（机械工程专业论文）现代有轨电车牵引逆变器的开发.pdf

摘要 摘要 近年来，随着经济迅速发展，我国城市现代化轨道交通进入一个高速发展时期，全 国许多城市争相发展地铁、轻轨和有轨电车，以缓解日益严重的交通拥堵问题。现代有 轨电车的运用不但适应了城市经济的迅猛发展的需求，有效地缓解了城市交通压力，方 便居民的日常出行，而更主要的是解决了因地铁和轻轨工程造价昂贵而造成的资金短缺 的问题，因此，对于中小城市来说发展现代有轨电车是解决交通拥堵问题的理想选择。 现代有轨电车采用交流牵引控制、微机监控显示、气电联合制动、空气弹簧、弹性车轮 等国际先进技术，与传统的有轨电车相比具有快速、舒适、环保等特点，具有广阔的应 用前景。 交流传动技术取代传统的直流传动技术已成为目前现代有轨电车电力牵引的趋势， 由于我国的城市轨道车辆交流传动系统大多数依赖国外进口，因而城市轨道车辆交流传 动系统中牵引逆变器的国产化则是目前的重点研究课题。本课题针对7 5 0 v 直流供电条 件下的4 7 5 k w 交流牵引电动机牵引系统的要求，按4 c 4 m 驱动方式对逆变器进行设计、 开发。具体设计内容包括主电路设计、驱动电路设计、控制电路设计、保护电路设计， 并对散热系统设计方法进行了研究，开发的逆变器配备数据通信接口，通过该接口使逆 变器接收上层牵引控制系统的控制指令。本课题的研究对牵引逆变器的国产化进行探 索，满足现代有轨电车交流牵引传动系统的需要，为将来实现地铁、轻轨等更大功率的 交流传动系统做技术上的储备。 关键词：现代有轨电车；交流牵引传动：逆变器；逆变控制 大连交通大学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a se c o n o m yd e v e l o p sq u i c k l y ，t h ec i t ym o d e mr a i lt r a n s p o r to fo u r c o u n t r ye n t e r sah i g hs p e e dd e v e l o p m e n tp e r i o d ，al o to fn a t i o n w i d ec i t i e su s es u b w a y ，l i g h t r a i la n dt r a m c a rt os o l v et h es e r i o u sp r o b l e mo ft r a f f i cj a m t h eu t i l i z a t i o no fm o d e mt r a m c a r h a sn o to n l ym e tt h es w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n to f c i t ye c o n o m y ，e f f i c i e n t l ya l l e v i a t e dc i t y t r a f f i cp r e s s u r e ，f a c i l i t a t et h ed a i l yg o i n go u to fr e s i d e n t ，m o s tm a j o ri st os o l v eb e c a u s eo f s u b w a ya n dt h ep r o j e c tc o s to fl i g h tr a i le x p e n s i v et h ef u n dt h a tc a u s e st h ep r o b l e ml a c k e d t h e r e f o r ei n ，f o rl i t t l ee i t yd e v e l o p m e n tm o d e mt r a m c a ri st h ec h o i c eo ft h eb e s t m o d e m v e h i c l e sa r es w i f t e r , m o r ec o m f o r t a b l ea n dp o l l u t i o u sl e s st h a nt r a d i t i o n a lv e h i c l e s t h e ya r e e q u i p p e d 、) r i t l lm a n ya d v a n c i n gd e v i c e ss u c ha sc o n t r o lo fa cd r a g ，m o n i t o r i n gd i s p l a yb yt h e c o m p u t e r , a i ra n de l e c t r i c i t yu n i t i n gb r a k e ，a i rs p r i n g ，r u b b e rw h e e l se t c s ot h e yh a v eab r i g h t f u t u r e t h et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fd i r e c tc u r r e n to fa l t e r n a t i n gt r a n s m i s s i o nt e c h n i c a l r e p