（电气工程专业论文）广州地铁2号线列车牵引系统分析.pdf

北京交通大学专业硕士学位论文摘要 摘要 广州地铁2 号线列车是首个在国内设计和生产的d c l5 0 0 v 供电的a 型地铁车，它的运行和维护特征与以前的d c 7 5 0 v 供电的b 型地铁车有着 明显的不同。国产a 型地铁车是地铁行业多年来努力研发的结晶，是铁 路系统对国际技术消化吸收后再创新的结晶。 本文着重介绍了该地铁列车的牵引传动系统。牵引系统是城市轨道 车辆的重要组成部分，本文对广州地铁2 号线牵引传动系统的各个主要 组成部分的结构、特点进行了论述，重点对牵引逆变器和牵引电机以及 它们的控制原理和方法进行了深入的分析。并通过系统部件试验和列车 牵引性能的试验对该牵引系统的设计、控制功能和列车的牵引电制动性 能进行了检验。 关键词：牵引系统，牵引逆变器，i g b t ，门极驱动，牵引电机， 功能控制，牵引力，制动力，防空转防滑，故障诊断 北京交通大学专业硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a i no fg u a n g z h o ul i n e2i st h ef i r s tat y p et r a i nw h i c hi s d c l5 0 0 vp o w e rs u p p l y i t so p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec h a r a c t e r i s t i c h a so b v i o u sd i f f e r e n c et ot h ed c 7 5 0 vp o w e rs u p p l ybt y p et r a i n t h e t r a i nt y p ei st h ec r y s t a z a t i o nw h i c hr a i l r o a ds y s t e mu n i o np r i m i t i v e i n n o v a t i o ni n t r o d u c e st h e c r y s t a i i z a t i o n ， w h i c ht h e d i g e s t i o n a b s o r p t i o ni n n o v a t e sa g a i n t h ea r t i c l ei n t r o d u c e e m p h a t i c a l l y t h et r a c t i o n s y s t e m o f g u a n g z h o ul i n e2t r a i n ，t h et r a c t i o ns y s t e mi st h ei m p o r t a n tp a r to f t h em e t r o ，t h ea r t i c l ed e s c r i b e dt h es t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e ro ft h e s y s t e m ，a n dm a i ni n t r o d u c e dt h et r a c t i o nc o n t r o lm o d u l ea n dm o t o r a n dr e l a t i v ec o n t r o lr u l e s a n dt h r o u g ht h es y s t e mt e s ta n dt h et r a i n t r a c t i o np e r f o r m a n c et e s tt oi d e n t i f yt h ed e s i g na n dc o n t r o lr u l e sa n d e l e c t r o n i cb r a k i n gf u n c t i o n k e y w o r d s ：t r a c t i o ns y s t e mm o t o rc o n v e r s i o ni g b tg d u m o t o rf u n c t i o nc o n t r o it r a c t i o ne f f o r t b r a k ee f f o r tf a u l t d i a g n o s i s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的 规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字e t 期：年月i t签字日期：年月日 北京交通大学专业硕士学位论文 摘要 致谢 本论文的工作是在我的导师姜学东副教授的悉心指导下完成的，姜 学东教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响， 姜老师丰富的学识和悉心的指导，帮助我对电气工程这一学科有了更深 的了解，在此衷心感谢三年来姜学东老师对我的关心和指导。 文龙贤高级工程师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习 上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向文龙贤老师表示衷心 的谢意。 