100%低地板車牽引及輔助變流系統

刁利軍 劉志剛

(北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

1 低地板車概述

低地板車以其獨特的結構，在人性化、環境匹配、建設周期與成本、噪聲等方面形成突出的優勢［1-3］，在世界各國得到了越來越廣泛的認同和應用。目前，世界上使用較多的低地板車主要根據車內乘客空間地板面的低地板率來進行區分:使用較廣泛的地板面高度是入口320 mm、客室350 mm，而根據列車兩頭動力轉向架上乘客空間的高度是否降低分為70%和100%兩種，如圖1所示。為了實現100%低地板，必須將動力轉向架乘客空間的高度降低，采用獨立輪轉向架，取消傳統輪對的橫向耦合軸。在國家“十一五”科技支撐重點項目“100%低地板車研制”支持下，北車長春客車股份有限公司、北京交通大學等單位合作，成功開發研制出我國首列具有完全自主知識產權的100%低地板輕軌車［4-5］。列車的動力轉向架上配置2臺雙端輸出的縱向布置電機，驅動同側前后車輪。這既可使左右車輪之間的乘客空間設成低地板，還由于驅動裝置的可接近性好，所有檢修工作不必在地溝中進行，使拆卸和維修更方便。

圖1 70%及100%低地板車的動力轉向架結構

本文主要介紹北京交通大學負責研制的100%低地板車牽引及輔助變流系統［6］。該系統具有模塊化、輕量化、電磁兼容性好、人機接口良好、控制及診斷功能完善等特點，并安裝在實際列車上，已經完成了實際線路的運行試驗。下面將從系統組成及設計、控制功能、系統監控及故障診斷等方面進行論述。

2 整車變流系統組成

如圖2所示，整車變流系統通過受電弓從接觸網獲取750 V DC電源，負極連接到車輪，通過軌道回流，車頂通過一個避雷器進行浪涌吸收保護，然后經過快速熔斷器給2套完全相同的變流系統TSYS1和TSYS2供電，每個變流系統包括1套牽引變流器TCU、1套輔助變流器ACU。牽引變流器主要用于將直流電轉換成可變頻變壓的交流電，對牽引電機進行控制;輔助變流器主要用于給列車380 V/220 V AC負載和24 V DC負載供電。

每套變流系統的組成如圖2中的下半部分所示。牽引系統共用1套網側預充電電路和濾波器，由2個IGBT逆變器組成，均采用兩電平的電壓型逆變器，每個逆變器獨立驅動1個牽引電機，并自帶制動斬波電源。輔助系統包括1個35 kV·A的輔助逆變器SIV和8 kW的充電機BCC，共用網側預充電電路和濾波器，分別通過全橋DC/DC進行電壓幅值變換，然后通過高頻變壓器隔離，得到需要的輸出直流電壓。SIV還需要一套帶中性線輸出的電壓型逆變器，以逆變得到所需的交流電壓。

圖2 整車變流系統

3 牽引變流系統

3.1 系統描述

牽引變流器采用變壓變頻的VVVF控制模式，根據需要的速度和轉矩控制電機電流，電機的旋轉方向(即列車的前進方向)依賴于三相逆變器輸出的觸發脈沖時序。牽引變流器的標稱功率為300 kV·A，最大功率可達750 kV·A，用于驅動兩個額定功率為110 kW的牽引電機。在制動模式下，牽引電機工作在發電模式，變流器成為一個整流器;兩個斬波單元根據制動的能量進行控制，通過制動電阻熱消耗的方式，吸收掉多余的制動能量，每個制動電阻的最大瞬時功率可達275 kW。

為滿足100%低地板車牽引傳動的要求，研制了整車共2套牽引變流系統及其控制系統，如圖3所示。系統采用模塊化設計，以求實現設計、安裝、維修維護的最優。為了達到這一目的，采用CAD計算機輔助軟件進行變流系統立體結構的設計和分析，以獲得與實際系統相匹配的結構;同時，在系統電磁兼容、布局布線等方面，實現了總體的模塊化和優化設計，使系統完全適用于具有緊湊的車頂空間、惡劣的工作環境等特點的低地板車。

