淺談市域動車組主輔一體式牽引變流器的應用

（溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司運營分公司，浙江 溫州 325000）

淺談市域動車組主輔一體式牽引變流器的應用

唐海

（溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司運營分公司，浙江 溫州 325000）

介紹了牽引變流器、輔助逆變器的結構組成及控制、故障保護原理，并對設計方案提出建議。

牽引變流器；輔助逆變器；牽引控制單元；主輔一體化設計

溫州市域鐵路S1 線車輛編組形式采用四 輛（2動車2拖車），每輛動車裝有一套牽引變流器和2個動力轉向架，每個動力轉向架下安裝兩臺異步牽引電機，控制方式為架控。每個VVVF 逆變器分別驅動一個動力轉向架下的兩臺牽引電機。牽引系統由受電弓從接觸網接收單相AC25KV高壓電、經高壓隔離開關、真空斷路器、主變壓器后，變壓成AC970V交流電、再經牽引變流器逆變為變頻變壓的三相AC0～1404V交流電，供給牽引電機驅動輪對，完成動車組的牽引。全車配置兩臺輔助電源。

1 牽引逆變器介紹

牽引逆變器采用兩電平電壓型交—直—交電路結構，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、中間環節、VVVF 逆變器、過壓斬波單元、固定放電回路、支撐電容、接地檢測電路等組成，電路圖如圖1所示。

牽引變壓器牽引繞組輸入電壓首先經由KM3、R1 組成的充電回路對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為過壓斬波電阻，用于直流回路的過電壓抑制及停機后的快速放電；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 同時也是直流分壓電阻，中點接地，用于變流器主電路接地檢測；電流傳感器LH1用于牽引變流器輸入電流，LH3、LH4用于檢測VVVF 逆變器輸出電流， LH5用于檢測斬波電流；電壓傳感器VH1～VH3 分別用于檢測變流器中間直流回路電壓和半電壓。

牽引系統具有防滑防空轉功能，當空轉/滑行保護功能失效或故障時，保證列車能安全運行，盡可能不擦傷輪對或軌道，允許切除此保護系統并向司機給出故障信號，不影響該車的牽引功能，但電制動功能將被切除，由空氣制動代替。

再生制動工況時牽引電機發出的三相電壓經整流、逆變后通過牽引變壓器、受電弓反饋回電網。電制動時，牽引控制單元向空氣制動控制單元提供一個直接與電制動力矩成正比的信號，用以當電制動失效或電制動力不足時，由氣制動替代電制動或補充氣制動力，切換過程滿足規定的沖擊率限制，若是電制動失效，同時給出“電制動失效”故障指示信號。正常制動時，電制動與氣制動平滑過渡，總的制動力保持不變，電制動與氣制動轉換的速度暫定為5km/h。本項目無制動電阻。

2 輔助逆變器介紹

輔助電源系統不是一個獨立的系統，它是采用主輔一體化設計，與牽引變流器集成在變流器柜體當中的。輔助變流系統（DC/AC）采用大功率IGBT輔助電源、并聯供電技術，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，當牽引變流器的四象限整流器啟動后得到穩定的DC1800V中間電壓，經輔助電源的IGBT逆變器進行逆變后得到PWM波交流電壓，再送入輸出變壓器T1進行電壓隔離和降壓，經三相交流濾波器C1濾波后得到所輸出的低諧波含量的三相AC380V/50Hz電壓，經輸出接觸器K1連接到交流母線上。輔助變流器向通風機組、空氣壓縮機組、空調、加熱器、蓄電池充電器、油泵、水泵等輔助設備提供動力。輔助電源啟動后，冷卻系統即啟動，對IGBT逆變器模塊、輸出變壓器和充電機等部件進行冷卻。電路中LH9～LH11 用于檢測輔助逆變器輸出電流，VH7～VH10 用于檢測輔助濾波變壓器后的電壓。充電機從三相AC 380V 電壓取電經三相電抗器、三相整流橋整流、電容器濾波后經橋式逆變電路變換為交流方波電壓、通過高頻變壓器進行隔離、降壓后，最后經二次整流、輸出LC 濾波后得到穩定的DC110V 電源。

