牽引逆變器在烏魯木齊地鐵一號(hào)線中的應(yīng)用

馬燕 劉洋

摘要：本文主要針對(duì)新疆烏魯木齊地鐵一號(hào)線，介紹了牽引逆變器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提高車輛運(yùn)行地可靠性，也更好地保障地鐵順利運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：地鐵;牽引逆變器;保障

0 ?引言

烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線工程，是烏魯木齊地鐵建設(shè)的第一條地鐵線路，2019年6月28日全線開通運(yùn)營，標(biāo)志顏色為科技藍(lán)。地鐵1號(hào)線南起三屯碑站，北至國際機(jī)場站，線路全程27.615km，全為地下段，共設(shè)有21座車站，采用六輛編組，四動(dòng)兩拖受電弓受流的A型電動(dòng)客車，列車最高設(shè)計(jì)速度達(dá)到80km/h。地鐵1號(hào)線列車的外觀如圖1所示。

一般在鐵路軌道運(yùn)輸設(shè)備中，牽引逆變器就像是列車的心臟，為列車提供能量來源;機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)就像是列車的肌肉，負(fù)擔(dān)列車的運(yùn)行和動(dòng)力輸出;信號(hào)控制系統(tǒng)就像是列車的大腦，發(fā)布各種運(yùn)行和監(jiān)控指令。烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線車輛選用的是新譽(yù)龐巴迪生產(chǎn)的牽引逆變器，每節(jié)動(dòng)車裝有1臺(tái)變壓變頻調(diào)速（VVVF）牽引逆變器，每個(gè)牽引逆變器向每節(jié)動(dòng)車的4臺(tái)并聯(lián)的牽引電機(jī)提供電能，并可根據(jù)網(wǎng)壓現(xiàn)實(shí)再生制動(dòng)。

1 ?牽引逆變器的主要介紹

1.1 牽引逆變器主電路

牽引逆變器的核心控制部件是驅(qū)動(dòng)控制單元（DCU），核心逆變部件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），IGBT是由門極驅(qū)動(dòng)單元（GDU）控制。驅(qū)動(dòng)控制單元與門極驅(qū)動(dòng)單元間的通信采用的是光纖傳輸，光纖傳輸既可以提高信號(hào)的抗干擾能力和傳播速度，也具有隔離作用。圖2為牽引逆變器的實(shí)物圖。

牽引逆變器的主要功能是為牽引電機(jī)提供三相交流電，把接觸網(wǎng)直流電壓經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化成對(duì)稱的振幅和頻率可調(diào)的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)化，由驅(qū)動(dòng)控制單元控制。電制動(dòng)期間，能量反向，把三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。圖3為牽引逆變器主電路。

圖3中的充電單元是給牽引逆變器充電，放電電阻與直流環(huán)節(jié)電容并聯(lián)，對(duì)直流環(huán)節(jié)電容進(jìn)行放電，濾波電容是一個(gè)能量緩沖器，它具有足夠容量，從而保持直流環(huán)節(jié)中的電壓紋波在允許范圍內(nèi)并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確的變流器控制，牽引逆變器出來的三相電驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

要使?fàn)恳孀兤鬟\(yùn)行起來，首要的是必須要有個(gè)充電單元給它充電。充電單元由一個(gè)充電接觸器、分離接觸器和一個(gè)充電電阻組成。驅(qū)動(dòng)控制單元通過分離接觸器和充電接觸器啟動(dòng)牽引逆變器。當(dāng)開始充電時(shí)，充電接觸器閉合，分離接觸器保持打開。此時(shí)濾波電容緩慢充電，充電電阻限制沖擊電流。當(dāng)電壓達(dá)到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓時(shí)，分離接觸器閉合，充電接觸器打開，牽引逆變器可以開始工作。

1.2 IGBT技術(shù)

1.2.1 IGBT原理

牽引逆變器的核心技術(shù)就是IGBT技術(shù)，IGBT模塊有三個(gè)相似的相，每相并聯(lián)至直流環(huán)節(jié)，每相IGBT通過開通和關(guān)斷把穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為三相可變壓變頻的交流電，逆變器出來的三相電由三個(gè)橋臂組成。每一個(gè)相橋臂有兩個(gè)IGBT模塊。模塊內(nèi)有一個(gè)帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT，續(xù)流二極管在關(guān)斷的時(shí)候提供電流的可選路徑，避免由于過壓引起的IGBT故障。IGBT由門極驅(qū)動(dòng)單元控制開啟和關(guān)閉，并向柵極引出線發(fā)出電壓信號(hào)。圖4為牽引逆變器的三個(gè)橋臂。

圖4中，牽引逆變器可以看成一個(gè)三相電壓型橋式逆變電路。當(dāng)上橋臂IGBT開通時(shí)，下橋臂關(guān)斷，當(dāng)上橋臂輸出低時(shí)，關(guān)斷命令發(fā)送至上IGBT，開通命令發(fā)送到下IGBT。相電流流經(jīng)下IGBT得續(xù)流二極管。每一橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩橋臂交替導(dǎo)電，任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩橋臂之間進(jìn)行，故也稱為縱向換流。工作波形圖見圖5所示。

對(duì)于U相：當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)，uU=UDC/2，當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時(shí)，uU=-UDC/2;

