采用德国进口的电动车组,牵引控制装置为调压斩波器,牵引电机为直流电机. 正在新建的新线,也将采用vvvf 逆变器的交流传动装置. 广州地铁列车于1997 年6 月投入试运行,全部采用进口电动车组,牵引控制装置为gto 元件的直交vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机.
由上可见,我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用vvvf 逆变器和鼠笼式异步电机的交流传动系统.
3 　基于北京地铁的交流传动系统逆变器国产化方案
国产化交流传动系统采用由电压源vvvf 逆变器控制三相交流牵引电机的方式. 该系统主要包括如下设备:主控制器、vvvf 逆变器系统(包括逆变器主电路和控制器) 、高速断路器箱、l2c 滤波器、鼠笼式异步牵引电机、主隔离开关和主熔断器、母线隔离开关和高速熔断器、接地开关箱和接地装置[4 ] 等. 以上这些设备除了vvvf 逆变器外,其它设备国产化比较容易实现,而且不少设备已经在北京地铁列车上使用. 这里着重讨论vvvf 逆变器的国产化方案.
3. 1 　vvvf 逆变器结构型式
笔者建议交流传动系统vvvf 逆变器的开关器件选用已商品化的大功率快速开关器件igbt 模块(若市场有供货,也可选用集成了驱动和保护电路的igbt 模块,即ipm 模块). 已商品化的大功率igbt 器件目前有:800 a/1 700 v 、1 200 a/1 700 v 、800 a/2 500 v 、1 200 a/2 500 v 、800 a/3 300 v 、1 200 a/ 3 300v 等. 本方案之所以选用igbt , 而不选用gto , 是因为igbt 与gto 相比有如下优点[5 ] : ① 开关频率较高,提高逆变器输出波形质量,使得噪声水平和电机损耗较低,igbt 的开关频率为1 khz 时,电磁噪声能下降3～4 db ; ② 门控简单,触发能耗较低,只有gto 的1/ 20 ; ③ 吸收电路非常简单,其能耗只有gto 吸收电路的1/ 60 ; ④ 保护系统简化,且短路时可自关断保护; ⑤ 可靠性较高,备品可减少到原gto 备品的1/ 10 ; ⑥ 相同容量装置的重量和尺寸大大减少.
当然,无论选用igbt , 还是选用gto , 这种大容量的开关元器件国内厂家都不能生产,均需要从国外公司进口. 采用igbt 后,由于元器件成本下降,逆变器系统要简化得多,故国产化更易实现.
我国城市轨道交通的供电电压是直流750 v(允许500～900 v 变化) 和直流1 500 v(允许1 000 v～1 800 v 变化),故vvvf 逆变器主电路结构选用电压型二电平三相逆变器结构即可. 对于直流750 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选1 700 v 或2 500 v ; 对于直流1 500 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选3 300 v.
3. 2 　控制方案
城市轨道交通牵引列车中,交流传动系统常见的逆变器─ 电机控制方案有两种:第一种是1 台逆变器控制4 台电机;第二种是1 台逆变器控制2 台电机. 针对北京复八线地铁列车来说,1 台电机的额定容量为180 kw , 故第一种方案逆变器容量需要1 000 kva 左右,第二种方案逆变器容量需要500 kva 左右即可. 笔者建议采用第二种控制方案,即1 台逆变器控制2 台电机的方案. 理由如下: ① 城市轨道交通车辆一般都是四轴车,第二种方案是1 台逆变器控制一个转向架的2 台电机,与第一种方案1 台逆变器控制两个转向架上4 台电机相比,第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数,更有利于列车牵引力的发挥; ② 采用第二种方案,每台逆变器需要从散热器上移走的热量减少一半,这使得散热的处理更加容易; ③ 对于现行的三动三拖六辆编组的列车来说,如果列车上1 台逆变器发生故障,被切除运行,那么对于第一种方案列车的牵引动力将损失1/ 3 , 而对于第二种方案列车的牵引动力只损失1/ 6. 由此可见, 采用第二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案; ④ 现有的igbt 器件电流水平是1 200 a , 采用第一种方案至少需要4 只igbt 并联,采用第二种方案只需两只igbt 并联. ig2 b t 两只并联均流比4 只并联均流更容易些.
3. 3 　vvvf 逆变器控制模式
北京地铁列车的最高运行速度是80 km/ h , 平均速度为35～40 km/ h. 其速度控制由逆变器来实现. 牵引电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检测信号送入逆变器的控制电路中,由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要求计算出电压和频率指令,并转化为pwm 开关信号来控制逆变器的开关器件,从而实现电机(电动车组) 的速度控制. 对于轨道交通牵引来说,逆变器─ 电机系统应该满足下列要求[ 6～8 ] :平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽. 为此,电动车组从起动到停车的调速控制模式如下:
(1) 恒转矩牵引控制阶段. 该阶段转差频率(f s) 一定、电压/ 频率( v/ f) 一定, 逆变器输出频率按速度要求逐渐增大, 对逆变器输出电压实行pwm 控制, 可以保持牵引力恒定, 电机电流基本不变. 该阶段对电机零速到基速之间调速适用.
(2) 恒功率牵引控制阶段. 逆变器输出电压达到最大值后保持不变, 使电机的转差频率随逆变器频率增加, 维持电机电流不变, 从而得到恒功率控制. 该阶段电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少, 相当于直流电机的弱磁控制. 该阶段从电机基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值.
(3) 自然特性牵引控制阶段. 这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变, 转差频率也保持最大值不变, 逆变器输出频率随速度要求逐渐增大, 电机电流与频率成反比逐渐减少, 直到最高运行速度. 该阶段电机牵引力与逆变器频率的平方成反比减少, 相当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性.

