城市軌道交通交流傳動逆變器系統國產化方案

摘　要　比較了交流傳動系統和直流傳動系統的性能,分析了我國城市軌道交通的現狀與發展趨勢,結合北京地鐵復八線建設提出了城市軌道交通交流傳動逆變器系統的國產化方案. 關鍵詞　軌道交通　交流傳動　逆變器　調壓調頻分類號　
1 　交流傳動系統與直流傳動系統的比較
隨著電力電子器件、控制理論和計算技術的發展,交流傳動已經逐步在取代直流傳動,并顯示了其在性能價格比和運行性能上的優勢. 自1970 年BBC 公司開發的第一臺交流傳動內燃機車DE2500 問世以來,到目前已有數千臺交流傳動機車和電動車組投入運營. 交流傳動機車的粘著系數比直流傳動機車高約10 % , 且交流傳動機車的電機型式一般采用結構簡單、可靠性好、壽命長,幾乎免維護的鼠籠式異步電機。交流傳動機車與直流傳動機車的性能比較如表1 所示[ 1 ].
交流傳動機車較直流傳動有相當大的優越性,目前,歐洲和日本等工業化國家鐵路工業部門,已基本停止了直流傳動電力機車的生產[2 ]. 與斬波器─ 直流電機斬波調壓電氣傳動系統相比,調壓調頻(VVVF) 逆變器─ 交流電機的系統主電路變得十分簡單. 主要由高速斷路器、