全車兩個輔助電源的AC380V 輸出端通過交流母線連接起來，在任一個輔助電源故障時，剩余的一個輔助電源對全列車的負載供電（此時空調功率降低一半）。為避免AC380V中壓母線可能存在的故障點，全車的AC380V 母線分為兩段，兩段母線之間通過一個隔離接觸器TB 連接在一起。正常時，TB是閉合的，當TB 斷開時，每個輔助電源負責一段母線上的負載。輔助逆變器的控制需要與牽引、制動等指令或狀態相配合，全車兩臺輔變電源之間采用無互連線并聯控制，具體控制流程如下。

當列車網絡控制系統檢測到四象限整流器啟動完成后，任選一臺輔助逆變器作為主機，并通過MVB 接口向主機DCU 發送主機標志和啟動命令。作為主機的輔助逆變器主控板ACC 接收到相應的狀態和啟動命令后，立即啟動控制輸出定頻定壓的3AC380V/50Hz 電壓，并閉合主機的輸出接觸器，使交流母線得電。剩下的一臺輔助逆變器作為從機，網絡系統通過MVB 接口向其發送從機標志和啟動命令。作為從機的輔助逆變器需要在檢測到交流母線電壓正常后，以母線電壓的幅值和頻率作為基準，控制輸出與母線電壓的幅值、頻率和相位均一致的電壓，然后再閉合從機的輸出接觸器，實現從機并網供電。

3 牽引控制單元介紹

牽引控制單元DCU通過網絡傳輸或者是備份指令獲取司機室設定的電機轉矩并綜合電機的牽引制動特性及可利用的粘著情況設定最終合適的轉矩。從牽引變壓器、四象限整流器、中間直流環節、牽引逆變器、牽引電動機、輔助逆變器及輸出變壓器等單元中檢測電壓、電流、速度、溫度、壓力等信號，利用直接轉矩控制技術，經過DCU內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，使牽引電機的輸出轉矩與牽引電動機的設定轉矩一致；并實現系統的故障保護。同時經MVB網絡實現與動車網絡控制系統通訊，經MVB網絡或硬連線的模擬、數字信號實現與制動控制單元（BCU）的通訊，通過以太網實現DCU各插件的程序刷新、數據實時監控以及故障數據上傳等功能。

輔助逆變器的主要控制算法采用一塊主控制板（ACC）實現，ACC 也是作為牽引變流器的傳動控制單元（DCU）的一塊插件。而輔助逆變器的外圍控制功能，例如模擬信號的處理、脈沖信號的轉換、電壓電流信號的保護等是集成在DCU 的其它插件中實現的。牽引控制單元對牽引變流器所有的動作進行監測和保護，在檢測到不可恢復的故障后，根據故障嚴重程度，激活保護動作；部件級保護主要包括輸出過壓/欠壓、輸出過流、輸出三相不平衡、模塊過熱等；器件級保護主要包括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開關進行隔離問題，雖然此種技術方案在之前產品中大量用到、業績廣泛，但根據統計，IGBT 故障僅占牽引變流器總故障（主要有IGBT門極驅動故障、模塊過熱故障、IGBT 單管故障、IGBT橋臂短路故障、IGBT 過流故障等）的5%，發生概率極小。IGBT 管故障中的90%（門極驅動故障、過熱保護故障、過流故障、單管故障等），都可以通過軟件進行單重故障隔離（封鎖相應脈沖），對整車動力而言，損失的只是一個轉向架的動力；另外，增加電動開關后，還會增加故障點、增加柜體體積和成本，會導致能量交換及LC 振蕩，也要重新評估變流器內部的EMC問題，直接影響變流器的可靠性及可用性。綜上所述，建議本項目不增加電動隔離開關。

U266.2

：A

：1671-0711（2017）06（上）-0156-02