3.2 控制系統及其功能

圖3 牽引變流器實物

圖4 牽引變流系統功能

牽引變流系統的控制功能包括牽引電機驅動、車輛控制、網絡監控等，如圖4所示。牽引變流系統接收司控臺的給定指令，通過先進的矢量控制技術，將750 V直流電壓變換成電壓幅值及頻率可變的交流電壓來控制牽引電機，實現列車的牽引/制動功能。通過CANOpen網絡與列車控制單元VCU配合，同時通過硬線的直接輸出，實現對列車的邏輯控制，包括防滑控制、制動配合等。通過以太網絡與電腦的通信，可實現對變流系統的直接監控、故障數據下載和診斷以及現場調試的功能，具有友好的人機接口。具體來看，牽引系統具有下述功能:

1)逆變器控制功能，包括電機牽引/制動控制、系統保護、充放電控制、系統自檢測等功能。

2)限速功能，出庫模式限速8 km/h、洗車模式限速3 km/h、故障限速30 km/h、反向運行限速10 km/h。

3)數據處理功能，包括加/減速度計算，電機、拖車速度計算，載荷計算，輪徑計算。

4)電量計算功能，包括制動電阻溫升計算，功率、能量計算，故障信息存儲。

5)通信功能，包括以太網通信、CANOpen通信。

6)保護功能，包括過/欠壓保護、輸入/輸出過流保護、負載短路保護、超溫保護等。

4 輔助變流系統

4.1 系統描述

輔助變流系統原理如圖5所示。SIV和BCC原邊均采用全橋DC-DC變換，通過高頻隔離變壓器得到需要的直流電壓。相比傳統的工頻隔離方式，采用高頻隔離變壓方式的最大優勢在于能夠得到更高的功率密度。

圖5 輔助變流系統原理

充電機BCC采用原邊全橋逆變副邊全波整流的DC-DC隔離變換結構，產生的24 V DC低壓直流電源主要用于給蓄電池充電和直流車載電源。蓄電池根據其Io-Uo特性進行分段式充電，即“限流充電—恒壓充電—浮充溫度補償”，以此達到蓄電池的最好激活;當充電機停止工作或故障時，通過蓄電池給整車直流負載供電。充電機的輸出端通過一個二極管與24 V DC車載電源母線連接，共同為整車直流負載供電(見圖6)。這樣，當某個系統不能提供24 V DC電源時，還可通過另外一個系統給整車直流負載供電。

圖6 充電機并聯原理

在SIV中，通過前級高頻DC-DC變換，得到需要的中間直流電壓，給后級逆變器模塊提供直流電源。SIV輸出恒頻、恒壓的三相交流電和單相交流電，通過正弦濾波器來使輸出電壓更平緩穩定，獲得一個正弦波的電壓，分別給三相負載(如冷卻系統、空調系統以及電熱、用電插座等)供電。考慮到非變頻空調突然啟動的載荷突變，要求SIV具有1.5～2倍的一定時長過載能力。為了保證在1個SIV損壞的情形下仍能給整車交流負載供電，采用擴展供電方式，如圖7所示。通過1個K300接觸器連接整車2個SIV的輸出，如當ACU1的SIV停止工作時，ACU1中的K200斷開，K300閉合，是整車獲得交流電源，但此時必須減載;擴展供電邏輯采用數字控制，取代了傳統的故障率更高的繼電器擴展控制模式;如果采用SIV并聯供電的方式，則交流負載的供電冗余性會更好［7］。

圖7 SIV擴展原理

4.2 系統控制功能

整個輔助變流系統具有以下完善的控制和保護功能:充放電控制、系統自檢測、輔逆擴展供電、輔逆降功運行、故障自恢復重啟和重載(2倍)啟動等。另外，還有通信及監控功能，通過CANOpen與車輛網絡進行信號交互，通過以太網實現人機交互;保護功能，包括過/欠壓保護、輸入/輸出過流保護、負載短路保護、超溫保護等。