北京交通大学专业硕士学位论文绪论 1 概述 近几年，我国的城市轨道车辆行业得到了迅猛的发展。为了不断满 足城市轨道车辆的各项要求，车辆的种类、性能、档次也不断的提高， 车辆上牵引系统也在不断的发展。发展轨道交通已经成为解决城市交通 拥挤的主要手段，牵引传动系统是地铁车辆的核心部件，牵引系统的发 展是城市轨道交通发展的基础。 ，? 牵引高压电路、牵引逆变器和牵引电机是地铁列车设备正常工作的 基础部件，有很高的要求，包括使用要求和电气性能的要求。比如，高 的可靠性、好的维修性、轻便的体积重量、较低的价格及使用费用等。 所以在牵弓i 控制方面的研究是非常重要的近年来，随着我国城市人口的 膨胀、国民的和环保节能理念的推进，城轨交通的升温已成为不争的事 实。轨道车辆按照其供给电压有d c 7 5 0 v 、d c l 5 0 0 v 、a c 2 5 0 0 0 v 等等。在 电力技术和微电子技术的强力支持下，d c l5 0 0 v 供电、以i g b t 为关键部 件的牵引逆变器、交流异步电机组成的交流传动系统以其固有的优越性， 在轨道牵引领域，尤其是在地铁等以直流电网供电的电动车组中的得到 迅猛发展。 本文通过对长春长客一庞巴迪轨道车辆有限公司设计、生产的广州 地铁2 号线车辆牵引系统的研究，深入的分析了： 1 i e g t ，i g c t ，m t o ，i g b t 等电力电子元件的基本特性和应用发展 2 基于大功率电子原件i g b t 的牵引逆变器的控制电路及其原理 3 脉宽调制型逆变电路的工作原理、控制方法、波形分析 4 交流异步电动机及其控制技术，交流调速系统的基本类型，基本 原理和典型电路分析 5 牵引系统主电路的主要功能的结构和控制原理 6 并通过牵引系统在试验室内的部件试验和在装车以后的列车牵 引性能试验对广州地铁2 号线的牵引系统和列车的牵引和电制动 性能的产品和设计、控制原理进行了验证 7 在试验和维护过程中出现的系统本身和外部的各种故障的总结， 深入的分析了各种故障发生的原因和解决办法 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 目前列车已经在广州载客运营了将近七十万公里，运营状态良 好，此系统是广泛应用于地铁、轻轨的d c i5 0 0 v 供电的牵引系统， 这种交流传动系统技术是当代发展极为迅速，应用十分广泛，最引 人注目的高技术之一，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技 术，目前在国内外地铁车辆上有着非常广泛的应用。 1 1国内外地铁车辆的发展 18 6 3 年，世界上第一条地铁在英国伦敦建成通车，标志着城市快速 轨道交通在世界上诞生。随后美国、英国、法国、匈牙利、奥地利等5 个国家的7 座城市相继修建了地铁，地铁交通大大的缓解了现代化城市 的交通拥堵问题。 我国在建国以后，地铁交通也逐渐的发展起来。由最早的只有北京 和天津两个城市建设了地铁以外，近几年上海、广州、深圳、沈阳等多 个城市建造了多条地铁线路，这同时也促进了城轨车辆及其子系统的设 计和生产技术的快速发展。自从交流牵引传动技术问世以来，在短短的 数年间，新设计、新材料、新工艺得到了不断的发展和应用，主要包括： ( 1 ) g t o 晶闸管替代快速晶闸管。19 8 8 年瑞士私营铁路定购的地铁车 辆首先采用了g t o 晶闸管逆变器，开创了牵引逆变器的新篇章。 ( 2 微处理器代替了模拟控制装置。除了16 位的芯片外，目前批量生 产的交流传动机车上，已经成功的应用了3 2 位告诉信号处理器。 ( 3 ) 具有高动态性能的磁场定向控制和直接转矩自控制方法代替转差 一电流控制方法。 ( 4 ) 具有更好的冷却效果，并利用环境保护的变流器水冷却系统开始 装车使用，目前有用去离子水和用普通水的两种结构。 ( 5 ) 采用3 点式电路，d c l5 0 0 v 直流供电的机车研制成功，并且已经 大批量的投入使用。 在这个时期内，还研制成功了蠕滑率控制器、粘着控制器，以取代防空 转滑动装置，研制成功了特大功率的交流异步电动机，该技术目前已经 趋于成熟，目前正朝着大容量、高性能的方向发展。可以预计在不远的 将来即可全面的取代直流传动的机车、动车和城轨车辆。 2 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 1 2广州地铁2 号线列车概况 广州地铁二号线列车是由国际知名企业庞巴迪公司与长春轨道客车 股份有限公司联合设计并制造的，代表着国际的先进水平，是首个在我 国设计和生产的采用d c l5 0 0 v 供电，并使用i g b t 原件进行牵引控制的 交流传动地铁列车，这个系统的引进和在国内生产，标准着中国的城轨 车辆设计和制造技术向国际最高水平迈出了第一步。 1 2 1 列车编组 列车由“t 。 、“m ， 、“m 三种基本类型的车辆构成，6 辆编组，如图卜1 。 列车编组型式为： 一t c 木m p ：l cm = m 木m p 木t c 一 其中每个一t 。木m ，木m = 单独构成可动车的单元车 其中：t 。