(4) 再生制动自然特性控制阶段. 这一阶段与控制模式( 3) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 电机电流随逆变器输出频率的减少成反比增大, 本应持续到下一个阶段, 但由于逆变器容量的限制, 决定了电机电流的上限, 当电机电流达到最大值后将实行恒流控制. 这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加, 相当于直流复励电机的电流限制区.
(5) 再生制动恒转矩控制阶段一. 逆变器电压仍保持最大值, 控制时使转差频率的绝对值与逆变器频率的平方成正比, 逆变器频率随着电机的速度逐渐下降. 该阶段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少, 使得制动力矩保持恒定.
(6) 再生制动恒转矩控制阶段二. 这一阶段与控制模式( 1) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 再生制动恒转矩控制可以持续到速度降到5 km/ h , 然后切除电制动, 转换到空气制动, 直到停车.

3. 4 　vvvf 逆变器系统主要技术指标
(1) 供电输入电压　额定电压为dc 750 v ; 变化范围为dc 500 v～dc 900 v ; 再生制动时为直流侧电压不高于1 000 v.
(2) 额定容量　2 ×500 kva ; 最大输出容量为2 ×600 kva (牵引时).

(3) 元器件规格　开关器件igb t ─1 700 v/1 200 a , 内含续流二极管.
(4) 控制组合　1 台逆变器控制2 台180 kw 的鼠笼式电机.
(5) 逆变器控制器　采用16 位单片机与数字信号处理器(dsp) 相结合,dsp 实现高速运算,16 位单片机完成pwm 脉冲,达到对逆变器的高速高精度的控制.
(6) 输出电压　幅值为0～550 v 三相交流,频率为1～150 hz , 三相不平衡度为基波电压不超过5 %. (7) 效率　额定工况不低于95 %.
(8) 冷却方式　热管交换热能,走行风自然冷却.

