淺談市域動(dòng)車(chē)組主輔一體式牽引變流器的應(yīng)用

（溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 溫州 325000）

淺談市域動(dòng)車(chē)組主輔一體式牽引變流器的應(yīng)用

唐海

（溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 溫州 325000）

介紹了牽引變流器、輔助逆變器的結(jié)構(gòu)組成及控制、故障保護(hù)原理，并對(duì)設(shè)計(jì)方案提出建議。

牽引變流器；輔助逆變器；牽引控制單元；主輔一體化設(shè)計(jì)

溫州市域鐵路S1 線(xiàn)車(chē)輛編組形式采用四 輛（2動(dòng)車(chē)2拖車(chē)），每輛動(dòng)車(chē)裝有一套牽引變流器和2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架下安裝兩臺(tái)異步牽引電機(jī)，控制方式為架控。每個(gè)VVVF 逆變器分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架下的兩臺(tái)牽引電機(jī)。牽引系統(tǒng)由受電弓從接觸網(wǎng)接收單相AC25KV高壓電、經(jīng)高壓隔離開(kāi)關(guān)、真空斷路器、主變壓器后，變壓成AC970V交流電、再經(jīng)牽引變流器逆變?yōu)樽冾l變壓的三相AC0～1404V交流電，供給牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)，完成動(dòng)車(chē)組的牽引。全車(chē)配置兩臺(tái)輔助電源。

1 牽引逆變器介紹

牽引逆變器采用兩電平電壓型交—直—交電路結(jié)構(gòu)，牽引逆變器中包含充電單元、充電短接回路、四象限PWM 整流器、中間環(huán)節(jié)、VVVF 逆變器、過(guò)壓斬波單元、固定放電回路、支撐電容、接地檢測(cè)電路等組成，電路圖如圖1所示。

牽引變壓器牽引繞組輸入電壓首先經(jīng)由KM3、R1 組成的充電回路對(duì)直流回路的支撐電容充電，充電完成后閉合短接接觸器KM1。電抗器L1（放置在變流器外部）和電容器C1 組成二次諧振回路，用于濾除四象限PWM 整流器輸出的二次諧波電流；Rch為過(guò)壓斬波電阻，用于直流回路的過(guò)電壓抑制及停機(jī)后的快速放電；R3～R6 為固定放電電阻，用于快速放電回路故障后將支撐電容上的電壓放至安全電壓以下，R3、R4 同時(shí)也是直流分壓電阻，中點(diǎn)接地，用于變流器主電路接地檢測(cè)；電流傳感器LH1用于牽引變流器輸入電流，LH3、LH4用于檢測(cè)VVVF 逆變器輸出電流， LH5用于檢測(cè)斬波電流；電壓傳感器VH1～VH3 分別用于檢測(cè)變流器中間直流回路電壓和半電壓。

牽引系統(tǒng)具有防滑防空轉(zhuǎn)功能，當(dāng)空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)功能失效或故障時(shí)，保證列車(chē)能安全運(yùn)行，盡可能不擦傷輪對(duì)或軌道，允許切除此保護(hù)系統(tǒng)并向司機(jī)給出故障信號(hào)，不影響該車(chē)的牽引功能，但電制動(dòng)功能將被切除，由空氣制動(dòng)代替。

再生制動(dòng)工況時(shí)牽引電機(jī)發(fā)出的三相電壓經(jīng)整流、逆變后通過(guò)牽引變壓器、受電弓反饋回電網(wǎng)。電制動(dòng)時(shí)，牽引控制單元向空氣制動(dòng)控制單元提供一個(gè)直接與電制動(dòng)力矩成正比的信號(hào)，用以當(dāng)電制動(dòng)失效或電制動(dòng)力不足時(shí)，由氣制動(dòng)替代電制動(dòng)或補(bǔ)充氣制動(dòng)力，切換過(guò)程滿(mǎn)足規(guī)定的沖擊率限制，若是電制動(dòng)失效，同時(shí)給出“電制動(dòng)失效”故障指示信號(hào)。正常制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)與氣制動(dòng)平滑過(guò)渡，總的制動(dòng)力保持不變，電制動(dòng)與氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換的速度暫定為5km/h。本項(xiàng)目無(wú)制動(dòng)電阻。

2 輔助逆變器介紹

輔助電源系統(tǒng)不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它是采用主輔一體化設(shè)計(jì)，與牽引變流器集成在變流器柜體當(dāng)中的。輔助變流系統(tǒng)（DC/AC）采用大功率IGBT輔助電源、并聯(lián)供電技術(shù)，電路圖如圖2。

圖1

圖2

輔助電源的輸入端連接到牽引變流器的中間直流回路，當(dāng)牽引變流器的四象限整流器啟動(dòng)后得到穩(wěn)定的DC1800V中間電壓，經(jīng)輔助電源的IGBT逆變器進(jìn)行逆變后得到PWM波交流電壓，再送入輸出變壓器T1進(jìn)行電壓隔離和降壓，經(jīng)三相交流濾波器C1濾波后得到所輸出的低諧波含量的三相AC380V/50Hz電壓，經(jīng)輸出接觸器K1連接到交流母線(xiàn)上。輔助變流器向通風(fēng)機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組、空調(diào)、加熱器、蓄電池充電器、油泵、水泵等輔助設(shè)備提供動(dòng)力。輔助電源啟動(dòng)后，冷卻系統(tǒng)即啟動(dòng)，對(duì)IGBT逆變器模塊、輸出變壓器和充電機(jī)等部件進(jìn)行冷卻。電路中LH9～LH11 用于檢測(cè)輔助逆變器輸出電流，VH7～VH10 用于檢測(cè)輔助濾波變壓器后的電壓。充電機(jī)從三相AC 380V 電壓取電經(jīng)三相電抗器、三相整流橋整流、電容器濾波后經(jīng)橋式逆變電路變換為交流方波電壓、通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行隔離、降壓后，最后經(jīng)二次整流、輸出LC 濾波后得到穩(wěn)定的DC110V 電源。