为拖车( 带司机室) m ，为动车( 带受电弓) m 为动车 一自动车钩 = 半自动车钩 术半永久车钩 动力轴 0 非动力轴 图贯通道 田( 互= k j 了囡 互了 互) 田 一te m p m = m m p t c 一 图1 - 1 勋车编组 1 2 2 列车牵引性能 列车在干燥、清洁的平直轨道上，在额定载荷、额定网压以及车轮 半磨耗状态下，牵引性能要求： 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 最高持续运行速度 设计结构速度 计算粘着系数 0 1 7 3 ) 冲动极限 平均启动加速度( o 3 6k m h ) 平均加速度( 0 8 0k m h ) 1 2 3列车制动性能 8 0k m h 9 0k m h 0 16 5( 或 0 7 5m s 3 1 0 m s 2 0 6 m s 2 列车采用电气和机械制动协调配合的制动方式，电制动由牵引系统 通过控制牵引电机来实施，制动性能要求在任何载荷及清洁干燥平直的 轨道条件下，符合下列规定： 平均常用制动减速度( 8 0k m h - - 0 包括响应时间) 1 0m s 2 平均紧急制动减速度( 8 0k m h - 0 包括响应时间) 1 3m s 2 紧急制动距离( 包括响应时间) 1 9 0 m 5 冲动极限 o 7 5m s 3 计算粘着系数 0 15 0 ( 或0 16 5 ) 1 3 牵引系统概述 牵弓 系统是列车驱动系统的重要组成部分，主要目的是把d c l 5 0 0 v 电压逆变成一个v v v f 三相电压给牵引电机，来实现列车的牵引和电制 动功能。在“牵引 模式下，系统通过线路向牵引电机供电。切换到“制 动”时，倒转电源方向，使牵引电机充当发电机( 发电) ，机械制动能量 转换成电能，重新反馈给电网，供给其它列车或者在制动电阻中消耗或 者通过制动电阻消耗掉。广州地铁2 号线列车的牵引系统的基本结构如 下： 4 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 匿l 一2 广她地铁2 号线牵 | 砖动系统示意匣 如图卜2 所示，该牵引传动系统由下列部件组成： 牵引逆变器 牵引异步电动机 高压主电路 过压制动斩波器 线路滤波器 接地故障探测装置 由此可见，这是一个典型的交流牵引传动系统。人们很早就认识到 交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是 牵引电机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来 的。交流传动机车所以成为现代机车发展的方向。正是由异步电动机的 特点和优点所决定的。 和传统的串激直流电动机骆动系统相比，交流异步电动机驱动系统 的优越之处表现在机械绝缘，耐热，耐潮，粘着，维修，效率，重量， 尺寸等诸多方面。 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 1 4 缩写和术语 为了介绍说明，下面是说明中使用的缩写和术语： d h c u m牵引逆变器计算机控制单元 l c b线路高速断路器 m c m牵引逆变器模块 m v b 多功能车辆总线 p w m 脉冲宽度调节 v c u车辆控制单元 t c m s 列车控制与管理系统 m i t r a c 庞巴迪公司的牵引与列车控制产品系列 c c充电接触器 s c隔离接触器 g d u门极驱动单元 6 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 2 牵引逆变器及其控制分析 2 1基本参数 每台动车配备一台v v v f 牵引逆变器，它将为四台并联的交流异步牵 弓 电机供电。每个牵引逆变器由一个3 2 位或更高位的微处理机控制，采 用i g b t 元件和模块化设计，p w m 的控制技术，并对制动展波器i g b t 的 温度进行监测和保护，并且根据实际线路的数据进行了牵引逆变器热应 力、牵引和电制动力的计算，满足现场实际情况的正常运行。逆变器模 块都是m it r a cc m - 1 2 型号，都是独立的单元，包括： 一一个d c 链接电容器 一三个逆变器输出相 一两个制动斩波相 一一个d c u m 控制单元 一一个供电单元 一i g b t 门极驱动单元 一两个测量输出相电流的电流传感器 一一个测量d c 链接电流的电流传感器 一一个测量d c 链接电压的电压传感器 一放电电阻 牵引逆变器的具体技术参数为： 一最大直流供电电压2 0 0 0 v 一持续输出功率9 0 0 1 5 0 0 k v a 一最大短时输出功率1 8 0 0 k v a - i g b t 额定值3 3 k v 1 2 0 0 a 为了便于维修，所以设计的逆变器拆除非常简便。模块通过位于列 车底架上的p a p h 箱前盖滑入。使用插入式连接器从模块侧面输入控制 信号。含有控制面板的电子箱安装在模块的前部。通过铜质母线接入逆 变器模块电源。 7 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 2 2基本特性 牵引系统应满足列车运行状态、运行模式的判别和控制，包括了： 运行方向、牵引、制动、惰行、快速制动、紧急制动、紧急牵引、洗车、 联挂运行等，并对某些需要限速的运行模式自动进行限速。 三相电动机控制牵引电机的力矩，通过将直流网压转化为均匀地变压变频的 三相电压。电力学制动，功率通过逆变器逆转，并将能量由三相转化为直流电压。 