l a c e m e n tt r a d i t i o nb e c o m e st h et e n d e n c yo fp r e s e n tt r a m c a rp o w e rp u l l i ti si m p o r t e d a b r o a db e c a u s eo ft h ec i t yv e h i c l ea l t e m a t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m a t i cm o s td e p e n d e n c e so f o u rc o u n t r y s oc i t yo r b i tv e h i c l ep u l li n v e r t e rd o m e s t i cm e l ti sp r e s e n tk e yr e s e a r c hs u b j e c t t h i sp r o g r a ms u p p l i e sp o w e ra c c o r d i n gt ot h ed i r e c tc u r r e n to f7 5 0 vu n d e rc o n d i t i o nt h e r e q u i r e m e n to ft h em o t o rp u l ls y s t e mo f4 7 5 k wo fa ct r a c t i o n a ci n v e r t e ri sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e da c c o r d i n gt o4 c 4 ma cd r i v e t h es p e c i f i cd e s i g nc o n t e n ti n c l u d e sm a i n c i r c u i td e s i g nd r i v ec i r c u i td e s i g n c o n t r o lc i r c u i td e s i g n ，p r o t e c tc i r c u i td e s i g n a n dt h e r ei sa r e s e a r c ho nt h ew a yo fs c a t t e r e dh o ts y s t e md e s i g n i tn e e d si n v e r t e rt oa l l o c a t et h ei n t e r f a c eo f d a t ac o m m u n i c a t i o ni no r d e rt ot a k eo v e rt h ec o n t r o ld e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fu p p e r l e v e l s t h i sp r o g r a mr e s e a r c hi st oe x p l o r ep u l li n v e r t e rd o m e s t i cm e l ta n ds a t i s f yt h en e e d so f t h ed a l i a nn e wt r a mc a rt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fa ct r a c t i o n i ti sak i n do ft e c h n o l o g y r e s e r v a t i o nf o rt h ea l t e r n a t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m o d e mv e h i c l e ；a cd r i v e ；a ci t v e r t w ；a ci n v e r t n c o n t r o l i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工作意义 随着改革开放的不断深入，我国经济持续快速地发展，城市化进程明显加快，城市 交通虽然有了一定的发展，但仍远滞后于城市现代化水平提高的要求。越来越密集的城 市人口和日益频繁的交流活动，给现代城市交通带来了巨大的压力。而城市轨道交通系 统的出现为这些问题的解决带来了希望。城市轨道交通系统作为一种大容量、快速的公 共运输方式，不仅速度快，还具有节能、经济、安全、无污染等特点，它不但解决了人 们日益增长的客运需要，还为城市的进一步发展提供了可能，在城市发展中起到了不可 忽视的作用。 一般说来，城市轨道交通系统主要包括地铁、轻轨车和有轨电车等。其中地铁和轻 轨车以其速度快和运能大的显著优势得到了快速的发展，然而其所需的先进技术支持和 巨额的投资让一些中小城市望而生畏。一方面中小城市本身的实力难以承受巨额的费 用，同时过大的运量对中小城市而言又是一种浪费。另外据有研究结果表明，对于轻轨 适用于每小时单向客流量在1 5 - - - 4 万人次；地铁适用于每小时单向客流量在4 万人次以 上；而现代有轨电车适用于每小时单向客流量在0 8 - - 1 5 万人次，因此在中小城市或大城 市市郊发展现代有轨电车，是解决这一问题的理想选择。 