3. 5 　牵引电机主要电参数与性能
型式为三相4 极鼠笼式异步电机, 输出功率为180 kw(小时制), 额定电压为550 v , 额定电流为240 a , 额定频率为77 hz , 额定效率> 92 % , 额定功率因数> 0. 85 , 耐压强度:在高温条件下加压ac 3 700 v(50 hz)1 min , 无闪络.
3. 6 　vvvf 逆变器系统保护功能
vvvf 逆变器内设监控装置用于故障分析和维修. 逆变器系统具有各项保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位.
(1) 控制电路欠电压保护　控制电路的110 v 电源电压低于72 v 时封锁igb t 脉冲,并切断主电路电压;电压高于77 v 时恢复正常.
(2) 主电路欠电压保护　电压低于450 v , 持续0. 2 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压低于325 v , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压高于500 v 时恢复正常.
(3) 主电路过电压保护　电压高于1 050 v , 持续1 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲,开放放电电阻;电压高于1 100 v , 切断主电路;电压高于900 v 时恢复正常.
(4) 输出过电流保护　当逆变器输出电流超过设定值后封锁igb t 脉冲;过流消失0. 5 s 后,恢复正常. 若释放脉冲后仍过流,则再次封锁igb t 脉冲,并切断主电路.
(5) 输出缺相保护　三相检测电流整流后,电流波动大于设定值,则封锁igb t 脉冲,切断主电路.
(6) 轮对空转或滑行保护　减少电机输出电流,依照预定曲线实行再粘着控制.
(7) 散热器过热保护　散热器温度超过80 ℃ 时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.
(8) igb t 短路保护　一旦igb t 短路,依照短路保护程序,封锁igb t 脉冲,不可恢复.
(9) 电流传感器故障保护　三相电流之和的绝对值大于设定值时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.

4 　辅助电源系统
辅助电源是给客室照明、客室通风机、司机室空调机、蓄电池组浮充电电源及系统控制设备供电的电源,其容量为40 kw.
该辅助电源由igb t 升降压dc/ dc 变换器(即斩波器) 把直流500～900 v 的电网电压变为直流750 v 的稳定电压,再由igb t 静止逆变器把直流750 v 的电压逆变为380 v 、50 hz 的交流电压,再由工频变压器变压并整流以得到所需的电压. 由于采用igb t 作为开关器件, 故在dc/ dc 变换器结构上毋需二重化,交流输出端也不需交流滤波器.
(1) 输出电压及容量　三相交流负载为电压380 ×(1 ±0105) ,频率(50 ±1) hz ,24 kw ; 直流负载一为电压110 ×(1 ±0101) ,15 kw ; 直流负载二为电压24 ×(1 ±0101) 1
(2) 逆变器效率　> 90 %1

(3) 逆变器过载能力　150 % 过载,10 s 后自动停机; 200 % 过载,立即停机1
(4) 使用温度　-20 ℃～ + 40 ℃1
(5) 保护功能　静止逆变器与vvvf 逆变器相同. dc/ dc 变换器输出电压大于800 v 时,停机保护.

5 　交流传动系统逆变器国产化的可能性
对于城市轨道交通列车所需的交流传动vvvf 逆变器、辅助电源的dc/ dc 变换器(即斩波器) 和静止逆变器的研制与产品化,从目前的技术水平看,我国完全能够自力更生来实现. 我国铁路系统于1996 年研制成功了ac 4000 型交流传动电力机车原型车. 目前正在开展200 km/ h 交流传动高速动车组研制.
笔者提出了基于北京地铁的轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案,认为采用1 700 v 电压等级的igb t 构成二电平vvvf 逆变器用于直流750 v 供电的交流传动系统是合适的,也是可行的. 对于辅助电源,我国已有在8 k 电力机车上成功应用的经验,可供轨道交通列车辅助电源设计的参考.

参考文献
1 　柏华. 基于双微机结构的异步牵引电机直接力矩控制系统的研制: [ 学位论文] . 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所, 1998.

2 　铁道科学研究院机车车辆研究所. 城市轨道交通列车国产化论证报告. 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.

3 　西门子交通技术部. 牵引变流器发展战略. 1997.

4 　奥地利政府交通部. 铁路机车和动车用的牵引变流器. 中—奥铁路技术研讨会上的报告,1996.

5 　三菱电机株式会社. 交流电机传动控制技术交流会资料. 1996.

6 　郑树选主编. 8 k 型电力机车. 北京:中国铁道出版社,1994.

7 　连级三主编. 电力牵引控制系统. 北京:中国铁道出版社,1994.

8 　鲍斯. 电力电子学与交流传动. 朱仁初等译1 西安:西安交通大学出版社,1990.