每相程有两个i g b t 模块，在模块中有一个带有反平等自由轮二极管的i g b t ，i g b t 通过g d u 由d c u m 打开并关闭，向门端提供电压信号，i g b t 的开关使相输出( u ，v a n dw ) 的电压在d c + 电压及d c 一电压间转化，该结果为一个可控的a c 相至相电 压。 逆变器控制由电动机模块( m c m ) 内基于电动机控制单元( m i t r a c d c u m ) 的微处理器完成，d c u m 及车辆控制单元间的通讯通过系列车辆 母线完成。d c u m 包括控制及保护牵引系统所需的所有功能，执行包括 力矩控制、速度测量及防滑的硬件及软件。功率半导体( i g b t ) 由d c u m 控制单元通过门驱动单元( g d u ) 进行控制，由d c u m 控制单元向门驱动 单元发出的信号通过光学纤维传递，给系统高电抗扰度。g d u s 也能检测相 的短路，每相程有两个g d u ：s ，每个i g b t 模块一个。g d u 配备有一个反馈指示电 压是否超过i g b t ，然而d c u 将获得d g u 及i g b t 实际状态的快速反馈，反馈很快给 出检测故障的可能性。电动机模块设计为控制及监控与逆变器平行连接的 四个牵引电机。为使严重故障发生时逆变器的损坏最小化，线路断路器 可由脱扣继电器立即打开。v c u 通过脱扣线路( 包括电机逆变器中的线 路继电器) 控制线路断路器。逆变器严重故障时( 保护性关断) 或如果 d c u m 阻断，则脱扣线路断开，立刻将线路断路器暂时打开。 2 3 大功率电力电子元件的应用 广州地铁2 好线列车的牵引逆变器是基于i g b t 这一大功率电力电子 元件。早期的大功率的变流器，例如牵引逆变器均基于晶闸管。对功率 元器件做一个回顾，有助于我们对于大功率元器件的应用和发展有更深 刻的了解。不难理解，更高电压，更佳的开关性能的大功率电子元件的 出现，将使大功率应用场合电路简化，降低了故障率和各种生产、维护 成本。 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 2 3 1电子注入增加栅晶体管ie g t 近1 0 年来，日本东芝公司成功开发了i e g t ，该器件兼有i g b t 和g t o 两者的某些有点：低的饱和压降：宽的安全工作区( 吸收回路容量 仅为g t o 的1 10 左右) ：低的栅极驱动功率( 比g t o 低2 个数量级) ： 和较高的开关频率等。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构， 可望有较高的可靠性。目前该器件已达到4 5 k v 2 1 k a 的水平。 2 3 2集成门极换流晶闸管( ig c t ) 由于晶闸管的擎制和少子调制效应，g t o 的通态损耗要比同等电压 等级的i g b t 低的多。为了改善传统g t o 的开关性能，瑞士a b b 公司和日 本三菱公司分别开发了集成门极换流晶闸管( i g c t ) ，具有不对称的正反 向电压阻断性能，通常适用于电压源p w m 。而其改进形式之一称为对称 型门极换流晶闸管( s g c t ) 具有对称的正反向阻断性能，后者主要应用 于电流源p w m 中。两种器件的外形照片如图3 所示。这类器件的特点是： 特殊的环状门极结构保证了器件具有快速的关断能力：低引线电感的集 成门极驱动电路保证了i g c t 的理想驱动和门极换流。因此，它们可以达 到很短的关断时间( 大致为1 5 u s ) 。同传统的g t o 相比，i g c t 中的电流 分布更均匀，同时安全工作区( s o a ) 增大了但是，由于i g c t 的开通过 程与传统的g t o 相似，仍必须限制其开通时刻的电流上升率，同时，为减 缓关断时i g c t 的端电压过冲，需要采用电压箝位电路 i g c t 的损耗低，开关快速，内部机械部件极少等优点使得i g c t 的成 本相对较低，同时结构紧凑，工作可靠，高效应用于3 0 0 k v a 一- - 1 0 m v a 变流 器，可部需要串联或并联目前，研制的i g c t 已达到9 k v 6 k a 水平，而6 5 k v 或者是6k v 的器件已经开始供应市场如串联使用，逆变器功率可扩 展到1o o m v a 范围的电力设备中因此，i g c t 可望成为大功率高压低频变 流器的优选功率器件之一 但是，从本质上讲，i g c t 仍属于g t o 系列，只是它解决了g t o 在实际 应用中存在的门极驱动的难题由于i g c t 门极驱动电路中包含了许多驱 动用的影响系统的总效率，而且其固定的关断电流使它在短路故障时无 法关断，需要特殊的短路保护措施 2 3 3m o s 可关断晶闸管( m t o ) 发展m t o 的直接目的是去除i g c t 集成驱动电路中所需的大量 9 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 m o s f e t ，这些m o s f e t 被集成到了功率器件的内部，因此m t o 外部的门极 驱动电路只有较少的元件，最重要的是不再需要i g c t 门极驱动电路中的 反偏电源，这样，器件具有更高的可靠性。测量显示m t o 关断的性能得 到提高，其关断延迟极短，这在短路时的电流限制能力对于硬开关变流 器具有较大的吸弓 力。 