城軌牽引變流器自主化設計與研制*

劉東輝

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

近年來，為緩解城市交通壓力和促進節能減排，我國城市軌道交通發展迅速。目前已有40多個城市進行了城軌建設規劃，其中30多個城市已有開通運營線路。在城軌交通的發展過程中，城軌車輛作為軌道交通裝備領域中的重要組成部分起到了積極的支撐作用。而牽引系統作為城軌車輛的核心，直接影響到車輛運行性能，并關系到車輛的安全性、運行質量及能耗。文中結合科研院所基金支撐的城軌交通牽引系統自主化研制項目，對城軌牽引系統中的牽引變流器的自主化設計方法與研制情況進行介紹。

1 主電路設計及關鍵器件參數計算

根據北京某DC 750 V地鐵車輛運營線路的技術要求，開展對車輛牽引變流器的設計。主電路采用電壓型三相全橋結構，控制方式為架控模式，變流器的主電路主要包括：線路濾波電抗器、輸入及預充電電路、中間支撐電容、功率模塊、電壓電流傳感器、熱管散熱器、制動斬波器等。牽引變流器主電路設計方案如圖1所示。

圖1 牽引變流器主電路圖

主電路關鍵器件IGBT選取參數的計算和散熱器功率的計算如下。

1.1 逆變側IGBT選取

按照牽引變流器及牽引電機的技術參數對功率器件IGBT的電壓電流等級進行計算。

1.1.1電壓等級

UCES=UDmax×1.5(安全系統)=

900×1.5=1 350 V

其中：額定電壓750 V，電壓波動范圍500～900 V，取電壓UDmax=900 V為電網波動輸入的最大電壓值。

1.1.2電流容量

式中：牽引變流器最大輸出功率710 kVA；(考慮兩臺電機并聯，1.5倍余量)。

紋波系數：輸出電流最大值按1.05倍波動考慮；

Ic(max)為IGBT關斷的最大電流。

通過上述計算，根據經驗及機組的實際工況，可取電壓為1 700 V，電流容量為1 600 A的IGBT半導體器件。

1.2 制動斬波側IGBT選取

電壓等級選取同逆變器部分，電流選取根據斬波工作的特點由式(1)確定：

(1)

其中：1.5為安全余量，計算所得為峰值電流。

可以選取與逆變側相同容量的元件。

1.3 逆變器熱管散熱器參數計算與選取

牽引用IGBT損耗計算，按IGBT技術參數(T=150 ℃)，開關頻率選用1 kHz，取D=0.90，COSφ=0.85，結果如下：

1.3.1模塊開關損耗

Psw=363 W

1.3.2IGBT通態損耗

VCE(sat)=2.4(正常值T=150 ℃(結溫))，則：

PSS=1 050×2.4×(0.125+0.90×0.85/3/3.14)≈

520 (W)

1.3.3二極管的穩態損耗

取IEP=ICP，VCE=2.2(正常最大值T=25 ℃(結溫))。

PD=1 050×2.2×(0.125-0.90×0.85/3/3.14)≈

101 (W)

1.3.4單管總損耗：

PT=PSW+PSS+PD≈984 (W)

根據經驗，對熱管散熱器的基本參數要求見表1。

表1 逆變側熱管散熱器基本要求

1.4 斬波裝置熱管散熱器參數計算與選取

工作條件：開關頻率500 Hz；占空比D=0.5；斷續工作制在120 s中開通16 s。

1.4.1IGBT單管損耗

開關損耗：Ptsw=(Eon+Eoff)×f×D=

(0.5+0.6)×500×0.5=275 (W)

導通損耗：

Ptss=900/1.3×2.4×0.5×16/120=111 (W)

1.4.2二極管損耗

恢復損耗：Pdsw=Erec×f×D=

0.23×500×0.5=57.5 (W)

導通損耗：

Pdss=900/1.3×2.1×0.5×16/120=97 (W)

因為一個制動斬波裝置的散熱器上有兩個單元的制動斬波相同，所以散熱器需要散出的總熱量為：

P=4×(Ptsw+Ptss+Pdsw+Pdss)=

4×(275+111+57.5+97)=2 162 (W)。

根據經驗，對熱管散熱器的基本參數要求見表2。

表2 斬波側熱管散熱器基本要求

2 控制單元硬件設計

牽引變流器的控制單元由控制板(CPU)、模擬量輸入/輸出板(AIO)、數字量輸入/輸出板(BIO)、電源板(POWER)、背板組成。控制器采用9u標準機箱結構，前面板為控制箱對外的連接線，背板為控制箱內連接線。

牽引變流器的控制單元實現對變流器的控制、監測和保護。牽引變流器的控制單元同時控制兩個逆變器單元，因此采用了主從結構的兩塊控制板。控制系統硬件總體結構如圖2所示

圖2 總體結構圖

2.1 控制板(CPU)

CPU板是控制單元的核心，它的控制功能由單片機、DSP、CPLD和FPGA為核心再配合相應的輔助電路構成的控制系統實現。板卡上還包括供電電源、輸入輸出接口、狀態顯示等。實現控制邏輯，故障檢測、保護與故障信息的存儲，完成與PC機和監控終端的通訊。控制板原理框圖如圖3所示。

2.2 模擬量輸入/輸出板(AIO)

AIO板卡承載著控制單元的模擬量處理功能，可劃分為非隔離電壓電流傳感器的模擬量采樣、硬件過流保護、模擬通道自測試、溫度測量、轉速測量、隔離放大器模擬量測量、AD轉換、DA轉換及輸出和前后面板接口等部分。AIO板完成對來自外部傳感器的模擬量如：電壓、電流、溫度及轉速等的采集、濾波，轉換為數字信號，并將處理好的數據送給CPU板，也接收來自CPU板的數字量并將其轉換為模擬量輸出。AIO板的原理框圖如圖4所示。