全車(chē)兩個(gè)輔助電源的AC380V 輸出端通過(guò)交流母線(xiàn)連接起來(lái)，在任一個(gè)輔助電源故障時(shí)，剩余的一個(gè)輔助電源對(duì)全列車(chē)的負(fù)載供電（此時(shí)空調(diào)功率降低一半）。為避免AC380V中壓母線(xiàn)可能存在的故障點(diǎn)，全車(chē)的AC380V 母線(xiàn)分為兩段，兩段母線(xiàn)之間通過(guò)一個(gè)隔離接觸器TB 連接在一起。正常時(shí)，TB是閉合的，當(dāng)TB 斷開(kāi)時(shí)，每個(gè)輔助電源負(fù)責(zé)一段母線(xiàn)上的負(fù)載。輔助逆變器的控制需要與牽引、制動(dòng)等指令或狀態(tài)相配合，全車(chē)兩臺(tái)輔變電源之間采用無(wú)互連線(xiàn)并聯(lián)控制，具體控制流程如下。

當(dāng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)檢測(cè)到四象限整流器啟動(dòng)完成后，任選一臺(tái)輔助逆變器作為主機(jī)，并通過(guò)MVB 接口向主機(jī)DCU 發(fā)送主機(jī)標(biāo)志和啟動(dòng)命令。作為主機(jī)的輔助逆變器主控板ACC 接收到相應(yīng)的狀態(tài)和啟動(dòng)命令后，立即啟動(dòng)控制輸出定頻定壓的3AC380V/50Hz 電壓，并閉合主機(jī)的輸出接觸器，使交流母線(xiàn)得電。剩下的一臺(tái)輔助逆變器作為從機(jī)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)MVB 接口向其發(fā)送從機(jī)標(biāo)志和啟動(dòng)命令。作為從機(jī)的輔助逆變器需要在檢測(cè)到交流母線(xiàn)電壓正常后，以母線(xiàn)電壓的幅值和頻率作為基準(zhǔn)，控制輸出與母線(xiàn)電壓的幅值、頻率和相位均一致的電壓，然后再閉合從機(jī)的輸出接觸器，實(shí)現(xiàn)從機(jī)并網(wǎng)供電。

3 牽引控制單元介紹

牽引控制單元DCU通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸或者是備份指令獲取司機(jī)室設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩并綜合電機(jī)的牽引制動(dòng)特性及可利用的粘著情況設(shè)定最終合適的轉(zhuǎn)矩。從牽引變壓器、四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、牽引電動(dòng)機(jī)、輔助逆變器及輸出變壓器等單元中檢測(cè)電壓、電流、速度、溫度、壓力等信號(hào)，利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)DCU內(nèi)部控制算法和邏輯控制程序，控制逆變器輸出電壓的幅值、相位和頻率，使?fàn)恳姍C(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與牽引電動(dòng)機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)矩一致；并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障保護(hù)。同時(shí)經(jīng)MVB網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與動(dòng)車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通訊，經(jīng)MVB網(wǎng)絡(luò)或硬連線(xiàn)的模擬、數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)與制動(dòng)控制單元（BCU）的通訊，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)DCU各插件的程序刷新、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及故障數(shù)據(jù)上傳等功能。

輔助逆變器的主要控制算法采用一塊主控制板（ACC）實(shí)現(xiàn)，ACC 也是作為牽引變流器的傳動(dòng)控制單元（DCU）的一塊插件。而輔助逆變器的外圍控制功能，例如模擬信號(hào)的處理、脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換、電壓電流信號(hào)的保護(hù)等是集成在DCU 的其它插件中實(shí)現(xiàn)的。牽引控制單元對(duì)牽引變流器所有的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，在檢測(cè)到不可恢復(fù)的故障后，根據(jù)故障嚴(yán)重程度，激活保護(hù)動(dòng)作；部件級(jí)保護(hù)主要包括輸出過(guò)壓/欠壓、輸出過(guò)流、輸出三相不平衡、模塊過(guò)熱等；器件級(jí)保護(hù)主要包括IGBT 器件、輸出接觸器等的故障。

4 建議

是否在牽引變流器中在中間直流回路與逆變器模塊之間用電動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行隔離問(wèn)題，雖然此種技術(shù)方案在之前產(chǎn)品中大量用到、業(yè)績(jī)廣泛，但根據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT 故障僅占牽引變流器總故障（主要有IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)故障、模塊過(guò)熱故障、IGBT 單管故障、IGBT橋臂短路故障、IGBT 過(guò)流故障等）的5%，發(fā)生概率極小。IGBT 管故障中的90%（門(mén)極驅(qū)動(dòng)故障、過(guò)熱保護(hù)故障、過(guò)流故障、單管故障等），都可以通過(guò)軟件進(jìn)行單重故障隔離（封鎖相應(yīng)脈沖），對(duì)整車(chē)動(dòng)力而言，損失的只是一個(gè)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力；另外，增加電動(dòng)開(kāi)關(guān)后，還會(huì)增加故障點(diǎn)、增加柜體體積和成本，會(huì)導(dǎo)致能量交換及LC 振蕩，也要重新評(píng)估變流器內(nèi)部的EMC問(wèn)題，直接影響變流器的可靠性及可用性。綜上所述，建議本項(xiàng)目不增加電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)。

U266.2

：A

：1671-0711（2017）06（上）-0156-02