2 3 4 碳化硅器件 碳化硅( s i c ) 相对硅来说具有许多重要的优点：更高的击穿电场 ( ( 2 4 ) 10 6 v c m ) 和更高的运行温度能力( 最高至3 0 0 ) 。碳化硅 器件的电气特性和热性都非常好，开关损耗很低，而且其最高结温可达 6 0 0 。基于碳化硅的肖特基二极管目前已经产品化，其阻断电压高达2 k v 。测试表明碳化硅二极管即使在很高的d i d t 和端电压下仍然具有相 当低的反向恢复电流，因此可以大大降低硬开关变流器中二极管的关断 损耗和开通损耗 目前，碳化硅晶体缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在大功率器件 应用的主要制约因素，要用碳化硅材料生产电流和电压范围适用于中压 驱动应用场合的器件目前还相当困难尽管如此，碳化硅器件还是未来 在某些特殊应用领域代替硅器件的最有前途的新型器件 2 3 5i g b t 及其功率模块 2 0 世纪9 0 年代中期，4 5 k v 的g t o 得到广泛应用并在接下来10 年 内成为大功率变流器的首选器件一直到i g b t 的阻断电压达到3 3 k v 之 后，这个局面才得到改变与此同时，对g t o 技术的进一步改进导致了 i g c t 的问世，它显示出比传统g t o 更加显著的优点目前的g t o 开关频率 大概为5 0 0 h z ，由于开关性能的提高，i g c t 和大功率i g b t 的开通和关断 损耗相对较低，因此可以工作在1 3 k h z 的频率范围 i g b t 是一种电压全控器件，它的开通和关断时间可以通过门极驱动 电路加以调整i g b t 相对比较容易驱动并具有低的门极驱动功率i g b t 的最大优点是无需冲电路就能工作，并具有限制短路电流的能力尽管在 硬开关下i g b t 的开关损耗较高，但与带缓冲电路的g t o 变流器相比， i g b t 变流器的功率密度较高和成本较低 i g b t 常常封装成模块形式一个i g b t 模块实际包含很多的i g b t 芯 片，例如，一个比较典型的3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 的i g b t 模块中具有3 6 块i g b t 裸 芯片和超过4 5 0 根连线这些并联的i g b t 裸芯片固定在同一块陶瓷衬底 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 上，以保证良好的绝缘和导热，这类模块可以非常容易地安装在散热器上 但是，这种封装结构限制了i g b t 模块只能采取单面冷却，这就增加了在 大电流条件下造成模块过热损坏的可能性同时，为了保证裸芯片和导热 媒介的良好接触，需要严格的工艺和装配流程为此，进一步开发了陶瓷 封装的双面散热的i g b t 模块，这样使其在中压大功率应用中具有与圆盘 形封装双面压接的晶闸管或g t o 器件一样的高可靠性虽然大功率的 i g b t 模块具有一些优良的特性，例如：能实现d i d r 和d v d t 的有源控制 有源箝位易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的通态损耗，低 的硅有效面积利用率，损坏后会造成开路等缺点局限了大功率i g b t 模块 在大功率变流器中的实际应用 i g b t 采用沟槽结构，以减小通态压降，改善其频率特性，并采用 n p t ( n o n p u n c ht h r o u g h ) 技术实现i g b t 的大功率化i g b t 只比m o s f e t 多一个p + 导通区，控制极的结构与m o s f e t 相同，是绝缘栅结构，也称栅 极( g ) 其主体部分与g t o 相同，也有集电极( c ) 和发射极( e ) i g b t 兼具了大功率晶体管g t r 和m o s f e t 的优点，即有m o s f e t 的高 速，高输入阻抗，易驱动的长处，又兼有g t i 的通态降低，耐压高，可承受 大电流的优点在大功率电力电子器件的应用中，i g b t 已逐步取代g t o 和m o s f e t 成为主流器件 i g b t 的技术特点是开关速度比g t o 要高出10 倍：模块结构便于组装， 简化了装置结构：开关转换均匀，提高了其稳定性和可靠性：并联简单，便 于标定变流器功率等级：作为电压驱动型器件，只需简单的控制电路来实 现良好的保护功能目前，由i g b t 基本组合单元与驱动，保护及报警电路 共同构成的智能功率模块( ip m ) 已经成为i g b t 智能化的发展方向 在轨道车辆中，广泛采用了i g b t 模块来构成牵引变流器以及辅助电 源系统的恒频( c v c f ) 逆变器i g b t 模块的电压等级范围为12 0 0 v - 6 5 0 0 v 最初，德国降3 0 0 a 1 2 0 0 v i g b t 构成几百千伏安的逆变器，取代了工 业通用变频器中的双极型晶体管，用于网压为7 5 0 v 的有轨电车上之后 步久，德国和日本又将4 0 0 a 12 0 0 vi g b t 构成的三点式逆变器用于7 5 0 v 和l5 0 0 v 电网在中期阶段，针对牵引需要开发了适用于7 5 0 v 电网的 