2.3 數字量輸入/輸出板(BIO)

BIO板承載著數字信號指令發送和接收的功能，可劃分為數字量輸入通道，數字量輸出通道，輸入輸出選通電路，串口和前后面板接口等部分。BIO板通過光耦或繼電器等完成不同電壓等級的數字量的輸入與輸出，也包含和監控終端的通訊接口。BIO板原理框圖如圖5所示。

圖3 控制板原理框圖

圖4 AIO板原理框圖

圖5 BIO板原理框圖

2.4 電源板卡(POWER)

POWER板卡是將外部輸入的110 V電源變為5 V，±15 V，24 V等各種不同等級的電源供給控制單元的各板卡以及IGBT驅動板，具有電源質量監控和保護功能。為控制箱內各板卡供電，并對各路電源進行監控，將電源故障信號送到控制板。POWER板原理框圖如圖6所示。

圖6 POWER板原理框圖

3 控制系統軟件設計

針對牽引控制單元硬件采用的MCU、DSP、FPGA和CPLD 4種可編程芯片相結合的結構，進行了控制軟件的設計。通過這4種芯片軟件之間互相配合共同完成控制單元所需功能。另外在調試城軌牽引、輔助變流器過程中，需要開發在PC機側模擬與車上設備通訊的上層軟件，實現與變流器的調試串口、故障監視串口的通訊功能。

針對上述軟件開發的需求，搭建了控制單元軟件開發平臺，開發平臺情況如圖7所示。

圖7 控制系統軟件開發平臺

3.1 MCU軟件主要功能

MCU軟件開發的工作主要包括底層驅動軟件和牽引變流器應用程序兩大部分的內容。底層驅動軟件主要完成應用程序與實際硬件的交互工作，通過底層驅動軟件讀取各個輸入端口的工作狀態，由應用程序根據這些狀態，決定輸出端口狀態，并由底層驅動軟件完成最終實際輸出動作。應用程序則主要包含了牽引變流器的各個工作邏輯等，MCU軟件的主要功能包括：

(1)輸入輸出接觸器的開關控制和狀態反饋讀取；

(2)輸入電機轉速信號的讀取；

(3)輸入輸出電壓電流傳感器值的讀取；

(4)電機牽引特性曲線的生成；

(5)各個溫度傳感器和溫度開關狀態的讀取；

(6)主從MCU熱備份切換；

(7)牽引變流器的啟動、停止等工作狀態的控制；

(8)制動斬波器的啟動、停止等工作狀態的控制；

(9)制動電阻的溫度計算；

(10)各種故障的檢測、判斷和保護；

(11)故障時刻數據存儲；

(12)通過硬線，獲取司控器的控制指令；

(13)通過RS232接口與PC機監控軟件通信，獲取PC機監控軟件的控制指令，向PC監控軟件報告牽引變流器的工作狀態。

3.2 DSP軟件主要功能

牽引變流器控制器中DSP及其輔助電路是核心控制算法的形成單元，DSP軟件的主要功能包括：

(1)牽引變流器中電機閉環控制算法；

(2)變流器的輸出控制脈沖產生；

(3)變流器模擬量的有效值計算。

3.3 FPGA軟件主要功能

FPGA的主要功能是作為數據周轉中心，實現CPU和DSP在雙口RAM間的數據交換，FPGA軟件的主要功能包括：

(1)數據交換功能；

(2)數據采集和輸出功能；

(3)關鍵故障的判斷和保護功能；

(4)制動斬波脈沖產生功能。

3.4 CPLD軟件主要功能

CPLD的主要功能是對DSP發出的PWM脈沖信號進行監控，對變流器功率模塊進行實時保護，同時CPLD還執行兩塊CPU板的主從模式的轉換管理和系統數據總線管理等任務，CPLD軟件的主要功能包括：

(1)電源狀態監視功能；

(2)IGBT模塊狀態監視功能；

(3)看門狗功能。

4 試驗驗證

設計與研制的牽引變流器樣機通過了型式試驗，完成了牽引系統地面聯調試驗。其中，地面聯調試驗采用異步電機背靠背、交流能量互饋的技術方案，按照地面聯調試驗要求，通過陪試機組進行控制，為被試機組提供所需負載。

4.1 牽引工況試驗

被試機組處于滿級牽引，調節陪試機組速度，由速度5 km/h、10 km/h、15 km/h，每5 km/h一個間隔直至80 km/h，在每一速度點陪試與被試機組背靠背平衡后，測量每一個速度點的牽引電機輸出轉矩和變流器直流輸入側的電壓、電流、轉速和功率。

4.2 電制動工況試驗

手柄置于電制動最大級位，調節陪試機組速度，由80 km/h、75 km/h、70 km/h，每5 km/h一個間隔直至0 km/h。在每一速度點陪試與被試機組背靠背平衡后，測量每一個速度點的牽引電機輸出轉矩和變流器直流輸入側的電壓、電流、轉速和功率。

4.3 特性曲線繪制

分別在額定載荷條件下，繪制出牽引工況和制動工況時的轉矩特性曲線，部分曲線如圖8和圖9所示。

試驗結果與仿真曲線基本一致，變流器性能達到了設計要求。

圖8 額定載荷牽引工況轉矩特性試驗結果

圖9 額定載荷電制工況轉矩特性試驗結果

5 結束語

結合北京某線路地鐵車輛對牽引系統的要求，進行了城軌車輛牽引變流器的自主化設計與研制，研制的城軌車輛牽引變流器完成了型式試驗和牽引系統地面聯調試驗，并通過了行業內專家的技術評審，性能滿足設計要求。