现代有轨电车可以利用现有的街道分期建设，站距短可以扩大吸引范围，容量又适 应中小城市客流需要，尽管运量和速度稍低，但建设费用相对低廉是一般中小城市可能 接受的。如大连的现代有轨电车系统每公里造价约2 0 8 9 万元，并且由其所带来的经济 效益是巨大的。本文所做的工作是针对现代有轨电车对交流牵引传动系统的要求，开发 牵引逆变器，为现代有轨电车的快速发展提供物质技术保障。 【l 】 1 1 1 发展现代有轨电车是解决中小城市交通问题的有效途径 作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，城市轨道交通在世界上很早就出现 了，与其他公共交通形式相比，城市轨道交通具有以下优点： 1 城市轨道交通实现了以电代油，改善了动力结构，减少了城市的空气污染，美化 了环境，减少了交通事故。城市轨道交通的兴建改变了城市面貌，并带动沿线经 济发展，从而产生巨大的社会效益。 2 城市轨道交通节约了乘客时间，方便了市民的同常生活。 大连交通大学t 程硕士学位论文 3 城市轨道交通可减少乘客乘车的疲劳，从而可提高劳动生产率。 4 城市轨道交通可减少交通事故，从而减少了经济损失，提高了城市的经济效益。 5 城市轨道交通的建立，不仅为城市内各功能区之间、企业和市中心之间、居住地 和工作地之间的联系提供便捷条件，而且为城市中心人口和产业向郊区扩散创造了条 件，发展城市轨道交通乃是大城市发展的长远大计。城市轨道交通用地省，运能大，有 关统计表明，轨道线路的输送能力是公路交通输送能力的近1 0 倍。单位运输量的能源 消耗量少，因而节约能源；由于有轨电车采用电力牵引，对环境的污染小。并且噪声属 集中型，人均噪声小，易于治理；乘客乘座安全、舒适、方便、快捷。合理地运用城市 轨道交通，可以有效地缓解交通压力。 近年来，我国经济发展迅速，城市现代化进程明显加快，城市规模、城市人口和外 来人员不断增加，边缘集团和卫星城相继出现。交通拥挤状况既妨碍了城市经济的发展 也影响了社会活动的正常秩序以及居民的日常出行，轨道交通系统的发展和建设从根本 上解决了这个问题。 目前我国的城市轨道交通正进入一个高速发展的时期，国内3 4 个人口过百万的城 市中，约有2 0 个超大城市和特大城市正建设和筹建自己的轨道交通系统。有关资料显 示，“十五期间，国家计划投资8 0 0 0 亿元用于城市轨道交通建设，建成总里程将达 到4 5 0 公里，其中用于地铁建设的投资2 0 0 0 亿元。许多城市对修建轨道交通项目积极 性很高，但由于对城市轨道交通类型认识不足，因此选择轨道交通类型时，往往脱离本 地区实际情况，选择了不合适的轨道交通类型，片面强调采用最高最新的技术模式和技 术措施，造成投资经费越来越高，从而导致项目建设难以启动。 世界上许多城市采用根据客运需要对各种轨道交通性能指标进行比较，选择适合本 城市需要的类型，非常注重实用，欧洲大多数发达国家的城市轨道运输系统，既经济又 适用。长期以来，轨道交通系统是城市交通中最受欢迎的一种交通方式，它包括现代有 轨电车、轻轨交通、地铁、单轨交通和直通导向式新交通系统等。现代有轨电车又称地 面电车或街车，在欧美国家较为常见，由于它的特点与轻轨电车相近，许多人也将它划 入轻轨电车范畴。自8 0 年代中期以来，西方主要发达国家纷纷发展以地面平交为主的 现代有轨电车交通系统。它的综合造价仅为高架式轻轨系统的l 3 1 5 ，它的突出优点 在于轻便和灵活，能适应于地面、高架、地下等线路形式；可以全封闭，也可以半封闭； 满足中等运量的要求，可以大大缓解目前我国中小城市的交通状况。 由于长期以来传统的有轨电车速度低、噪声大，因此在大力发展城市轨道交通的过 程中，许多城市将主要注意力集中在地铁和轻轨上，而对传统上的小运量的有轨电车的 考虑甚少。的确，地铁能够最有效地疏缓客流，尤其是在节约有限的土地资源方面，其 2 第一章绪论 他轨道交通运输方式根本无法与其相比。我们看到北京、上海、广州等大城市地铁的修 建给城市的发展带来了生机和活力，也给社会带来了巨大的经济效益。因此，许多城市 都有了修建地铁的想法。然而修建地铁的巨额投资并不是所有的城市都能负担得起的， 其实地铁也并不适合所有的城市，因此，根据自身实力和客流特点，对于中小规模的城 市，发展小运量的轨道交通系统即现代有轨电车是明智的选择。 现代有轨电车与传统的有轨电车相比具有快速、舒适、环保等特点。它采用交流牵 引控制、微机监控显示、气电联合制动、空气弹簧、弹性车轮等国际先进技术，并且可 以利用现有街道分期建设，因设计标准低而投资较少，站距短而扩大客流吸引范围，而 容量又可适应中小城市乘客的需要，因而具有广阔的应用前景。 2 1 电力牵引在城市轨道交通中存在已久。随着生产技术的发展，直流拖动的薄弱环节 逐渐显现出来，人们转向了结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉的异步电动机。 交流传动与直流传动相比较，在电力牵引方面具有体积小、重量轻、电气制动特性优良、 粘着利用率高、便于维护、工作可靠等优点，已成为电力牵引技术发展的普遍趋势。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。5 0 年代末出现了晶闸管，由晶闸 管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调 速。