城軌牽引變流器自主化設(shè)計(jì)與研制*

劉東輝

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

近年來(lái)，為緩解城市交通壓力和促進(jìn)節(jié)能減排，我國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅速。目前已有40多個(gè)城市進(jìn)行了城軌建設(shè)規(guī)劃，其中30多個(gè)城市已有開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路。在城軌交通的發(fā)展過(guò)程中，城軌車(chē)輛作為軌道交通裝備領(lǐng)域中的重要組成部分起到了積極的支撐作用。而牽引系統(tǒng)作為城軌車(chē)輛的核心，直接影響到車(chē)輛運(yùn)行性能，并關(guān)系到車(chē)輛的安全性、運(yùn)行質(zhì)量及能耗。文中結(jié)合科研院所基金支撐的城軌交通牽引系統(tǒng)自主化研制項(xiàng)目，對(duì)城軌牽引系統(tǒng)中的牽引變流器的自主化設(shè)計(jì)方法與研制情況進(jìn)行介紹。

1 主電路設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件參數(shù)計(jì)算

根據(jù)北京某DC 750 V地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)線路的技術(shù)要求，開(kāi)展對(duì)車(chē)輛牽引變流器的設(shè)計(jì)。主電路采用電壓型三相全橋結(jié)構(gòu)，控制方式為架控模式，變流器的主電路主要包括：線路濾波電抗器、輸入及預(yù)充電電路、中間支撐電容、功率模塊、電壓電流傳感器、熱管散熱器、制動(dòng)斬波器等。牽引變流器主電路設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 牽引變流器主電路圖

主電路關(guān)鍵器件IGBT選取參數(shù)的計(jì)算和散熱器功率的計(jì)算如下。

1.1 逆變側(cè)IGBT選取

按照牽引變流器及牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)對(duì)功率器件IGBT的電壓電流等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。

1.1.1電壓等級(jí)

UCES=UDmax×1.5(安全系統(tǒng))=

900×1.5=1 350 V

其中：額定電壓750 V，電壓波動(dòng)范圍500～900 V，取電壓UDmax=900 V為電網(wǎng)波動(dòng)輸入的最大電壓值。

1.1.2電流容量

式中：牽引變流器最大輸出功率710 kVA；(考慮兩臺(tái)電機(jī)并聯(lián)，1.5倍余量)。

紋波系數(shù)：輸出電流最大值按1.05倍波動(dòng)考慮；

Ic(max)為IGBT關(guān)斷的最大電流。

通過(guò)上述計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及機(jī)組的實(shí)際工況，可取電壓為1 700 V，電流容量為1 600 A的IGBT半導(dǎo)體器件。

1.2 制動(dòng)斬波側(cè)IGBT選取

電壓等級(jí)選取同逆變器部分，電流選取根據(jù)斬波工作的特點(diǎn)由式(1)確定：

(1)

其中：1.5為安全余量，計(jì)算所得為峰值電流。

可以選取與逆變側(cè)相同容量的元件。

1.3 逆變器熱管散熱器參數(shù)計(jì)算與選取

牽引用IGBT損耗計(jì)算，按IGBT技術(shù)參數(shù)(T=150 ℃)，開(kāi)關(guān)頻率選用1 kHz，取D=0.90，COSφ=0.85，結(jié)果如下：

1.3.1模塊開(kāi)關(guān)損耗

Psw=363 W

1.3.2IGBT通態(tài)損耗

VCE(sat)=2.4(正常值T=150 ℃(結(jié)溫))，則：

PSS=1 050×2.4×(0.125+0.90×0.85/3/3.14)≈

520 (W)

1.3.3二極管的穩(wěn)態(tài)損耗

取IEP=ICP，VCE=2.2(正常最大值T=25 ℃(結(jié)溫))。

PD=1 050×2.2×(0.125-0.90×0.85/3/3.14)≈

101 (W)

1.3.4單管總損耗：

PT=PSW+PSS+PD≈984 (W)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)熱管散熱器的基本參數(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 逆變側(cè)熱管散熱器基本要求

1.4 斬波裝置熱管散熱器參數(shù)計(jì)算與選取

工作條件：開(kāi)關(guān)頻率500 Hz；占空比D=0.5；斷續(xù)工作制在120 s中開(kāi)通16 s。

1.4.1IGBT單管損耗

開(kāi)關(guān)損耗：Ptsw=(Eon+Eoff)×f×D=

(0.5+0.6)×500×0.5=275 (W)

導(dǎo)通損耗：

Ptss=900/1.3×2.4×0.5×16/120=111 (W)