表1 　交流傳動機車與直流傳動機車的性能比較

少了電阻發熱的危害. 現在,以斬波器為核心的直流傳動電動車組也逐步讓位于以VVVF 為核心的交流傳動電動車組,如日本的東京、韓國的漢城、德國的漢堡和法蘭克福、美國的波特蘭[3 ] 等.
2 　我國城市軌道交通傳動系統的現狀和發展趨勢
　　國內城市軌道交通(除香港外) 發展比較緩慢,除了地鐵以外,幾乎沒有城區和近郊的地面軌道交通. 而地鐵交通,目前也只有北京、天津、上海和廣州等城市開通運營.
2. 1 　供電制式
以北京和天津為代表的北方地區采用DC 750 V 供電電壓制式,允許電壓波動范圍為DC 500 V～DC 900V , 第三軌受流;以上海和廣州為代表的南方地區采用DC 1 500 V 供電電壓制式,允許電壓波動范圍為DC 1 000 V～DC 1 800 V , 架空接觸網受電弓受流.
上述兩種供電電壓制式都是國際電工委員會推薦的,都能滿足城市軌道交通供電的要求. 但是,從減少城市軌道交通牽引供電系統的電能損失和電壓降,延長供電距離以降低牽引變電站的數量及投資,以及從降低受流接觸網的懸掛重量、降低結構復雜性及投資而言,采用DC 1 500 V 的牽引供電電壓制式比采用DC 750 V 的牽引供電電壓制式顯然要經濟得多. 高耐壓電力電子變流器件的不斷發展,如4 500 V 的GTO 、3 300 V 的IGBT 等,為采用DC 1 500 V 供電的城市軌道交通牽引傳動系統提供了可靠的技術保障. 因此,今后我國的城市軌道交通牽引傳動系統的供電電壓制式的發展趨勢應該是逐步采用統一的DC 1 500 V.
2. 2 　牽引傳動系統
北京的地鐵列車采用國產電動車組,牽引控制裝置為凸輪調阻和斬波調阻方式,牽引電機為直流電機. 正在新建的復八線(復興門─ 八王墳) 線長16. 7 km , 預計1999 年10 月1 日通車,牽引控制裝置采用GTO 元件的VVVF 逆變器,牽引電機為鼠籠式交流電機,主機由日本東洋電機公司制造.
天津的地鐵列車采用國產電動車組,牽引控制裝置為凸輪調阻器方式,牽引電機為直流電機. 上海的地鐵列車采用德國進口的電動車組,牽引控制裝置為調壓斬波器,牽引電機為直流電機. 正在新建的新線,也將采用VVVF 逆變器的交流傳動裝置. 廣州地鐵列車于1997 年6 月投入試運行,全部采用進口電動車組,牽引控制裝置為GTO 元件的直交VVVF 逆變器,牽引電機為鼠籠式交流電機.
由上可見,我國今后城市軌道交通的牽引傳動系統的發展會普遍采用VVVF 逆變器和鼠籠式異步電機的交流傳動系統.
3 　基于北京地鐵的交流傳動系統逆變器國產化方案
國產化交流傳動系統采用由電壓源VVVF 逆變器控制三相交流牽引電機的方式. 該系統主要包括如下設備:主控制器、VVVF 逆變器系統(包括逆變器主電路和控制器) 、高速斷路器箱、L2C 濾波器、鼠籠式異步牽引電機、主隔離開關和主熔斷器、母線隔離開關和高速熔斷器、接地開關箱和接地裝置[4 ] 等. 以上這些設備除了VVVF 逆變器外,其它設備國產化比較容易實現,而且不少設備已經在北京地鐵列車上使用. 這里著重討論VVVF 逆變器的國產化方案.
3. 1 　VVVF 逆變器結構型式
筆者建議交流傳動系統VVVF 逆變器的開關器件選用已商品化的大功率快速開關器件IGBT 模塊(若市場有供貨,也可選用集成了驅動和保護電路的IGBT 模塊,即IPM 模塊). 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. 本方案之所以選用IGBT , 而不選用GTO , 是因為IGBT 與GTO 相比有如下優點[5 ] : ① 開關頻率較高,提高逆變器輸出波形質量,使得噪聲水平和電機損耗較低,IGBT 的開關頻率為1 kHz 時,電磁噪聲能下降3～4 dB ; ② 門控簡單,觸發能耗較低,只有GTO 的1/ 20 ; ③ 吸收電路非常簡單,其能耗只有GTO 吸收電路的1/ 60 ; ④ 保護系統簡化,且短路時可自關斷保護; ⑤ 可靠性較高,備品可減少到原GTO 備品的1/ 10 ; ⑥ 相同容量裝置的重量和尺寸大大減少.
當然,無論選用IGBT , 還是選用GTO , 這種大容量的開關元器件國內廠家都不能生產,均需要從國外公司進口. 采用IGBT 后,由于元器件成本下降,逆變器系統要簡化得多,故國產化更易實現.