然而由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。7 0 年代以后， 功率晶体管( g t r ) ，门极关断晶闸管( g t 0 ) ，功率m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) ， 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，m o s 控制晶体管( m c t ) 等已先后问世，这些器件既能控制 导通又能控制关断。它们不再需要强迫换向电路，使逆变器构成简单，结构紧凑。8 0 年代以后出现的功率集成电路( p o w e ri c - p i c ) ，集功率开关，驱动电路，保护电路， 接口电路于一体，含有电流传感驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现 了信号处理、故障诊断和自我保护等多种智能功能，既减小了体积减轻了重量，又提高 了可靠性，使用和维护都更加方便。因而电力电子的发展正在向大功率化，交频化和模 块智能化的方向大步前进。 3 1 本设计针对7 5 0 v 直流供电条件下的4 x 7 5 k w 交流牵引电动机牵引系统及4 c 4 m 驱 动模式的要求，对逆变器进行设计、开发。采用绝缘栅双极晶体管i g b t 作为开关元件 设计逆变器，具体设计内容包括主电路设计、驱动电路设计、控制电路设计、过电流、 过电压保护电路的设计，并对散热系统的设计方法进行了研究，要求逆变器配备数据通 信接口以便接收上层控制系统的控制指令。通过该逆变器，可将来自于中间直流电网的 直流电能转变为交流电能，带动负载( 异步电动机) ，从而实现有轨电车的牵引。通过 本课题的研究对牵引逆变器的国产化进行探索，满足现代有轨电车交流牵引传动系统的 需要，为将来实现地铁、轻轨等更大功率的交流传动系统做技术上的储备。 大连交通大学t 程硕+ 学位论文 1 1 2 现代有轨电车的技术特点 现代有轨电车与传统的有轨电车相比有以下特点： l 、速度高：现代有轨电车的最高设计速度一般可达6 0 - - - 8 0 k m h ，而以往的有轨电 车设计时速均低于4 0k m h 。 2 、噪声低：以往的有轨电车采用普通车轮，而车体与转向架间悬挂系统减振弹簧 采用的是板弹簧，减振性能不好，轮轨噪声较大；而现代有轨电车一般采用弹性车轮， 空气弹簧悬挂，因而减振性能好，噪声小。 3 、舒适度高：现代有轨电车具有良好的减振性能，噪声小，舒适度高。 4 、采用电空联合制动技术：在制动系统方面，城市轨道车辆有多种类型，与干线 铁路车辆相比，对城市轨道车辆制动装置的要求与之有许多共同之处，即不但要安全可 靠，操作灵活，而且制造、检修成本要低廉。但由于城市轨道车辆具有站间距离短，起 动、制动频繁，起动快、制动距离短、客流波动大等特点。同时，还应具有各种载客量 下保持基本一致的车辆制动率的性能。所以又有别于干线铁路车辆，其制动方式一般均 采用以电制动为主、空气制动为辅的气电联合制动方式。 5 、电力牵引采用交流传动：目前发达国家城市轨道车辆已完成由直流牵引向交流 牵引的过渡，而我国电力牵引领域正处于由直流牵引向交流牵引的过渡阶段。由于交流 异步电动机具有体积小，重量轻，维护容易、故障少等优点，而牵引装置的小型化，有 利于在总体布局相对紧凑的城市轨道车辆上安装。近年来，交流变频牵引技术和微机控 制技术在应用领域上取得突破，尤其是大功率电力电子器件方面的发展，更加促进了交 流传动技术的迅猛发展。因此现代有轨电车采用交流传动方式。交流牵引传动系统与直 流牵引传动系统相比，无论是电气牵引特性还是电气制动特性都有极大的优越性。 1 1 。3 现代有轨电车交流传动系统的现状 我国城市轨道交通的发展趋势表明，在进入2 1 世纪后，将需要大量技术先进的轨 道交通技术装备。但随着国外机电产品应用高新技术的发展，轨道交通的技术装备投资 在整体工程造价中的比例已越来越大，现在有的项目多达6 0 ，超过了以往土建工程费 用占大头的比例。出现这种现象的主要原因是，我国的一些轨道交通项目在初期发展阶 段还需要利用国外贷款，采用了外贷，附加条件就是要购买贷款国的技术装备，造价也 就随之而上升，而且以后还必须花大量外汇进口价格昂贵的备品备件，势必导致技术设 备长期依赖外国，日常维护保养受制于人。 2 1 为了改变这种状况，只有努力开拓轨道交 4 第一章绪论 通技术装备国产化工作，不断扩大产品国产化率，使外贷影响降到最低限度。因而技术 装备及产品的国产化，是发展我国轨道交通的长远之计。 目前我国的城市轨道车辆交流传动系统除了大连可以自主研发制造之外，大多数 依赖国外进口，不仅成本高，致使整车造价昂贵，而且对交流传动技术的快速发展产 生了限制作用。而逆变器是交流传动系统的执行器，因此城市轨道车辆牵引逆变器的 国产化应是目前的重点研究课题。 1 2 论文所做工作 本设计针对7 5 0 v 直流供电条件下的4 x 7 5 k w 交流电动机牵引系统按4 c 4 m 方式配置 逆变器时的要求，对逆变器进行设计、开发。采用绝缘栅双极晶体管i g b t 作为开关元 件设计牵引逆变器，具体设计内容包括： 1 、通过合理选择牵引电动机及牵引逆变器之间的匹配方式，并综合考虑有轨电车 电气制动的要求，通过牵引计算合理地此确定牵引电动机的基本技术参数，并 由此确定逆变器的主要技术参数。 