面向地鐵車輛的輔助逆變系統設計

牛偉亮，李 超，王 磊，杜會卿，劉志剛

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京 100044）

輔助逆變系統是地鐵車輛上不可或缺的電氣組成部分，負責為空調機組、風機、空氣壓縮機等交流負載提供穩定的三相四線制380 V交流電源。同時，地鐵車輛要求輔助逆變器具備一定的負載突變能力[1]，即在空調壓縮機、風機等負載在啟動和切除過程中，其輸出電壓的瞬時變化不能超過規定值并能夠在規定時間內恢復穩態。本文首先闡述了雙級功率變換高頻輔助逆變系統的主電路結構和開關器件的選型方法；其次，介紹了逆變系統的調制策略；最后，通過模型仿真和實驗驗證，證明了該設計方案的可行性。

1 輔助逆變系統主電路設計

1.1 主電路結構設計

地鐵高頻輔助逆變系統的結構如圖1所示，主要包括預充電電路、網側LC低通濾波電路、全橋DC/AC逆變器、高頻變壓器、二極管全橋整流電路、直流輸出濾波電路、三相DC/AC逆變橋、三相LC低通濾波電路以及中線電抗器等。

預充電電路主要由主接觸器K1，預充電電阻R1和晶閘管Q1組成[2]。在系統啟動后，檢測網壓至正常值，延時一段時間后閉合Q1，對電容充電，R1起到限流作用。電容充電飽和后閉合主接觸器K1，再斷開Q1進行切換，從而減小對支撐電容的電壓沖擊[3]。

中間直流濾波器由濾波電感L2和支撐電容 C1、C2組成。其中支撐電容的作用是濾除變流器輸入端的紋波電壓，緩沖能量，保持直流側電壓穩定，而濾波電感則主要用于抑制直流側電流突變。網側使用濾波電容C1、C2和均壓電阻R2、R3均分電壓，兩個DC/AC全橋逆變器串聯連接，變壓器副邊二極管橋式整流輸出串聯連接，串聯結構有助于降低各開關器件的電壓應力和額定功率，既能延長開關器件的使用壽命，又能增加系統開關頻率，減小系統體積。通過均壓電阻R4和相應的控制策略，保證電容均壓，并自動實現均流。三相LC濾波電路保證了輸出電壓及電流紋波在允許的范圍內。

1.2 主電路功率器件選型設計

在系統剛開始啟動時，晶閘管Q1兩端電壓最大，約為1 500 V，考慮2倍裕量[4]，選取額定電壓為3 300 V。晶閘管Q1在軟啟動過程中電流會逐漸變小，在額定工況下，輸入電壓為1 500 V，系統功率為77 KVA，功率因數為0.85，所以

圖1 輔助逆變器結構圖Fig.1 Auxiliary inverter structure chart

考慮1.5～2倍的裕量，選取額定電流為100 A。

根據以上計算所得的選型電壓和電流，應選取耐壓等級為3 300 V，額定電流為100 A的晶閘管。

DC/DC全橋變換器包含4個IGBT橋臂，在工作過程中每個IGBT承受的反向電壓為網壓的一半即750 V。IGBT的選型主要考慮額定電壓、額定電流及散熱效果。本文選型參考公式如下：

其中Uin為750 V；K1為電網電壓波動系數，一般取1.15；K2為中間直流回路有反饋時的泵升電壓系數，一般取1.2；K3為必要的電壓安全系數，一般取1.3～1.5[5]。 代入式（2），得

系統額定功率為77 kVA，功率因數為0.85，直流側的額定電壓為1 500 V，在額定工作狀態下網側輸入電流的有效值為：

考慮過載系數1.5，紋波系數1.2，則流過IGBT的最大電流如下式所示：

根據以上計算所得的選型電壓和電流，采用耐壓等級為1 700 V，額定電流為300 A的IGBT。

三相DC/AC逆變橋采用大容量的智能功率模塊IPM，驅動及保護電路齊全，具有短路保護、過溫保護等功能。在額定工作狀態下，IPM輸入電壓為640 V，考慮一定的裕量，選擇耐壓等級為1 200 V。

系統額定功率為77 kVA，輸出單相電壓有效值為AC220 V，在額定工作狀態下每相輸出電流的有效值為：

考慮過載系數1.5，紋波系數1.2，則流過每相IGBT的最大電流如下式所示：

根據以上計算所得的選型電壓和電流，采用型號為PM450CLA120的IPM，其耐壓等級為1 200 V，額定電流為450 A。

1.3 控制系統結構

本文設計的地鐵輔助逆變控制系統采用DSP+FPGA的基本構架。其中DSP采用TI公司的TMS320F2812用以完成占空比控制算法、數據采集/轉換、485通信和以太網通信；FPGA采用ALTERA公司的Cyclone EP1C12Q24017，作為并行處理芯片既完成PWM脈沖發生的功能，又可以在接收到有關保護信號時，迅速封鎖脈沖，實現硬件保護功能。