我國城市軌道交通的供電電壓是直流750 V(允許500～900 V 變化) 和直流1 500 V(允許1 000 V～1 800 V 變化),故VVVF 逆變器主電路結構選用電壓型二電平三相逆變器結構即可. 對于直流750 V 供電的交流傳動VVVF 逆變器,IGBT 器件耐壓可選1 700 V 或2 500 V ; 對于直流1 500 V 供電的交流傳動VVVF 逆變器,IGBT 器件耐壓可選3 300 V.
3. 2 　控制方案
城市軌道交通牽引列車中,交流傳動系統常見的逆變器─ 電機控制方案有兩種:第一種是1 臺逆變器控制4 臺電機;第二種是1 臺逆變器控制2 臺電機. 針對北京復八線地鐵列車來說,1 臺電機的額定容量為180 kW , 故第一種方案逆變器容量需要1 000 kVA 左右,第二種方案逆變器容量需要500 kVA 左右即可. 筆者建議采用第二種控制方案,即1 臺逆變器控制2 臺電機的方案. 理由如下: ① 城市軌道交通車輛一般都是四軸車,第二種方案是1 臺逆變器控制一個轉向架的2 臺電機,與第一種方案1 臺逆變器控制兩個轉向架上4 臺電機相比,第二種方案能更充分利用輪軌之間的粘著系數,更有利于列車牽引力的發揮; ② 采用第二種方案,每臺逆變器需要從散熱器上移走的熱量減少一半,這使得散熱的處理更加容易; ③ 對于現行的三動三拖六輛編組的列車來說,如果列車上1 臺逆變器發生故障,被切除運行,那么對于第一種方案列車的牽引動力將損失1/ 3 , 而對于第二種方案列車的牽引動力只損失1/ 6. 由此可見, 采用第二種方案列車故障時的運行能力優于第一種方案; ④ 現有的IGBT 器件電流水平是1 200 A , 采用第一種方案至少需要4 只IGBT 并聯,采用第二種方案只需兩只IGBT 并聯. IG2 B T 兩只并聯均流比4 只并聯均流更容易些.
3. 3 　VVVF 逆變器控制模式
北京地鐵列車的最高運行速度是80 km/ h , 平均速度為35～40 km/ h. 其速度控制由逆變器來實現. 牽引電機的轉速、直流側電壓、逆變器三相輸出電壓等檢測信號送入逆變器的控制電路中,由逆變器控制器按照運行指令和電機牽引特性的要求計算出電壓和頻率指令,并轉化為PWM 開關信號來控制逆變器的開關器件,從而實現電機(電動車組) 的速度控制. 對于軌道交通牽引來說,逆變器─ 電機系統應該滿足下列要求[ 6～8 ] :平穩典型起動、抑制滑行和空轉、再生制動、調速范圍寬. 為此,電動車組從起動到停車的調速控制模式如下:
(1) 恒轉矩牽引控制階段. 該階段轉差頻率(f s) 一定、電壓/ 頻率( V/ f) 一定, 逆變器輸出頻率按速度要求逐漸增大, 對逆變器輸出電壓實行PWM 控制, 可以保持牽引力恒定, 電機電流基本不變. 該階段對電機零速到基速之間調速適用.
(2) 恒功率牽引控制階段. 逆變器輸出電壓達到最大值后保持不變, 使電機的轉差頻率隨逆變器頻率增加, 維持電機電流不變, 從而得到恒功率控制. 該階段電機牽引力隨逆變器輸出頻率的上升成反比減少, 相當于直流電機的弱磁控制. 該階段從電機基速一直持續到轉差頻率達到所給定的最大值.
(3) 自然特性牽引控制階段. 這一階段逆變器輸出電壓保持最大值不變, 轉差頻率也保持最大值不變, 逆變器輸出頻率隨速度要求逐漸增大, 電機電流與頻率成反比逐漸減少, 直到最高運行速度. 該階段電機牽引力與逆變器頻率的平方成反比減少, 相當于串激直流電機在最弱磁場下的自然特性.
(4) 再生制動自然特性控制階段. 這一階段與控制模式( 3) 的階段相同, 只是速度變化由高到低. 電機電流隨逆變器輸出頻率的減少成反比增大, 本應持續到下一個階段, 但由于逆變器容量的限制, 決定了電機電流的上限, 當電機電流達到最大值后將實行恒流控制. 這時制動力矩隨逆變器頻率的降低成反比例增加, 相當于直流復勵電機的電流限制區.
(5) 再生制動恒轉矩控制階段一. 逆變器電壓仍保持最大值, 控制時使轉差頻率的絕對值與逆變器頻率的平方成正比, 逆變器頻率隨著電機的速度逐漸下降. 該階段電機電流基本上與逆變器頻率成反比減少, 使得制動力矩保持恒定.
(6) 再生制動恒轉矩控制階段二. 這一階段與控制模式( 1) 的階段相同, 只是速度變化由高到低. 再生制動恒轉矩控制可以持續到速度降到5 km/ h , 然后切除電制動, 轉換到空氣制動, 直到停車.