1 7 k vi g b t 和用于15 0 0 v 电网的3 3k vi g b t 模块，也称其为高压i g b t ， 这简化了牵弓 逆变器主电路的结构，仍可采用二点式逆变器在近期交流 网压下，机车上的中间电路电压取2 6k v - 2 8k v ，可采用阻断电压等级 为4 5k v 的i g b t 构成二点式逆变器，以提高机车运行的可靠性国外生 产的地铁或轻轨车辆辅助系统几乎都采用i g b t 器件，并且方案多样 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 我国引进法国a 1s t o r e 公司的2 0 0 k m h 动车组中，用i g b t 构成二点式 逆变器主变流器的开关元件使用了目前耐压高达6 5 0 0 v 6 0 0 a 的i g b t 器 件今后，i g b t 将向高耐压和开关频率，低损耗以及具有集成保护功能的 智能方向发展 2 4牵引逆变器的控制原理分析 牵引变流器的作用是在接触网或柴油发电机与牵引电机间进行电能 变换，必须能根据牵引与制动状态而改变能量的流向，并且易于高效率 地调节牵引力和速度，具有非常高的开关频率，这这一过程中，降低 了电压、电流的谐波成分，减小了电机的力矩脉动，减小了滤波电容、 电感。广州地铁2 号线采用的是电压型、三点式、直一交型变流器，并且 是通过p w m 脉冲宽度调制技术来进行控制的，以下将进行详细的分析。 2 4 1交流传动系统的结构和类型 交流传动系统根据结构的不同分为两种类型： ( 1 ) 电压型变流器 采用电容器作为中间回路的储能器，提供恒定不变的逆变器输入电 压，见图2 一l 。适于单机和多机传动。 ，一 謦7k“ l 一 ， li n 【 矿 一惫，旷。 、 z ，ui 毫 l - 一三 ，毫 y i ；歹e # 辜l p p迸。 工j i i 电压变换中间储能器 电压，频率变换异步电动机 图2 - 1 电医型变流器原理 ( 2 ) 电流型逆变器 1 2 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 采用电抗器作为中间回路储能器，保持中间回路电流强度恒定，具 有很大的内阻抗，适合于单电动机传动，如图2 - 2 。 l u ? 王 ， 0 l ? z 。， 丁 i? y x 蔓， ty ， 、 li 7i 点 i zl ， ，r r ；kl ii i 7 整流器中间储能器逆变器电动机 图2 2 电流型逆变器 2 4 2 变流器的工作原理分析 目前使用比较广泛的变流器主要有两种，一种是交一直交牵引变流 器和牵引逆变器，前一种主要用于a c 供电的动车组上，后一种主要用 于d c 供电的地铁列车上。电力牵引交流器的基本功能是把来自接触网 的电压变换为可调频率和可调幅值的电压或电流，供给牵引电动机。 直一交变流器( 逆变器) 的电路是把直流电变换为交流电；输出交流 的幅值和频率可变，适合于不同场合。逆变器可分为独立关断逆变器和 顺序关断的逆变器。半导体器件的导通和关断是任何电路、任何一种方 式的基础。顺序关断与半导体器件的工作方式有关，而独立关断与半导 体器件的工作方式无关。逆变器的电路的工作过程实际是四象限斩波器 电路，区别在于半导体器件的控制不同。 工作方式如下图2 - 3 所示： 1 3 北京交通大学专业硕士学位论支参考文献 q 【o3r 鼍一风1 v 3 u d _ 主 7 习一i _ ：= ”k - - 卜彳 _ r li 笛j【 l 岁 v 0 ， 【一二h ) 岁 匕j 躅2 3 逆褒器i 作鼹理 当v 1 和v 4 开通、v 2 和v 3 关断时，向负载提供能量： 当v 1 、v 2 、v 3 全被关断，只有v 4 开通时，负载的电感电压驱使电流 通过v 4 和v d 2 使沿原来方向流动；如下图2 4 所示 v l v d 全关断时，逆变器进入回馈状态。 口彳 o z 固2 - 4 电流方向示意 交流传动机车的主电路大致分为两种 ( 1 ) 二点式电路 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 二点式逆变器的波形如图25 所示 u a b 厂 t lf 1 一i 萄2 5 = 点式 二点式逆变器，把中间直流回路 上，控制原理见下图2 - 6 ： ；乱8 - 月叫$ 自m c 抽一m 州曲耙dm ”卦储m 十乎招v 8 ，c 洲 固2 - 6 二点式逆变罄 ( 2 ) 三点式电路 采用三点式逆变器，除了把中间直流回路的正极或负极送到电动机 外，还可以把中间直流回路的中点电位送到电动机上。圈2 7 为三点式 典型电路： 北京变通丈学专业硕士学位论文 参考文献 r r j【d 盟一 c n v 。 = h j n j r 一、2【n o r - 1 - i j r r 。jd _ ，l ( 1 j 号亍贸。 1 i z r 。：j【d 。 睡2 7 三点式典型电路 采用三点式电路的优点： ( 1 ) 其输出端电位在+ l l d 2 和0 之间或者在0 和一u d 2 之间变化，可减 少半导体器件的阻断电压，为输入端直流电压的一半： ( 2 ) 三点式逆变器的输出端电压波形比二点式逆变器包含较小的谐波分 量，可减少电压和电流冲击，从而有利于降低损耗、提高系统功率、减 少转矩脉动。 