對(duì)于V相：當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)，uV=UDC/2，當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時(shí)，uV=-UDC/2;

對(duì)于W相：當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)，uW=UDC/2，當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時(shí)，uW=-UDC/2;

線電壓：uuv=uU-uV，uVW=uV-Uw，uWU=uW-uU。

1.2.2 IGBT實(shí)際選型

作為牽引逆變器的核心部件，IGBT的選型很是重要。IGBT是選型主要依據(jù)是啟動(dòng)電流和最大接觸網(wǎng)電壓。烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線工程所使用的列車的啟動(dòng)電流為670A，可以計(jì)算啟動(dòng)電流的峰值670A，即947A，接觸網(wǎng)最大電壓為2000V。因此，以啟動(dòng)電流為依據(jù)，選取IGBT的參數(shù)為VCEM=3300V，INOM=1500A。圖6所示為IGBT實(shí)物模塊。

1.3 脈沖寬度調(diào)制（PWM）

在牽引逆變器中，經(jīng)常使用的PWM方法被為空間矢量調(diào)制（SVM）。SVM利用逆變器中的IGBT開通和關(guān)閉，將直流電轉(zhuǎn)換成可調(diào)壓調(diào)頻的交流電，從而實(shí)現(xiàn)了有效的電機(jī)控制，并且相關(guān)的高開關(guān)頻率將電機(jī)紋波的損耗維持在很低的水平。IGBT的開關(guān)頻率反映PWM產(chǎn)生理想的電機(jī)電流的能力。頻率越高，電機(jī)電流中的紋波就越低，電機(jī)損耗就越少。

1.4 牽引逆變器保護(hù)機(jī)制

牽引逆變器中有兩個(gè)過壓斬波器，主要作用是防止?fàn)恳孀兤鬟^壓。當(dāng)直流電壓超過1950V時(shí)，過壓斬波器被激活，當(dāng)過壓保護(hù)激活時(shí)，電壓通過過壓斬波器進(jìn)行放電，當(dāng)電壓低于1850V時(shí)，過壓保護(hù)停止。

牽引逆變器中配有過電流保護(hù)。相間短路過程中，可能發(fā)生相過電流。保護(hù)基于U相和V相中的電流測(cè)量，保護(hù)功能在計(jì)算機(jī)硬件中進(jìn)行，以快速做出過過流響應(yīng)。

空轉(zhuǎn)和滑行保護(hù)，空轉(zhuǎn)和滑行控制能夠最大地利用粘著力?？刂剖褂盟袆?dòng)力軸的速度以檢測(cè)滑動(dòng)。發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩參考可以立刻降低。這種控制在牽引和制動(dòng)模式下均啟用。

無電區(qū)保護(hù)，利用列車的動(dòng)能，在過無電區(qū)的時(shí)候可以通過直流環(huán)節(jié)電容以維持電壓。當(dāng)檢測(cè)到無電區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)矩參考立即被輕微制動(dòng)代替。制動(dòng)模式，3相變流器能量反向，反饋到直流環(huán)節(jié)電容。當(dāng)檢測(cè)到電壓后，施加原先的轉(zhuǎn)矩。通過這種方式，變流器不需要過斷電區(qū)重新激活。

1.5 牽引逆變器傳感器

牽引逆變器內(nèi)置有三種類型的傳感器。

電流傳感器：有兩個(gè)電流傳感器，分別用于測(cè)量U相和V相的電流。W相電流通過計(jì)算得出。3相電流和為0;電壓傳感器：測(cè)量直流電容器的電壓;溫度傳感器：有兩個(gè)溫度傳感器，一個(gè)在散熱裝置中（散熱裝置溫度），另一個(gè)在門極驅(qū)動(dòng)單元安裝板上（內(nèi)部溫度）。溫度傳感器測(cè)量的溫度值發(fā)送驅(qū)動(dòng)控制單元。當(dāng)溫度值超過預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，會(huì)降低牽引逆變器的功率值，直到牽引逆變器停止工作。

1.6 冷卻方式

牽引逆變器的冷卻方式為風(fēng)冷。通過內(nèi)部風(fēng)扇和外部風(fēng)扇來冷卻。當(dāng)蓄電池給牽引逆變器供電時(shí)，內(nèi)部風(fēng)機(jī)就開始工作，內(nèi)部風(fēng)機(jī)流通變流器模塊內(nèi)部空氣，平均分布熱，因此，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)牽引逆變器激活開始運(yùn)行時(shí)，外部風(fēng)機(jī)開始工作。這樣通過內(nèi)部風(fēng)機(jī)和外部風(fēng)機(jī)的共同散熱，能夠有效的將牽引逆變器產(chǎn)生的熱量帶著，保證溫度不超過限定值。

2 ?總結(jié)

牽引逆變器是地鐵車輛結(jié)構(gòu)中很重要的組成部分，為車輛提供能量來源，與地鐵車輛的穩(wěn)定運(yùn)行存在很大關(guān)系。但同時(shí)，牽引逆變器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及廣泛的特點(diǎn)，因此這就要求相關(guān)人員具備豐富的知識(shí)，熟練的操作。新譽(yù)龐巴迪產(chǎn)的牽引逆變器在烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線工程投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定有序，增強(qiáng)了車輛的安全性和可靠性，為人們的出行提供了重要保障。

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