1.4.2二極管損耗

恢復(fù)損耗：Pdsw=Erec×f×D=

0.23×500×0.5=57.5 (W)

導(dǎo)通損耗：

Pdss=900/1.3×2.1×0.5×16/120=97 (W)

因?yàn)橐粋€(gè)制動(dòng)斬波裝置的散熱器上有兩個(gè)單元的制動(dòng)斬波相同，所以散熱器需要散出的總熱量為：

P=4×(Ptsw+Ptss+Pdsw+Pdss)=

4×(275+111+57.5+97)=2 162 (W)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)熱管散熱器的基本參數(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 斬波側(cè)熱管散熱器基本要求

2 控制單元硬件設(shè)計(jì)

牽引變流器的控制單元由控制板(CPU)、模擬量輸入/輸出板(AIO)、數(shù)字量輸入/輸出板(BIO)、電源板(POWER)、背板組成。控制器采用9u標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，前面板為控制箱對(duì)外的連接線，背板為控制箱內(nèi)連接線。

牽引變流器的控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)。牽引變流器的控制單元同時(shí)控制兩個(gè)逆變器單元，因此采用了主從結(jié)構(gòu)的兩塊控制板。控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 控制板(CPU)

CPU板是控制單元的核心，它的控制功能由單片機(jī)、DSP、CPLD和FPGA為核心再配合相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。板卡上還包括供電電源、輸入輸出接口、狀態(tài)顯示等。實(shí)現(xiàn)控制邏輯，故障檢測(cè)、保護(hù)與故障信息的存儲(chǔ)，完成與PC機(jī)和監(jiān)控終端的通訊。控制板原理框圖如圖3所示。

2.2 模擬量輸入/輸出板(AIO)

AIO板卡承載著控制單元的模擬量處理功能，可劃分為非隔離電壓電流傳感器的模擬量采樣、硬件過(guò)流保護(hù)、模擬通道自測(cè)試、溫度測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量、隔離放大器模擬量測(cè)量、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換及輸出和前后面板接口等部分。AIO板完成對(duì)來(lái)自外部傳感器的模擬量如：電壓、電流、溫度及轉(zhuǎn)速等的采集、濾波，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將處理好的數(shù)據(jù)送給CPU板，也接收來(lái)自CPU板的數(shù)字量并將其轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。AIO板的原理框圖如圖4所示。

2.3 數(shù)字量輸入/輸出板(BIO)

BIO板承載著數(shù)字信號(hào)指令發(fā)送和接收的功能，可劃分為數(shù)字量輸入通道，數(shù)字量輸出通道，輸入輸出選通電路，串口和前后面板接口等部分。BIO板通過(guò)光耦或繼電器等完成不同電壓等級(jí)的數(shù)字量的輸入與輸出，也包含和監(jiān)控終端的通訊接口。BIO板原理框圖如圖5所示。

圖3 控制板原理框圖

圖4 AIO板原理框圖

圖5 BIO板原理框圖

2.4 電源板卡(POWER)

POWER板卡是將外部輸入的110 V電源變?yōu)? V，±15 V，24 V等各種不同等級(jí)的電源供給控制單元的各板卡以及IGBT驅(qū)動(dòng)板，具有電源質(zhì)量監(jiān)控和保護(hù)功能。為控制箱內(nèi)各板卡供電，并對(duì)各路電源進(jìn)行監(jiān)控，將電源故障信號(hào)送到控制板。POWER板原理框圖如圖6所示。

圖6 POWER板原理框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)牽引控制單元硬件采用的MCU、DSP、FPGA和CPLD 4種可編程芯片相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了控制軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)這4種芯片軟件之間互相配合共同完成控制單元所需功能。另外在調(diào)試城軌牽引、輔助變流器過(guò)程中，需要開(kāi)發(fā)在PC機(jī)側(cè)模擬與車(chē)上設(shè)備通訊的上層軟件，實(shí)現(xiàn)與變流器的調(diào)試串口、故障監(jiān)視串口的通訊功能。

針對(duì)上述軟件開(kāi)發(fā)的需求，搭建了控制單元軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)情況如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

3.1 MCU軟件主要功能

MCU軟件開(kāi)發(fā)的工作主要包括底層驅(qū)動(dòng)軟件和牽引變流器應(yīng)用程序兩大部分的內(nèi)容。底層驅(qū)動(dòng)軟件主要完成應(yīng)用程序與實(shí)際硬件的交互工作，通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)軟件讀取各個(gè)輸入端口的工作狀態(tài)，由應(yīng)用程序根據(jù)這些狀態(tài)，決定輸出端口狀態(tài)，并由底層驅(qū)動(dòng)軟件完成最終實(shí)際輸出動(dòng)作。應(yīng)用程序則主要包含了牽引變流器的各個(gè)工作邏輯等，MCU軟件的主要功能包括：

