DC-01型地鐵車輛改交流驅動前后牽引系統的區別

張九高

(上海申通地鐵運營有限公司維保中心,200031,上海∥電氣技師)

上海軌道交通1號線自1992年開通至今,投入運營的列車由最初的16列增加到55列。這55列車是不同時期分別購置的,且車型也各不相同。其中,1～16號是最早購置的西門子直流電動列車,17～29號是后期與2號線同期購置的西門子交流驅動列車,30～39號是龐巴迪交流驅動列車,40～55號是阿爾斯通交流驅動列車。

20世紀80年代,電力電子技術和計算機技術的迅猛發展,特別是采用了大功率的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和微機模塊化控制后,使交流電機調頻調壓(VVVF)控制得以實現,這就為具有結構簡單、牢固、體積小、質量輕、少維修等一系列優點的三相異步電動機在軌道交通車輛上的發展,拓展了廣闊的應用前景。交流電動機取代結構復雜、檢修工作量大的直流電動機,是技術發展的必然趨勢。

1號線由最初的路線短、客流少,到現在的南延伸至莘莊,北延伸到富錦路,客流猛增。這些客觀因素導致列車過量損耗,故障率居高不下,提前進入報廢期。為了使直流車型的地鐵列車更好地為乘客服務,上海申通集團地鐵公司聯合中國南車集團株洲西門子電力機車有限公司,在直流車車體不變的基礎上,共同合作改造,使列車內部設備國產化,把故障率較高的直流牽引系統改造成結構簡單、模塊化設計、維修率低的交流牽引系統。

1 改造前后牽引回路的構成

1.1 改造前直流主回路構成

上海軌道交通1號線DC-01型車輛(直-直)主回路是由架空線網通過裝在“B”車上的受電弓Q1(見圖1)而得到DC 1 500 V電源正極,由輪對通過鋼軌回到電源負極。它的構成主要有兩部分:①線路濾波;②主回路部分。

1.1.1 線路濾波

線路濾波主要由線路電抗器L1和線路電容器C1組成(見圖1)。其中,Q3為高速開關,F1為避雷器,K15是線路接觸器,F2為電容充電保險絲,R1為電容充電限流電阻,V1為隔離二極管,K16為電容接觸器,R1為過電壓保護電阻,U1為電流差動傳感器,U2為電壓傳感器,K17為放電接觸器,R2為放電電阻,Q4～Q7為接地裝置和接地碳刷。線路濾波的作用是減少外界因素和觸網電壓波動突跳等對主回路的影響,使主回路得到一個平穩的電源電壓,同時也是為了減少電壓、電流波動對周圍通信、信號等設施的干擾。

1.1.2 主回路部分

主回路部分主要是由二串二并四個直流牽引電機M1～M4組成(見圖 1)。其中 K 1～K 8是方向接觸器,K9、K10是牽引接觸器,K11是制動接觸器,K12是預勵磁接觸器,K 13、K14是磁場削弱接觸器,A 2是預勵磁裝置,R4和R6是磁場削弱電阻,R7和R8是制動串聯降壓電阻,R9是主制動電阻,U3和U 4是電流傳感器,L3為平波電抗器。它的作用是建立牽引工況、制動電路工況和設定電機的轉動方向。

圖1 DC-01型地鐵車輛主回路電器配置圖

1.2 改造后交流主回路構成

改造后交流主回路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經受電弓接觸受流輸入的1 500 V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電,向異步電動機供電。交流主回路主要由高壓電器箱、電抗器箱、制動電阻箱和牽引逆變器箱等組成。

1.2.1 高壓電器箱

高壓電器箱是主電路的構成部分,主要由隔離開關、電流傳感器、熔斷器和接觸器,以及浪涌吸收器、RV續流回路、快速放電回路等器件組成。

高壓電器箱接受來自高速開關(HSCB)的DC 1 500 V高壓電源。電流傳感器LH1用以檢測主回路直流側電流。浪涌吸收器FS并聯在主回路直流側用以吸收并穩定電壓。KM1、KM 2、R2組成預充電回路,保證主電路接通時充電電流不至于太大。R1、V 1回路用于釋放電路瞬間的反電勢。KM3、R3組成的放電回路在斷電狀態5 min內將主電容的電壓降至＜50 V。