4.3 輔助變流器研制

為滿足100%低地板車整車交直流負載供電的要求，研制了整車共2套輔助變流系統及其控制系統，每套系統實物如圖8所示。由于低地板車緊湊的車頂空間，需要設計的變流系統具有更高的功率密度。為了達到這一要求，輔助變流系統擯棄了傳統的工頻隔離模式，采用了先進的高頻隔離技術，減小了體積，提高了功率密度;同時，采用全數字控制策略，并具有故障自重啟、數字邏輯擴展供電等功能，提高了系統供電的穩定性。

圖8 輔助變流器模塊

5 網絡監控與故障診斷

低地板車獨特的部件布置方式，使得變流系統只能放在車頂，給現場調試的監控帶來困難。基于網絡傳輸和虛擬儀器技術，開發研制出具有良好人機界面的現場監控軟件以及故障診斷軟件，可大大提高列車調試和維護維修效率。

5.1 網絡監控系統

如圖9所示，監控軟件包括數據/狀態存儲、數據/狀態傳輸(以太網)、數據/狀態顯示、數據/狀態保存等功能。監控軟件為中文界面，能夠實時方便地顯示各種模擬量、數字量以及報警、故障及其類型等，軟件自帶幫助文檔，便于實時查詢，也可以為工作人員靜調時提供方便的調試工具。同時，基于虛擬儀器技術的示波器為現場波形的觀測和存儲分析提供了方便。

圖9 牽引系統的監控界面

5.2 故障診斷軟件

為配合變流系統的現場調試，使技術人員能對故障進行準確排查，及時恢復系統，設計了一個界面友好、容易操作的故障診斷軟件來對故障進行診斷，實現了基于網絡的變流系統遠程實時監控方法、故障傳輸和下載策略，并借助故障樹的方法對系統的故障進行分析，以保證系統具有更好的可視和可維性。故障診斷軟件具有許多功能，其人機界面如圖10所示。

圖10 故障診斷軟件界面

1)數據存儲功能:包括在線式診斷時的實時數據存儲、離線式診斷時的故障數據存儲。

2)離線式故障診斷功能:根據下載存儲的故障數據，進行故障診斷的算法實現。

3)故障顯示功能:對在線式或離線式的診斷結果進行故障定位，并顯示出故障類型、嚴重程度。

4)給出修復意見功能:對診斷出的故障，提出可對系統進行維修的意見。

5)繪制波形及數字量圖形顯示功能:在線診斷時，實時繪制波形及數字量變化圖形，并可繪制歷史波形;在離線式故障診斷時，繪制存儲數據波形及圖形。

6)故障預測功能:通過歷史數據分析，找出具有故障趨勢的點，給出可能造成故障的原因，并給出修理意見。

7)其他附加功能:有方便用戶使用和維護的功能，如保存、打印等。

6 結語

本文介紹了為我國第一列100%低地板車研制的牽引及輔助變流系統，目前樣機已經安裝在列車上并穩定運行，實際運行情況說明系統設計合理，控制及保護功能完善，為我國自主創新、自主研發的低地板車技術裝備的發展和競爭提供了更廣泛的選擇。

［1］王渤洪.現代低地板軌道車輛創新走行部［J］.機車電傳動，2009(2):44-47.

［2］鄒婷婷，李莉.阿爾斯通公司展示 Citadis輕軌車模型［J］.國外鐵道車輛，2009(1):6.

［3］王歡，戴煥云.低地板輕軌車輛的技術分析與自主研發選型［J］.中國鐵路，2009(10):56-59.

［4］劉志剛.100%低地板車牽引傳動系統研究及裝備研制［J］.都市快軌交通，2010，23(5):17-21.

［5］劉承緒.低地板輕軌車輔助逆變器并聯研究［D］.北京:北京交通大學，2008.