2 、设计逆变器主电路并选择电路中所有电子器件。 3 、设计缓冲电路、过电流保护、过电压保护电路，并对散热系统设计方法进行了 研究。 4 、按照所选开关元件及牵引逆变电路的要求设计逆变器的驱动电路。 5 、对有轨电车交流牵引传动系统运行方式及牵引电机控制方式进行分析，确定交 流电机的控制方式，并依此设计以微处理器为核心的牵引逆变器的控制电路。 6 、设计逆变器的r s 4 8 5 通信电路，要求逆变器配备数据通信接口，以便接收上层 控制系统的控制指令。 通过该逆变器，我们可将来自于中间直流电网的直流电转变为幅值和频率可调的交 流电，进而控制三相异步牵引电动机的力矩，从而实现有轨电车的牵引控制。通过本课 题的研究对牵引逆变器的国产化进行探索，满足现代有轨电车交流牵引传动系统的需 要，为将来实现地铁、轻轨等更大功率的交流传动系统的国产化做技术上的储备。 本章小结 本章简要介绍了城市发展现代有轨电车的必要性和可行性，分析了现代有轨电车的 技术特点和交流传动技术的现状，概括说明本文研究课题所包含的主要内容。 大连交通大学t 程硕十学位论文 第二章现代有轨电车交流传动系统驱动方案 2 1 有轨电车交流传动系统的驱动方式 对于有轨电车而言，一般采用的是二个二轴动力转向架，整车具有四根动轴，每一 个动轴上有一台电动机。当牵引逆变器与牵引电动机配合工作时，牵引逆变器可能的驱 动方式有1 c 4 m 整车控制驱动方式、2 c 4 m 架控驱动方式和4 c 4 m 轴控驱动方式三种。各种 驱动方式的示意图如下： 1 、1 c 4 m 整车控制驱动方式 2 、2 c 4 m 架控驱动方式 图2 11 c 4 m 原理接线图 3 、4 c 4 m 轴控驱动方式 图2 22 c 4 m 原理接线图 6 第二章现代有轨电车交流传动系统驱动方案 图2 34 c 4 m 原理接线图 2 2 牵引逆变器驱动方式的确定 牵引逆变器的三种驱动方式的特点如下： 1 c 4 m 整车控制驱动方式：整车控制方式即是有轨电车的两个转向架上的四个牵引电 动机只由一个逆变器驱动，这种方式的优点是成本低，控制简单，缺点是对各动轴轮径 差要求严格。当各动轴轮径差较大时，即使各电动机的转矩一转速特性完全相同，仍将 出现负荷分配不均匀的情况，使各电动机以不同的转差率工作，造成各动轴功率极不均 衡，使有轨电车平均输出减少，且功率较大的动轮磨耗严重，同时会使各电动机电流大 小不一，温升不一样，且容易出现空转，整车粘着利用率低，而且一旦逆变器出现故障， 整车即失去动力，因而故障运行能力差。 2 c 4 m 架控驱动方式：此种方式是每个转向架配备一台逆变器，由逆变器驱动一个转 向架上的两个并联工作的牵引电动机，粘着系数高，其缺点是一旦逆变器出现故障，将 会失去一半的动力，对于运行十分不利。 4 c 4 m 轴控驱动方式：4 c 4 m 轴控驱动方式是每个逆变器只为一个牵引电动机供电， 每个电机的力矩均独立控制，此种控制方法的优点是不存在各牵引电动机并联工作时由 于轮径差及电机特性差异引起的功率不平衡问题，故障运行能力强，并且由于电力电子 技术的不断提高，逆变器成本逐渐降低，体积不断减小，4 c 4 m 轴控驱动方式是一种较为 理想的驱动方式。【5 1 7 大连交通大学下程硕十学位论文 综合考虑各种因素，如牵引电机功率平衡问题、故障运行能力及目前电力电子器件 成本等因素，采用4 c 4 m 轴控驱动式是一种较理想的选择，本文对牵引逆变器的研发即 是按这一驱动模式的要求进行的。 本章小结 本章通过对牵引逆变器可能的三种驱动方式即1 c 4 m 整车控制驱动方式、2 c 4 m 架控 驱动方式和4 c 4 m 轴控驱动方式进行结构、性能和匹配方面的优劣权衡比较，最终选定 采用4 c 4 m 轴控驱动方式，并简要说明了4 c 4 m 轴控驱动的技术特点。 8 第三章4 c 4 m 方式下牵引系统的主要技术参数 第三章4 c 4 m 方式下牵引系统的主要技术参数 3 1 有轨电车牵引系统主要参数的确定 牵引逆变器的作用是把中间直流电压变换成三相交流电压，按照交流牵引电动机 的调速控制策略为异步电动机提供幅值和频率可调的三相交流电压，进而控制交流牵引 电动机的转矩。 中间直流电压是现代有轨电车交流传动系统的一个重要参数，它决定了牵引逆变 器、异步电动机等系统主要电气设备的电压等级，在牵引功率一定的条件下，决定了牵 引逆变器的输入输出电流，进而决定了开关元件及主电路型式的选择，同时也决定了牵 引逆变器的体积和重量。现代有轨电车普遍采用直流牵引馈电方式，i e c 规定的直流牵 引馈电标准为d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 、d c l5 0 0 v 这三种制式，综合考虑系统供电距离、减 少变电所数量、有轨电车功率、每台逆变器控制电机的台数，电机起动转矩和恒功区宽 度，逆变器开关元件电压和电流等级等因素，还要考虑是否有利于减小牵引逆变器和牵 引电动机的工作电流，减小损耗，及减小牵引逆变器冷却系统的体积，便于车下电气箱 的整体布置，根据目前电力电子开关元件的发展现状，在我国现代有轨电车通常选用 d c 6 0 0 v ，并要求可在d c 7 5 0 v 的电压等级下工作。 在目前，适于d c 7 5 0 v 电压等级的逆变器开关元件主要有晶闸管、可关断晶闸管 g t o ，绝缘栅双极晶体管i g b t 及智能功率模块i p m 等。