三点式逆变器的相电压波形如图2 8 和图2 9 所示： 盈：2 - 8 方波输 l固2 9 p w m 方式轻出 t ， u d f 2 o ur ，2 啊瓯。， 一i i i i “ 北京交通丈学寺业硕士学位论文 参考文献 三点式逆变器的及控制原理如图2 - 1 0 所示 置2 1 8 三点式逆变器的控翩躁理 2 4 3 脉冲宽度调制技术 脉宽调制( p w m ) 电压源逆变器控制的优点是输出量谐波成分减少， 改善转矩脉动情况，消除转动系统在低速运行时的齿槽效应，也使电动 机的损耗减少，效率提高。 电压控制p w m * 适于大功率传动，开关频率较低的系统； 电流控制p 霄m ：适于中小功率范围p w m 技术的基本原理是用一系列 矩形来代替正弦波，使两者面积相等见图2 一1 1 所示： 强z l l p w m 技术的基本骧理 姐豳皿 甫o 舶 l 州、 黼 ： 1 1 1 i l 竹r 。 0删u 。韭 一一 -r， 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 ( 1 ) 逆变器的电压控制p w m 技术：正弦脉宽调制s p w m 就是在主晶 闸管的开关频率f t 比参考正弦波的频率f s 更高，采用的有自然采样和 均匀采样。 自然采样：利用三角波对参考正弦波进行扫描。三角波也称为载波， 载波频率比见公式m f = f t f s 。s p w i d 逆变器的采样见图2 1 2 和图 21 3 所示： 舀2 一1 2 对穗撬痢采样躅2 一1 3 不对称规黜采样馘 电流源逆变器的优点： 由于有大电蒜抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多； 电路对晶闸管关断时间( 即晶闸管的快速性) 的要求比电压型逆变器 的要求低； 电路相对电压型也比较简单，造价略低 ( 3 ) p w m 逆变器控制原理请见下面的波形图2 - 1 4 ： 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 8 ) 相电压 b ) 线电压 ”“p 川” 爿。“。： 。卜j i h 引3 h 。 ：“。 ri 4 i ： 剖：；! | l 。 j = 。! 下- ”。l 。 车矸。 一 尊崩。 禹2 一h p _ m 逆变器桂翩醺理 2 5 驱动方向控制原理 电源流入逆变嚣的方向由操作模式而定。牵引过程中，电流从d c 一链接到电 动机；电制动过程中，电流方向相反。使用i g b t ( d c u m ) 牵引逆变器的控 制来控制m c m ，因此可以获得要求转矩。控制使切换频率得到最完善的 使用，并且使m c m 产生的电流谐波最小。这样，在牵引电机中能量损失 和转矩波动会达到最小。所有电机逆变器转矩参考都由v t c u 计算它也 是列车速度、列车负载、反射率限制和需要的牵引力的一个功能。所要 求的驱动方向由v c u 明确选择，方向通常由每个单独电动机的安装确定， 如如果电动机与头车安装在相同的方向，电动机的前驱动方向将与车辆 的前驱动方向相符。无论选择向前或向后基准力矩均设为零，指示无 故障。而且，仅在以下情况接受改变方向： 一v c u 无需牵引制动力 一速度足够低( ( 7k m h ) 一v c u 指挥至d c u m 的牵引方向。 必须经常指定驱动方向，如必须确定向前或向后，如果确定向前或 向后电动机停止，无论向前或向后驱动，电动机同时停止并指示故障驱 动方向。每个m c m 操作从d c 链接得到的电压，向四个三相异步牵引电机提供可 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 变电压和可变频率。m c m 有三个主要子系统：三相逆变器、d c 链接电容器和过压 制动斩波器相。内部计算机( d c u m ) 控制和监督这三个系统。在m c m 中有一个电 源为本地控制计算机、门极驱动单元和相关测量装置供电。 m c b l 电源电路和它的相关设备在图2 - 1 5 中显示。 d c + d c 图2 1 5 一个m c m 的简易电路图。 2 6 牵引制动力大小控制 来自于车辆控制单元牵引制动力基准成比例，并根据下图所示的限制，正牵 引制动力作为基准牵引力处理，负牵6 i i n 动力基准作为制动力基准力处理，如 图2 - 1 6 。 l 一一一一一 图2 1 6 牵引翻动力及d c u 艟限翩 北京变通大学专业硕士学位论文 参考文献 v t c u 传来的转矩参考由每个d c u m 修改并且根据d c 链接电容器 电压、牵引电机中和逆变器的温度、m c m 输出电流、车轴过速和空转滑 动控制来谓节，如图z1 7 所示。 i “二t j 翌i i b ! l j“+ ；搿 ” r 4 一垦常曙 l 。jli 慧， 强2 1 7 转矩参考控锄 d c u m 也对牵引电机进行保护和监督；每个里面的温度由p t l 0 0 测 量。为了防止空转和滑动，在每个牵引电机轴齿轮箱上安装有速度传感 器，并且由d c u m 监督。 门极驱动单元直接在高电位与i g b t 相连。d c u m 的控制信号通过光 纤传入门极驱动单元，并且由门极驱动单元返回一个反馈信号，指示i g b t 当前状态。门板驱动单元向门极的i g b t 传送脉冲信号。正极电压打开， 负极电压关闭。每个m c m 有三个相同i g b t 相位。 下图2 1 8 是一个相位的一个电路图。 