1.2.2 電抗器箱

TXL40型線路電抗器是上海軌道交通1號線車輛改造項目主電路的構成部分,它連接高壓箱與牽引箱,用來限制直流側的電壓、電流波動,濾除高次諧波。產品的技術參數如下:額定電流為DC 520 A;額定電壓為 DC 1 500 V;電感值為 5 MH;冷卻方式為走形風冷卻。

1.2.3 制動電阻箱

列車電制動時,牽引逆變器將列車動能轉變為電能。如果電源網有能力吸收這些電能,則電能被回饋至電網;如果電網無法吸收,電能會被制動電阻吸收并轉化為熱能消耗掉。

1.2.4 牽引逆變器箱

牽引逆變器是整個交流傳動系統的重要組成部分(見圖2),由2個逆變模塊單元組成。2個逆變器模塊驅動4臺牽引電動機,電阻制動斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。

采用株洲西門子電力機車有限公司研制的TGN39型牽引逆變器,它由兩個逆變器單元集成在一個逆變器柜中,采用了兩個通用的IBBM60G型IGBT變流器模塊。單個模塊的輸出容量可達600 kVA。兩套控制器傳動控制單元(DCU)合成于一個型號為60R-6U的控制箱中,便于控制和通信。

圖2 改造后牽引箱內部逆變器圖

2 改造前后不同的牽引控制方式

2.1 改造前直流驅動方式的牽引控制

2.1.1 直流驅動方式的斬波原理

斬波器(見圖3)作為電動車輛的調速控制系統,接在恒定電流電源和主電路之間。可以把斬波器簡化成一個開關,通過接通和關斷電路,并控制通和斷的時間,使主電路得到一個可調的平均電壓。

圖3 斬波器簡化圖

通常的直流斬波器采用可控硅,其關斷時換流比較復雜,需要一套由電容、電感、可控硅等組成的附加裝置對可控硅進行強迫關斷,稱之為換流電路。而上海軌道交通車輛直流斬波器使用較先進的可關斷晶閘管(GTO),不需要換流電路。一個正向脈沖導通GTO,一個反向脈沖關斷GTO,從而使斬波器電路的組件數目減少,線路簡化,外形尺寸減小,質量減輕。

2.1.2 斬波器高壓組成部分

1號線斬波器電路(見圖1)主要以主晶閘管V 1和V2的導通和關斷為目的。它主要由主晶閘管V1和V 2,大功率可關斷晶閘管GTO,電阻制動晶閘管V 3、V 4,續流晶閘管 V 5,短路晶閘管V 10,短接串聯降壓電阻晶閘管V7、V8,接通串聯降壓電阻二極管V 9等組成。

2.2 改造后交流驅動牽引逆變器箱內的VVVF控制方式

2.2.1 VVVF控制方式的原理

VVVF是變壓-變頻(Variable Voltage and Variable Frequency)的縮寫,對于變頻變壓的交流異步電機,其旋轉磁場的轉速為:

式中:

f——電流的頻率;

P——旋轉磁場的磁極對數。

因此,轉速調節可通過改變磁極對數P或調節電流頻率f得以實現。

在變頻調速中,由于需要調節電流頻率,所以必須考慮定子繞組的反電動勢對定子電流及磁通的影響。定子繞組反電動勢有效值可以表示為:

式中:

k——比例常數;

f——定子電流的頻率;

N——每相定子繞組的匝數;

φ——主磁通的振幅。

當f下降時,E也下降,則電源電壓U與E之間的差增大,定子電流變大。在交流電機中,定子電流由兩部分組成,小部分用于建立主磁場,大部分則提供給轉子側。由于轉子側的負載并未增加,所以勵磁電流必增大,因而磁通φ增大。而φ增大,又使E增大,達到新的平衡。如果φ不斷增加,會導致鐵心的飽和,進而引起勵磁電流波形的畸變。