2 控制策略

本文采用三維空間矢量脈寬調制（TDSVPWM）技術，該技術尤其適用于三相四線制電壓型逆變系統，可以有效地控制中線零序分量和抑制輸出電壓諧波的產生[6]，使系統不僅能夠應對負載突變狀況，并且在不平衡負載狀況下也能夠獲得良好的輸出性能。

該調制策略的序列分解圖如圖2所示，三相電壓信號首先經過低通濾波器，得到相差90°的兩個向量，然后對這兩個向量進行Park變換，得到基于dq坐標系的電壓矢量。之后對基于dq坐標系的電壓矢量進行對稱分量分解，得到正、負和零序電壓矢量。對得到的各序分量進行逆Park變換就可以得到基于αβγ坐標系的電壓矢量。最后對基于αβγ坐標系下的電壓矢量通過式（8）到式（10）的變換公式就能得到對逆變器進行TDSVPWM調制所需的電壓矢量[7]。

圖2 序列分解圖Fig.2 Sequence decomposition chart

控制框圖如圖3所示，首先對檢測到的三相電壓信號進行如圖2所示的序列分解，得到正、負、零序電壓分量，然后對其進行PI調節得到電流指令。再對檢測到的電流信號進行如圖2所示的序列分解，然后通過PI調節得到電壓指令。最后這個電壓指令經過iPark變換和式（8）到式（10）所示的變換得到 TDSVPWM 所需的 Vα、Vβ、Vγ。

圖3 控制框圖Fig.3 The control diagram

3 模型仿真

在MATLAB中搭建仿真模型，系統輸入直流側電壓為1 500 V，前級與后級變換器開關頻率均設置為為5 kHz。

圖4為負載以50%→100%→50%變化時，逆變器三相輸出線電壓與三相輸出相電流的仿真波形，由圖可見在負載投切過程中線電壓波形正弦度保持良好，峰值穩定在540 V。

4 實驗驗證

根據上文構建的輔助逆變系統，搭建實驗平臺。直流側輸入電壓為1 500 V，IGBT與IPM開關頻率均為5 kHz。

4.1 模擬25%負載→75%負載→50%負載情況

如圖5、圖6所示，負載在投入、切除過程中，輸出電壓波動變化較小，工作穩定 （示波器通道：CH5--網側電壓，CH6—中間直流電壓，CH7—輸出負載側線電壓，CH8—輸出相電流）。

圖4 三相輸出電壓、電流波形Fig.4 The waveform of the three-phase voltage and current

圖5 投入電阻負載時電壓、電流波形Fig.5 The waveform of the voltage and current when the resistance load is switched on

4.2 模擬75%負載→0%負載情況

如圖7所示，突然斷開全部負載后輸出電流瞬間降至0 A，輸出電壓緩慢降至0 V，期間電壓波形變化平緩，系統工作穩定 （示波器通道：CH5--網側電壓，CH6—中間直流電壓，CH7—輸出負載側線電壓，CH8—輸出相電流）。

5 結束語

圖6 斷開風機1負載時電壓、電流波形Fig.6 The waveform of the voltage and current when the Fan load is switched off

圖7 斷開全部負載時電壓、電流波形Fig.7 The waveform of the voltage and current when all the load are switched off

本文主要從地鐵輔助逆變系統的主電路結構、開關器件選型和控制策略三方面介紹了面向地鐵車輛的車載輔助逆變系統設計方案。結合理論計算和仿真模型確定了實際器件的各項參數。仿真和實驗結果表明該系統工作穩定，并且在應對負載突變時工作性能良好，證明了該設計方案的正確性和合理性。

[1]王少林.地鐵輔助逆變系統研究[D].北京:北京交通大學，2009.

[2]陳廣泰.機車牽引變流器預充電電阻的參數設計與仿真[J].內燃機車，2009（12）:18-20.CHEN Guang-tai.The parameter design and simulation of the pre-charge resistance in the locomotive traction inverter[J].DIesel Locomotives，2009（12）:18-20.

[3]王彬，裴冰，馬連鳳.大功率牽引變流器用預充電電阻的仿真計算分析[J].鐵道技術監督，2010，38（6）:40-43.WANGBin，PEIBing，MA Lian-feng.The simulation calculation analysis for pre-charge resistance of high power traction converter[J].Railway Quality Control，2010，38（6）:40-43.

[4]劉志剛.電力電子學[M].北京:清華大學出版社，2004．

[5]仝鑫.管軌運輸系統直線電機牽引變流器研究 [D].北京:北京交通大學，2011.

[6]范心明，程小華.三維空間矢量脈寬調制方法的研究[J].防爆電機，2007，42（2）:21-24.FAN Xin-ming，CHENG Xiao-hua.Study on method of the three-Dimensional space vector PWM[J].Explosion-proof Electric Machine，2007，42（2）:21-24.

[7]賈波.地鐵輔助變流器的設計研究[D].北京:北京交通大學，2011.