在这些开关元件中，晶闸管开 关频率较低，只用于早期的牵引逆变器，不适于目前对逆变器输出电压谐波成份的要求， 而且晶闸管属于半控元件，因此目前己不采用。而g t o 、i g b t 、i p m 均属全控型电力 开关元件，但i g b t 和i p m 比g t o 具有更高的允许开关频率，并且由于i g b t 和i p m 是压控型元件而g t o 属流控型元件，决定了i g b t 、i p m 的驱动电路比g t o 驱动电路 更为简单，且驱动电路所耗能量少，因此在耐压条件允许的前提下应优先选用i g b t 或 i p m 元件，耐压1 7 0 0 v 系列的i g b t 的出现使得i g b t 可用于中间电压为d c 7 5 0 v 的牵 引逆变器中。1 3 1 针对大连市现代有轨电车系统对车辆的要求，开发牵引传动系统的牵引逆变器，该 牵引传动系统的基本技术参数要求为：车辆定员2 4 2 人，满员2 9 2 人，按6 0 k g 人计， 车辆白重p o = 4 2 吨，车辆载重p = ( p o + 2 4 2 x 0 0 6 ) = 5 6 5 2 吨，在0 - - 3 0 k m h 时的平均起动 加速度为o 8 5 m s 2 ；3 0 - 7 0 k m h 范围内车辆实施恒功率牵引控制，车辆最高速度按 8 0 k m h 计，且在平直道上应保证车辆运行于最高速度8 0 k m h 时应保证车辆至少具有 0 2 m s 2 的剩余加速度，齿轮箱传动效率为o 9 7 ，阻力公式取为w = 2 7 + 0 0 0 4 2 v 2 ( 式 9 大连交通大学工程硕士学位论文 中v 单位为公里4 , 时，w 单位为n t ) ，根据线路和车辆的技术要求，按照 t b t 1 4 0 7 1 9 9 8 列车牵引计算规程进行牵引计算： p ：f v ：( c o g - i - g x1 0 0 0 口l y g 。 = 【( 2 7 + 0 0 0 4 2 8 0 2 ) 5 6 5 2 + 百5 6 5 2 0 2 】8 0 = 2 8 6 k w 若取有轨电车的总功率为3 0 0 k w ，而有轨电车需配置4 个电动机，该牵引电机在 3 0 k m h 时完成启动加速，进入恒功率段运行，为有轨电车提供3 0 0 k w 的牵引功率，因 此牵引电动机的功率为4 7 5 k w 。 电机平均效率取为8 5 ，电机额定功率因数为o 8 6 ，当逆变器与牵引电动机配合 工作时，希望在恒功率范围内逆变器输出的交流电压和电流的有效值变化不大，因此可以 将恒起动加速段最高速度时逆变器的输出功率的1 5 倍作为其容积功率，这样可有效地 降低交流系统成本。按牵引工况计，若系统采用4 c 4 m 驱动方式，有轨电车逆变器容积 总功率计算值为1 5 x 4 x 7 5 0 8 5 0 8 6 = 6 1 5 k v a ，采用4 c 4 m 驱动方式时，逆变器配置为4 x 1 5 0 k v a 。 另外，有轨电车制动频繁，因此要求电气制动在全速范围内发挥主要作用要求。为 充分发挥交流传动系统优越的电气制动特性，在最高制动位时要求牵引电机在5 4 0 k m h 内实施恒力矩电气制动，电机发出额定力矩；在4 0 一- 8 0 k m h 内实施恒功电气 制动，通过一个牵引逆变器反馈的电功率为p = 7 5 x 4 0 x o 8 5 3 0 = 8 5 k w ，故中间电压为 7 5 0 v 时： ，：兰：! ! 兰! q ：11 3 彳，r ：旦：6 6 q u7 5 0x2 i ： 按电气制动工况确定逆变器的容量为1 2 x 8 5 = 1 0 2 k v a ，综合牵引和制动工况的要求 逆变器容积功率取为1 5 0 k v a 。 因此在d c 7 5 0 v 供电条件下牵引逆变器的主要技术参数必须考虑兼顾电气牵引及 电气制动工况要求确定的，有轨电车主要应考虑电气制动的要求，其结果为： 臣 = 7 5 0 v ，逆变器基波最高线电压有效值= 竺= 5 8 5 v 7 输出电压三相a c0 - 、- , 5 5 0 v 额定输出容量1 5 0 k v a l o 第三章4 c 4 m 方式下牵引系统的主要技术参数 3 2 逆变器与牵引电机的匹配方式 对同样牵引特性的要求，可采用不同容量的交流牵引电动机及牵引逆变器，系统 中电机及逆变器的容量与二者的匹配方式密切相关。交流传动系统逆变器与牵引电动 机的匹配可以由不同容量的逆变器与牵引电动机的来得到。主要的匹配方式有以下三 种： a ) 彳仁 j 、- ! j 图3 1 按v b 确定电动机尺寸时颠覆转矩包络线， 及提高电压获得恒功率特性 a ) 颠覆转矩包络线b ) 恒功率特性 ( 1 ) 、大逆变器与小电动机的匹配： 如果异步电动机在基速v 。上发出的转矩恰好等于它的最大转矩或颠覆转矩，( 假 设运行转差率为s 。) ，与之相应，机车提供所要求的牵引力，那么，若从到v 一的 速度区内，逆变器输出电压保持不变，而仅频率增加，电动机处于磁场削弱状态，电 动机颠覆转矩m 一( 1 六) 2 o c1 v 2 随速度的二次方下降。所以，电动机的转矩一转速 特性偏离并处于所希望的恒功率曲线m 。0 ( 21 v 之下，( 图3 1 a ) 的阴影部分) 。按v 。 来确定电动机尺寸时其转矩转速特性小于恒功率要求的部分。