圈2 1 8 一个l c b t 糨位帕电路强 北京交通大学专业硕士学位论文 参考文献 2 6 1 牵引力基准 牵引模块是最大的可用牵引力，速度根据力变化，基准0 10 0 与 可用牵弓l 力0 1 0 0 相符，作为车辆速度功能，根据车辆性能的参数设 置，如图2 19 所示的成比例的例子。 2 6 2 制动力基准 在制动模块中，最大可用的制动力决定速度，作为车辆速度功能， 基准0 10 0 与可用制动力0 10 0 相符的车辆性能。 2 。6 3 列车重量的修正 牵弓l $ q 动力基准与列车重量修正因素0 1 0 0 成比例，1 0 0 符合最大牵引 制动力( a w 2 ) 。 图2 1 9 作为车辆速麦功能的牵劭力基准例子 2 6 4 牵引力限制 由于最大允许的牵引力与下列因素有关，限制牵引制动力基准：最大电机速 度，冷却风扇无三相电，如果v c u 没有三相电，牵引力限制至最大5 0 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 2 6 5 制动力限制 由于最大制动力限制牵弓 力。作为车辆速度功能最大动态制动力首 先取决于可用制动力，根据车辆性能的参数设定。最大可用动态制动力 受以下因素限制：网电压限制，电机温度高，电动机温度高，制动电阻器温度 高，轮径差高，无效轮径，如轮径过低或过高，最大电机速度，冷却风扇无三相 电，如果v c u 没指示有三相电，制动力限制为0 ，有故障制动电阻器的冷却， 如果v c u 没指示有三相电，制动力限为0 ，最大可用动态制动力返回至v c u ， 尤其用在机械制动预混合的制动系统中。 2 6 6 牵引制动力基准 牵引制动力的基准的变更率由以下因素限制： 一获得基准力变更的平滑运行 一限制牵引及制动功率比变更以减小e m i 干扰 一限制牵引及制动功率比变更，以减小在弱网或弱供给状态下的网压干扰 由于车辆速度单独的限制用于增加及减少力基准与最大可用牵引力的非分 比部分爬升限度的设定，在需要施加快速制动时，如a t o 操作或紧急制动( e d 不用于g z 2 的紧急制动中) ，可通过设置发自v c u 的“快速增加制动功率 施加更 快的减小率。 2 。6 。7 实际的牵引制动力 实际的牵引制动力用于计算电机控制的牵引制动力，参阅第7 章，包括由 于滑动的限制。虚拟的牵引制动力用于计算电动机控制的牵5 l * j 动力，不包括 由于滑动的限制，在列车滑行时，在混合功能下虚拟制动力可用于代替实际的牵 引制动力，因而避免增加已经滑动轴的机械制动。 2 7 制动电阻器风扇控制 启动风扇的温度标准取决于车辆速度v ，当车辆速度低v v 。时， 为使在车站外部风扇的噪声最小，温度标准升高，如果车辆速度无效或 选择试验模块，速度设为连续的值，作为制动电阻器温度t 。，功能启动风 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 扇，如图2 2 0 所示。一个数字式输出控制风扇的启动，反馈为相应的数 字输入。 t h 圈2 - 2 0 作为温受及速度功能启动翩动电阻器风赢 2 8 线路功率限制 由于网压高或低产生网供电及牵引系统硬件，限制网功率，在制动 及牵引操作中定义不同的力矩标准，根据车辆性能设定的限制，如图2 2 1 所示。 ， 2 9 轴速测量 由齿轮电机侧的速度传感器检测轴速。由所有动轴上速度传感器接 收到的双脉冲信号，相变周围为四分之一周期，正相变表明为a 方向的 运动，负相变表明为b 方向的运动。旋转速度通过脉冲列车前缘间的时 间进行计算，脉冲的数量根据速度进行计算。测量每轴的轴速，计算平均轴 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 速及所有轴的平均速度，计算以轴径及齿轮比为基础。通过v c u 向d c u m 供电， 车辆控制单元由列车所有测量的轴计算车辆速度。车辆速度返回至所有d c u m 且 进一步用于滑动控制。平均轴速用于力矩控制，如图2 - 2 2 和图2 2 3 所示。 图2 - 2 2 速度传感器上的咏冲 2 1o轮径校准 图2 - 2 3 旋转速度的i - - 靠r 当允许校准轮径时，由v c u 传至d c u m 的车辆速度仅能以校准列车 为基础，允许校准1 0s ，其后车辆速度应返回至全程列车速度。 一个轴车轮的轮径值由车速及轴速间的差异综合值进行计算，原则如图 2 - 2 4 所示。计算轮径，例如限制综合仪的输出并存储在电池备份存储器 中，如果计算的轮径在规定的限制内则发出有效信号，最大轮径及最大 有效轮径有不同的限制，最小轮径及最小有效轮径有相同的限制。 图2 2 4 轮径校核的原则 北京交通大学专业硕士学位论文参考文献 2 11 滑动控制 即使在改变轮轨的情况下，滑动控制也提供可用粘着的高度利用。 滑动控制检查动轴的速度，在牵引模块及动态制动模块下检测车轮的滑 行，当检测到滑动时，减小电动机控制的参考力矩，直至滑行值在允许 的范围内。滑动控制的目的为： 一当轮轨间的粘着对于要求的力矩不够高时，尽可能用大力矩。 一减小参考力矩，这样动轴轮可以： 一在驱动过程中不会不受控制的滑行，不锁紧动态制动 一不超过最大允许滑行速度 如果驱动系统中有不可接受的扭转振动则减少基准转矩。如果制动 时有动态滑动，为防止磨擦制动系统补偿动态制动的临时损失，虚拟的 动态制动力也作为实际达到的制动力进行计