3. 4 　VVVF 逆變器系統主要技術指標
(1) 供電輸入電壓　額定電壓為DC 750 V ; 變化范圍為DC 500 V～DC 900 V ; 再生制動時為直流側電壓不高于1 000 V.
(2) 額定容量　2 ×500 kVA ; 最大輸出容量為2 ×600 kVA (牽引時).

(3) 元器件規格　開關器件IGB T ─1 700 V/1 200 A , 內含續流二極管.
(4) 控制組合　1 臺逆變器控制2 臺180 kW 的鼠籠式電機.
(5) 逆變器控制器　采用16 位單片機與數字信號處理器(DSP) 相結合,DSP 實現高速運算,16 位單片機完成PWM 脈沖,達到對逆變器的高速高精度的控制.
(6) 輸出電壓　幅值為0～550 V 三相交流,頻率為1～150 Hz , 三相不平衡度為基波電壓不超過5 %. (7) 效率　額定工況不低于95 %.
(8) 冷卻方式　熱管交換熱能,走行風自然冷卻.

3. 5 　牽引電機主要電參數與性能
型式為三相4 極鼠籠式異步電機, 輸出功率為180 kW(小時制), 額定電壓為550 V , 額定電流為240 A , 額定頻率為77 Hz , 額定效率> 92 % , 額定功率因數> 0. 85 , 耐壓強度:在高溫條件下加壓AC 3 700 V(50 Hz)1 min , 無閃絡.
3. 6 　VVVF 逆變器系統保護功能
VVVF 逆變器內設監控裝置用于故障分析和維修. 逆變器系統具有各項保護功能,其中輕微故障引起的保護動作在系統恢復正常后或主控制器操作回零后自動復位.
(1) 控制電路欠電壓保護　控制電路的110 V 電源電壓低于72 V 時封鎖IGB T 脈沖,并切斷主電路電壓;電壓高于77 V 時恢復正常.
(2) 主電路欠電壓保護　電壓低于450 V , 持續0. 2 s , 切斷主電路,封鎖IGB T 脈沖;電壓低于325 V , 切斷主電路,封鎖IGB T 脈沖;電壓高于500 V 時恢復正常.
(3) 主電路過電壓保護　電壓高于1 050 V , 持續1 s , 切斷主電路,封鎖IGB T 脈沖,開放放電電阻;電壓高于1 100 V , 切斷主電路;電壓高于900 V 時恢復正常.
(4) 輸出過電流保護　當逆變器輸出電流超過設定值后封鎖IGB T 脈沖;過流消失0. 5 s 后,恢復正常. 若釋放脈沖后仍過流,則再次封鎖IGB T 脈沖,并切斷主電路.
(5) 輸出缺相保護　三相檢測電流整流后,電流波動大于設定值,則封鎖IGB T 脈沖,切斷主電路.
(6) 輪對空轉或滑行保護　減少電機輸出電流,依照預定曲線實行再粘著控制.
(7) 散熱器過熱保護　散熱器溫度超過80 ℃ 時,封鎖IGB T 脈沖,切斷主電路.
(8) IGB T 短路保護　一旦IGB T 短路,依照短路保護程序,封鎖IGB T 脈沖,不可恢復.
(9) 電流傳感器故障保護　三相電流之和的絕對值大于設定值時,封鎖IGB T 脈沖,切斷主電路.

4 　輔助電源系統
輔助電源是給客室照明、客室通風機、司機室空調機、蓄電池組浮充電電源及系統控制設備供電的電源,其容量為40 kW.
該輔助電源由IGB T 升降壓DC/ DC 變換器(即斬波器) 把直流500～900 V 的電網電壓變為直流750 V 的穩定電壓,再由IGB T 靜止逆變器把直流750 V 的電壓逆變為380 V 、50 Hz 的交流電壓,再由工頻變壓器變壓并整流以得到所需的電壓. 由于采用IGB T 作為開關器件, 故在DC/ DC 變換器結構上毋需二重化,交流輸出端也不需交流濾波器.
(1) 輸出電壓及容量　三相交流負載為電壓380 ×(1 ±0105) ,頻率(50 ±1) Hz ,24 kW ; 直流負載一為電壓110 ×(1 ±0101) ,15 kW ; 直流負載二為電壓24 ×(1 ±0101) 1
(2) 逆變器效率　> 90 %1

(3) 逆變器過載能力　150 % 過載,10 s 后自動停機; 200 % 過載,立即停機1
(4) 使用溫度　-20 ℃～ + 40 ℃1
(5) 保護功能　靜止逆變器與VVVF 逆變器相同. DC/ DC 變換器輸出電壓大于800 V 時,停機保護.

5 　交流傳動系統逆變器國產化的可能性
對于城市軌道交通列車所需的交流傳動VVVF 逆變器、輔助電源的DC/ DC 變換器(即斬波器) 和靜止逆變器的研制與產品化,從目前的技術水平看,我國完全能夠自力更生來實現. 我國鐵路系統于1996 年研制成功了AC 4000 型交流傳動電力機車原型車. 目前正在開展200 km/ h 交流傳動高速動車組研制.
筆者提出了基于北京地鐵的軌道交通交流傳動逆變器系統的國產化方案,認為采用1 700 V 電壓等級的IGB T 構成二電平VVVF 逆變器用于直流750 V 供電的交流傳動系統是合適的,也是可行的. 對于輔助電源,我國已有在8 K 電力機車上成功應用的經驗,可供軌道交通列車輔助電源設計的參考.

參考文獻
1 　柏華. 基于雙微機結構的異步牽引電機直接力矩控制系統的研制: [ 學位論文] . 北京:鐵道科學研究院機車車輛研究所, 1998.

2 　鐵道科學研究院機車車輛研究所. 城市軌道交通列車國產化論證報告. 北京:鐵道科學研究院機車車輛研究所,1998.

3 　西門子交通技術部. 牽引變流器發展戰略. 1997.

4 　奧地利政府交通部. 鐵路機車和動車用的牽引變流器. 中—奧鐵路技術研討會上的報告,1996.

5 　三菱電機株式會社. 交流電機傳動控制技術交流會資料. 1996.

6 　鄭樹選主編. 8 K 型電力機車. 北京:中國鐵道出版社,1994.

7 　連級三主編. 電力牽引控制系統. 北京:中國鐵道出版社,1994.

8 　鮑斯. 電力電子學與交流傳動. 朱仁初等譯1 西安:西安交通大學出版社,1990.