电动机电流自v b 开始也 逐步减少。对于逆变器来说，仅在1 ，。这个速度点上处于最佳状态。为了获得恒功率曲 线，逆变器的输出电压不能保持恒定不变，而应当继续提高。如图3 1 b ) 所示该电压按 ”。o c 1 ，。的规律变化，并，= v 一时，u 。= u 锄积，恒功率区越宽，电压的提高越多。 在这种情况下，逆变器必须按启动时的最大电流，一和相应于最高速度的电压u 。进行 设计。虽然所希望的恒功率是得到了，但逆变器的成本提高了，而且逆变器的利用率 大连交通大学t 程硕十学位论文 很差，因为无论在什么情况下，都不会同时出现最大电流和最大电压，但对于电动机 来说，在整个速度范围内，都能最好地利用转矩方面的设计能力。按照这种方式确定 的逆变器的尺寸最大，而于电动机的尺寸最小，所以，这是大逆变器与小电动机的匹 配。吲 图3 2 按舣确定电动机尺寸的颠覆转矩包络线 ( 2 ) 、小逆变器与大电动机的匹配 如果牵引电动机不是对速度点1 ，。而是对1 ，。，确定尺寸，即所设计的电动机在速度为 v 一时发出的转矩恰好等于电动机颠覆转矩，机车提供所要求的牵引力。因为从到，一 的速度区内，在频率增加时，逆变器的输出电压保持恒定，那么，电动机颠覆转矩从_ i ，。 开始按m o c ( 1 v ) 2 的规律增加，其数值偏离并远在恒功率要求的m 一芘1 v 的曲线之 上，两者之差为图中阴影区。在1 ，。以下的各个速度点，电动机能够发出比恒功率要求 大得多的转矩。所以，电动机在转矩方面的设计能力，在这样一个宽度的速度范围内都 没有得到充分利用。但对逆变器来说，从到1 ，。，电压随频率成正比提高，在，。时到达 额定功率。在进入恒功率区之后，电压不再变化，而且逆变器几乎在整个速度区内保持 电流不变。这对于确定逆变器的尺寸，无疑是一个有利的条件。因此，在这种条件下， 电动机在一个大的速度范围内没有被充分利用，但逆变器找到了它的最有利的工作方式 和设计参数。这是小逆变器与大电动机的匹配。 ( 3 ) 、介乎两者之间的折衷的逆变器与牵引电动机的匹配方案 即取小逆变器与大介乎两者之间的折衷的逆变器与牵引电动机的匹配方案即取 小逆变器与大牵引电动机的匹配和大逆变器与小牵引电动机的匹配之折衷方式。本设计 即采用了这种匹配方式，最终选择逆变器容量大于按最小逆变器与最大电动机匹配方式 1 2 第三章4 c 4 m 方式下牵引系统的主要技术参数 确定的逆变器的容量。在这种情况下，虽然逆变器和牵引电机都不是最佳的，但是如果 能根据实际运用需要合理选择恒功率区的宽度，对于整个系统的优化，特别是提高系统 的经济性，显得十分重要。1 6 1 为此，最终选用牵引电动机功率为7 5 k w ，牵引逆变器容积 功率为1 5 0k v a ，交流传动系统的基本参数如下： l 、牵引电动机额定功率：p n = 7 5 k w 频率：f = 4 0 h z 额定电压：u n = 5 5 0 v 额定电流：i n = 9 5 a 2 、牵引逆变器容积功率1 5 0k v a 最高电压a c 5 5 0v 最大电流2 0 0 a ( 电机启动时最大启动电流的对应的过载系数 取为1 7 - - 2 倍) 本章小结 本章根据对有轨电车的主要技术要求进行牵引计算，确定了牵引电动机的功率等级 和电压等级，并依此对牵引电机进行选型，通过对供电条件、牵引电动机基本参数及与 牵引逆变器的配置方案的研究，以及对牵引逆变器与牵引电动机匹配方式的分析，确定 了牵引逆变器的主要技术参数。 大连交通大学工程硕士学位论文 第四章逆变器主电路设计 4 1 主电路形式 逆变是整流的逆过程，直流电通过逆向变换得到电压和频率可调的交流电直接供给 负载的逆变电路，因其输出端没有电源又称之为无源逆变电路，而这种电路基于选择电 容器和电抗器两者不同的储能元件，逆变器可分为两种，即电流型逆变器和电压型逆变 器。对于电流型逆变器因其谐波成分较大，难以控制，现已很少采用。现代有轨电车交 流牵引系统的逆变器现多采用电压型逆变器。在电压型逆变器中，电容器作为中间回路 的储能源件，它接受向中间回路提供的瞬时电流与从中间回路取用的瞬时电流之差，并 使电压保持恒定。 + 图4 1i g b t 二点逆变器的相构件电路图4 2 ig b t 三点式逆变器相构件电路 在目前交流牵引采用的逆变器主要有电压型二点式及电压型三点式两种形式。三 点式电路主要优点是在中间直流电压一定的前提下可降低对开关元件耐压等级的要求 并可改善牵引逆变器交流输出波形，谐波特性好，对电力电子器件耐压条件要求低，缺 点是其结构复杂，如图4 2 所示。目前随着电力电子技术的发展，作为开关元件的i g b t 的耐压等级不断提高，已经完全适于7 5 0 v 直流输入电压的牵引逆变器的需要，而且由 于i g b t 的开关频率较高，即使采用二点式逆变电路，异步牵引电动机谐波电压、谐波 电流成份仍可被降至在允许的范围内。因此，现代有轨电车采用耐压1 7 0 0 v 系列的i g b t 做开关元件的二点式逆变器，( 见图4 1 ) 即可满足牵引的要求，而不必采用结构及控 制方式均较复杂的三点式逆变器。 1 4 第四章逆变器主电路设计 主电路采用的电源型逆变器结构，如图4 3 所示，由控制逆变器的功率开关器件的 导通或者关断，在输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲。通过改变脉冲的宽度控制逆 变器输出交流基波电压的幅值，改变调制周期控制输出频率，从而在逆变器上同时进行 输出电压幅值和频率的协调控制，实现变频调速。 