如果能保證E/f=常數,則φ可保持不變。由于電源電壓U和E近似相等,則在變頻中使U/f=常數,即可保持φ不變。即在調速中同時調整電壓及頻率。

在三相逆變器中IGBT逐相導通,在輸出端形成三相電壓系統,將中間連接電壓供給牽引電機。逆變器輸出的頻率及電壓幅值是可以調整的。相電壓的最大幅值取決于中間電路電壓。輸出電壓的幅值可以通過改變IGBT開通的寬度來調整。輸出電壓波形的頻率與逆變器的輸出頻率一致。一個逆變單元由6個開關型半導體元件組成,在改造后的逆變器系統中采用IGBT。每個IGBT兩端并聯一個續流二極管,用來維持電機電流的流動。對于交流電機的三個相,每2個IGBT和2個二極管組成逆變器相。每一逆變相都連接著直流連接電路的正、負極,中間的引出端連接電機的一相。將IGBT看做一個能高頻工作的開關,可畫出逆變電路的等效圖(見圖4),并分析R、S兩端的電壓變化情況。

圖4 R、S線電壓及相電壓

在每一逆變相中,兩個IGBT(開關)由牽引控制單元控制循環觸發,將相應電機輸入端與直流連接電路正、負極相連。管子的工作周期為360°,導通與截止周期分別為180°。在同一橋臂上的兩個IGBT不可能同時導通。當IGBT導通后,電機輸入端上的電壓應等于直流連接電路的電壓U d或為0。圖5反映了電機R、S兩端的線電壓以及二相相減后得到的相電壓U 1-2。

U 1-2=U R-S=U R-U S。由圖 5可以看出,兩個正電壓之間和兩個負電壓之間的相位差為120°,中間有60°是沒有電壓的。

同理,可以計算出其他二相的電壓:

一個對稱的三相系統不同相位之間的相位差為120°。相位的方向是建立在電機電壓相位次序上(順時針或逆時針),這也決定了電機轉動的方向。

圖5 R、S線電壓及相電壓

2.2.2 牽引逆變器的高壓回路

TGN39型牽引逆變器箱內的中間回路用于穩定中間回路電壓。把無功功率供應給感應電動機吸收交流分量是線路濾波器的一部分(和線路電抗器一起)。逆變器由二組三相模塊組成(見圖2)。每個逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂及制動相橋臂,驅動2臺異步牽引電動機。模塊還包括了熱管散熱器、溫度傳感器、門控單元、門控電源、脈沖分配、支持電容器等,在一定程度上達到了模塊化和標準化。模塊上IGBT元件之間及與支持電容的連接使用了低感母排,減少了線路上的雜感電感,省掉了吸收電路,使電路更為簡單、可靠。模塊上散熱器采用了熱管散熱技術,靠走行風自然冷卻,使系統更簡潔,且無環境污染。

2.2.3 牽引逆變器傳動控制單元

傳動控制單元(DCU)采用異步電動機直接轉矩控制、粘著控制軟件和交流傳動模塊化設計硬件,主要完成對IGBT逆變器交流異步牽引電機的實時控制、粘著控制、制動斬波控制,同時具備完整的牽引變流系統故障保護功能、模塊級的故障自診斷和一定程度的故障自復位功能。株洲西門子電力機車有限公司自主研發的DCU模塊化硬件,采用標準的6U機箱式結構,模塊化插件插裝在機箱內(見圖6)。