(1)輸入輸出接觸器的開(kāi)關(guān)控制和狀態(tài)反饋?zhàn)x取；

(2)輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的讀取；

(3)輸入輸出電壓電流傳感器值的讀取；

(4)電機(jī)牽引特性曲線的生成；

(5)各個(gè)溫度傳感器和溫度開(kāi)關(guān)狀態(tài)的讀取；

(6)主從MCU熱備份切換；

(7)牽引變流器的啟動(dòng)、停止等工作狀態(tài)的控制；

(8)制動(dòng)斬波器的啟動(dòng)、停止等工作狀態(tài)的控制；

(9)制動(dòng)電阻的溫度計(jì)算；

(10)各種故障的檢測(cè)、判斷和保護(hù)；

(11)故障時(shí)刻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

(12)通過(guò)硬線，獲取司控器的控制指令；

(13)通過(guò)RS232接口與PC機(jī)監(jiān)控軟件通信，獲取PC機(jī)監(jiān)控軟件的控制指令，向PC監(jiān)控軟件報(bào)告牽引變流器的工作狀態(tài)。

3.2 DSP軟件主要功能

牽引變流器控制器中DSP及其輔助電路是核心控制算法的形成單元，DSP軟件的主要功能包括：

(1)牽引變流器中電機(jī)閉環(huán)控制算法；

(2)變流器的輸出控制脈沖產(chǎn)生；

(3)變流器模擬量的有效值計(jì)算。

3.3 FPGA軟件主要功能

FPGA的主要功能是作為數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)中心，實(shí)現(xiàn)CPU和DSP在雙口RAM間的數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA軟件的主要功能包括：

(1)數(shù)據(jù)交換功能；

(2)數(shù)據(jù)采集和輸出功能；

(3)關(guān)鍵故障的判斷和保護(hù)功能；

(4)制動(dòng)斬波脈沖產(chǎn)生功能。

3.4 CPLD軟件主要功能

CPLD的主要功能是對(duì)DSP發(fā)出的PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)變流器功率模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，同時(shí)CPLD還執(zhí)行兩塊CPU板的主從模式的轉(zhuǎn)換管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線管理等任務(wù)，CPLD軟件的主要功能包括：

(1)電源狀態(tài)監(jiān)視功能；

(2)IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)視功能；

(3)看門(mén)狗功能。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)與研制的牽引變流器樣機(jī)通過(guò)了型式試驗(yàn)，完成了牽引系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。其中，地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)采用異步電機(jī)背靠背、交流能量互饋的技術(shù)方案，按照地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)要求，通過(guò)陪試機(jī)組進(jìn)行控制，為被試機(jī)組提供所需負(fù)載。

4.1 牽引工況試驗(yàn)

被試機(jī)組處于滿(mǎn)級(jí)牽引，調(diào)節(jié)陪試機(jī)組速度，由速度5 km/h、10 km/h、15 km/h，每5 km/h一個(gè)間隔直至80 km/h，在每一速度點(diǎn)陪試與被試機(jī)組背靠背平衡后，測(cè)量每一個(gè)速度點(diǎn)的牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和變流器直流輸入側(cè)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和功率。

4.2 電制動(dòng)工況試驗(yàn)

手柄置于電制動(dòng)最大級(jí)位，調(diào)節(jié)陪試機(jī)組速度，由80 km/h、75 km/h、70 km/h，每5 km/h一個(gè)間隔直至0 km/h。在每一速度點(diǎn)陪試與被試機(jī)組背靠背平衡后，測(cè)量每一個(gè)速度點(diǎn)的牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和變流器直流輸入側(cè)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和功率。

4.3 特性曲線繪制

分別在額定載荷條件下，繪制出牽引工況和制動(dòng)工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性曲線，部分曲線如圖8和圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)果與仿真曲線基本一致，變流器性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 額定載荷牽引工況轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)結(jié)果

圖9 額定載荷電制工況轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合北京某線路地鐵車(chē)輛對(duì)牽引系統(tǒng)的要求，進(jìn)行了城軌車(chē)輛牽引變流器的自主化設(shè)計(jì)與研制，研制的城軌車(chē)輛牽引變流器完成了型式試驗(yàn)和牽引系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，并通過(guò)了行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的技術(shù)評(píng)審，性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。