牵引逆变器的主电路包括支撑电容充电电路、滤波电路、三相逆变电路和缓冲电路 四部分。其中支撑电容充电电路是用于对滤波电容进行预充电；滤波电路是用于对直流 输入电压进行稳压和滤波；三相逆变电路是用于将输入直流电逆变为幅值和频率可调的 三相交流电；而缓冲电路用于吸收功率模块开关过程中出现的尖峰电压。这种电路结构 具有控制方式相对简单、结构紧凑和可靠性高的特点。图中v t l - - v t 6 表示六个开关管； d 1 、 d 6 为六个开关管对应的续流二极管；c s l c s 6 表示每个开关管对应的缓冲电路； c f 表示直流端滤波电容；a 、b 、c 表示三相输出端，直接与电动机定子三相端相连。 图4 3 逆变器主电路示意图 v d s 2 1 支撑电容滤波储能电路 为了直流脉动电压平滑，在整流桥的输出端的直流母线上并接电解电容进行滤波并 储能。本系统采用额定电压为4 5 0 v 的电解电容，应用在7 5 0 v 直流电网下，考虑最高 电压可达1 0 0 0 v ，故支撑电容采用3 个4 5 0 v 电解电容串联的方式工作。 2 反馈二极管 反馈二极管的主要功能有：电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量；当频率 下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过反馈二极管返回给直流电路；同一 大连交通大学工程硕士学位论文 桥臂的两个逆变管交替的导通和截止，在这一换相的过程中，也需要反馈二极管提供通 路。在本主电路中，反馈二极管由开关元件自带的反向并联二极管充当。 3 制动电阻和制动单元 电动机在工作频率下降时，将处于再生制动状态。拖动系统将动能反馈给直流电路 中，使得直流母线电压升高，可能达到危险的地步。这时需要驱动制动单元，为放电电 流流经制动电阻提供通路，将再生到直流电路的能量消耗掉，使直流母线电压保持在允 许范围之内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的，制动电阻要求采用等效电感较小的 无感电阻。 4 、缓冲电路 i g b t 的缓冲电路功能侧重于开关过程过电压的吸收与抑制，这是由于i g b t 的工作 频率很高，因此很小的电路电感就可能引起颇大的d i d t ，从而产生过电压而危及i g b t 的安全。采用i g b t 的这种保护电路，可以在i g b t 开通和关断过程中提供防止瞬态电 压的最佳保护，将迅速、可靠地使运行轨迹保持在额定安全工作区的界限之中。 4 2 开关元件的选择 交流变频技术是建立在电力电子技术基础之上的，电力电子器件的发展为交流调速 提供了物质保证。5 0 年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶 梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速。然而由普通晶闸管组成的逆变器 用于交流调速必须附加强迫换流电路。7 0 年代初研制的门极可关断晶体管( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) ，简称g t 0 ，到9 0 年代中期，随着高功率、大电压g t 0 元件的出现，日 本和西欧许多国家很快就研制出了用于城市轨道交通电动车组的6 0 0 k v a 以上的g t 0 变 频器。g t 0 逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小4 0 以上，总重量也大为减轻。由 于门极关断晶闸管g t 0 不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了6 4 左右。然而， g t 0 对门极关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏g t 0 器件，因此门极控制电路 比较复杂，此外g t 0 的饱和度较浅，所以管压降较大，因此为保护管子而设置的缓冲电 路中的损耗也较大 随着科技的不断进步，开始出现了i g b t 等功能更加完备的器件。i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是由美国g e 公司和r c a 公司于1 9 8 3 年首先研制的，当时容量仅 5 0 0 v 2 0 a ，且存在一些技术问题。经过几年改进，i g b t 于1 9 8 6 年开始正式生产并逐渐 系列化。至9 0 年代初，i g b t 已开发完成第二代产品。目前，第三代智能i g b t 已广泛应 用，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的i g b t 。在这个不断发展的过程中，器件 1 6 第四章逆变器土电路设计 的电压、电流的定额以及其他电器特性均得到了很大的改善。大功率半导体性能的不断 提高，使变频装置发生了根本性的变化。从而促进了逆变器的广泛发展和应用。 绝缘栅双极晶体管( i s o l u t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - - i g b