圖6 DCU布局接口圖

設備得電時,DCU會執行一次自檢,檢查高壓電器箱中的KM 1、KM2接觸器是否能正常吸合與斷開,并判斷牽引回路是否能達到牽引條件。DCU接收到司機室發出的向前或向后方向控制指令后,斷開放電接觸器,閉合主電路充電接觸器,當支撐電容電壓在一定的時間(約4 s)內上升到一定值(約為網壓的95%)后,閉合線路接觸器,充電完成,形成牽引回路。DCU根據本車載荷信號發出觸發脈沖,控制牽引逆變器根據牽引及電制動特性輸出一定頻率和電壓的三相交流電給牽引電機,產生列車的輪緣牽引力(電制動力),同時檢測電機的轉速信號,對列車進行防空轉及防滑控制。當列車運行時,DCU監測主電路及逆變器的各種狀態及故障信息,對主電路及逆變器實施完善的安全保護措施。DCU主要實現的保護項目有:網壓過高、過低,支撐電容直流過壓、欠壓,直流側總電流過流,主電路接地(差動電流保護),IGBT模塊故障等。

DCU模塊化插件的功能如下:

(1)開關電源板,主要提供+5 V、+15 V、-15 V、+24 V、-24 V電源,為機箱內各插件、風扇冷卻裝置、電流電壓傳感器、速度傳感器等提供直流電源。

(2)數字入出板,包含16路110 V數字輸入(110 V/5 V)、8路110 V 輸出(5 V/110 V)。110 V輸出采用繼電器輸出電路。

(3)通信接口板,主要完成DCU與列車通訊網MVB總線的數據通信及與單板機的數據通信。

(4)電機控制板(MCC),是一塊微機板,采用三個數字信號處理器(DSP)來進行實時計算,主要實現異步電動機的直接力矩控制、速度的處理、電機溫度的計算及過壓斬波的處理。

(5)電機信號板,是電機側控制的一塊外圍板,它對4臺電機的4路速度信號進行濾波處理、二選一、方向判斷;具有逆變器的過流保護、中間直流電壓過壓保護、斬波過流保護;對逆變器輸出電流、電壓信號進行濾波、整流、放大等以形成有效值。

(6)模擬輸入,其采樣的信號有電機1溫度、電機2溫度、電機 3溫度、電機 4溫度、網壓、直流電壓、直流電流、載荷信號等。

(7)脈沖轉換,它對電機控制板發出的逆變器型號、斬波信號進行脈沖轉換,即將+5 V幅值的脈寬調制(PWM)信號轉換成+24 V幅值的信號送至逆變器機組;同時,它接收元件故障狀態信號反饋,并進行+24 V到+5 V的信號幅值轉換,送電機信號板匯總并用于故障保護。

(8)解調器,將輸入的司機指令(PWM信號)轉換成0～10 V的模擬信號,送至MCC采集。

3 改造前和改造后的電機區別

3.1 改造前直流牽引電動機的主要參數

型號:CUS5668H;功率:207 kW;

額定電壓:1 500/2 V;

額定電流:305 A;

額定轉速:1 470 r/min(相當于車速35.5 km/h);

最大轉速:3 140 r/min(相當于車速80 km/h);勵磁方式:串勵;

磁場削弱系數:93%和50%;傳動比:5.95。

3.2 改造后交流異步牽引電動機的主要參數

型號:JD118A;

功率:190 k W;

定子頻率:60.87 Hz;

電壓(基波):1 050 V;

電流(基波):131 A;

轉矩:1 008 Nm;

轉速:1 800 r/min;

效率:0.927;

功率因數:0.867;

級數:4;

最大轉速:3 280 r/min;

傳動比:5.95。

4 結語

改造前和改造后的列車最大的區別就是在設計理念上有了很大的進步。直流換向的諸多接觸器被全部摒棄,變成了現在的軟件控制,這就減少了由于接觸器的問題而導致的故障,也減少了維護接觸器的工作量;斬波器中的分立元件被逆變器模塊化元件取代,直流牽引電機改為交流異步牽引電機,使故障率和維護的工作量進一步下降。

上海軌道交通直流列車改交流列車的試點已經在102#車上完成。經過一年多的運營,該列車車況良好,故障率明顯下降。目前,直流列車的改造與“6改8”項目正在一并進行。到時我們看到的將是殼體沒有變化但內部器件嶄新且國產化的8節編組列車。

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