（电气工程专业论文）地铁辅助逆变系统研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e mi sa ne s s e n t i a lv e h i c l eo ft h ek e ye l e c t r i c a l p a r t s ，i ti sr e s p o n s i b l ef o r t h ea i rc o n d i t i o n i n gu n i t ，f a n ，l i g h t i n g , e l e c t r i ch e a t e r , s u c ha s l o a d s h a r i n gt op r o v i d eas t a b l et h r e e p h a s e38 0 vp o w e rs u p p l y m e t r ov e h i c l e sa sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h er e l i a b i l i t yo fi t so p e r a t i o nt h ew h o l es t a b l ea n dr e l i a b l e o p e r m i o no ft h ev e h i c l eh a v eag r e a ti m p a c t b a s e do nt h er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sac o m p l e m e n t a r yi n v e r t e rs y s t e m ，a n dp r o g r a m sc a r r i e do u t t ov e r i f yt h et h e o r ya n de n g i n e e r i n gt oa c h i e v et h eu l t i m a t es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m f i r s t ，o nt h em e t r os y s t e ma u x i l i a r yi n v e r t e rt o p o l o g ys t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ev a r i o u sm e t r oa u x i l i a r yi n v e r t e r p o w e rs u p p l ys y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n ti s a n a l y z e da n dc o m p a r e da f t e rt h ef i n a la n a l y s i sa n dt h ea c t u a ln e e d so ft h ep r o j e c t ，s e l e c t t h eb e t t e rp r a c t i c a lp r o g r a m s e c o n d l y , t h et e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t s ，t oa s s i s ti nt h em a i n c i r c u i to fi n v e r t e rs y s t e md e v i c e sn e e d e dt o c a r r yo u tt h es e l e c t i o na n dd e s i g n ， c o m b i n e dw i t hd e v i c e st oa b s o r bv o l t a g ea n dc u r r e n tv a l u e s ，a sw e l la sf r e q u e n c y , t e m p e r a t u r e ，m a n u f a c t u r e r sa n do t h e rf a c t o r st oc o n s i d e r , s e l e c tt h ea p p r o p r i a t em a i n c i r c u i td e v i c e s ，a n db ys i m u l a t i o nt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m n e x t ，a na n a l y s i so ft h em t rs y s t e ma u x i l i a r yi n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e a n a l y s i sa n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h ee n t i r es y s t e mw i t hd i g i t a lc o n t r o l s ，c o n t r o l c i r c u i tb a s e do nt i sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rc h i pt m s 3 2 0 f 2 812 ，u s i n gs v p w m m o d u l a t i o nm e t h o d ，p ir e g u l a t i o nt oa c h i e v et h em i d d l eo fd ca n da c o u t p u tv o l t a g e s t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，p a r a l l e li n v e r t e rc o n d u c t e das t u d yt oc h o o s et h er i g h tw a yt o a c h i e v eas y s t e mo fp a r a l l e lp a r a l l e l w i t ht h ee v e n t u a la d o p t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e , t h ee n t i r es y s t e m a f t e re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i si nl i n et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fad e s i g nf o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n sa n dp r o d u c t s ，p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h eb a s i so fp r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：m a t r o a u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e m ；h i g h - f r e q u e n c yi s o l a t i o n ；v e n t i l a t i o n c o o l i n g ；p a r a l l e l ；d s p ；s v p w mc o n t r o l c l a s s n o ：t m 4 6 1 v n 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： 签字醐伽7 年 砂少 月坍 聊签名：训勿缈f 签翔期：1 年多月彬日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：呵坳私字眺沙矽7 年 6 7 6 月节日 致谢 本论文的工作是在导师刘志刚教授的悉心指导下完成的。在攻读研究生学位 期间，刘老师不仅在做学问方面给了我很多实际指导和教诲，更在做人做事方面 为我树立了榜样。刘老师治学态度严谨，为人和蔼谦逊，待人热情诚恳，做事情 公平公正，这一切都对我影响至深，将成为我受用终生的财富。本文的理论研究 和实验工作是在刘老师的指导、关心和帮助下完成的，让我的专业理论知识和实 际动手能力得到了进一步提高。除此之外，刘老师还在生活上给了我莫大的支撑 和帮助。借此机会，我谨向刘志刚老师致以一名学生对恩师最崇高、最真挚的祝 福和感谢! 另外在实验室学习及撰写论文期间，实验室的沈茂盛老师、刁利军、牟富强、 李哲峰、林文立、张刚、王磊、梅樱等师兄师姐、孙大南、罗荣娅、苏颉等同学 以及陈杰、张超、陈超、客京坤等师弟都给予了我很大的帮助，使我在实验室里 度过了非常快乐和难忘的两年多时间。这些都是我的学业和毕设得以顺利完成的 重要因素。在此也向他们表示真心的感谢。 最后要感谢我的父母和、家人以及所有好朋友，正是他们的支持才使我能够 安心完成学业，衷心感谢你们。 第一章绪论 1 1 课题意义与背景 第一章绪论 辅助逆变系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的关键的电气部分，负责 为空调机组、通风机、照明、电加热器等交流负载提供稳定的三相四线制的 3 8 0 v ( 2 2 0 v ) 电源。 传统地铁辅助逆变系统通常采用旋转式电动一发电机组的供电方案。电动机从 d c 7 5 0 v 第三轨受电，发电机输出三相交流电压向负载供电。这种供电方式机组体 积大、输出容量小、效率低，电源易受直流发电机组况变化的影响，输出电压波 动大，可靠性差。随着电力电子技术的发展，辅助逆变系统已从早期的旋转式电 动一发电机组进步为静止式变流机组，即所谓静止辅助逆变电源装置，克服了旋 转式电动发电机组的供电方案存在的大体积、低效率、低可靠性等一系列问题， 提升车辆的性能，成为地铁车辆辅助逆变系统的必然选择。 同时，静止辅助逆变系统中采用的电力电子器件也经历了晶闸管( s c r ) 、大 功率晶体管( g t r 、b j t ) 、可关断晶闸管( g t o ) 和绝缘栅双极型晶体管( i g b t 或i p m ) 的发展过程。i g b t 或i p m 器件的电压等级也从1 2 0 0 v 发展到1 7 0 0 v 、 3 3 0 0 v 以及4 5 0 0 v 电压等级水平，除电压等级4 5 0 0 v 的i g b t 器件，其它电压等 级的在国外已有多家公司批量生产与供货。 地铁车辆均以直流电网供电，电网电压有7 5 0 v 和1 5 0 0 v 两种。辅助逆变系 统一般由给受电电路、电容器充放电电路、三相逆变器、交直流滤波电路及其相 关控制电路等部分构成。辅助逆变器的单台额定容量一般在几十千伏安至二百多 千伏安之间，属于中小功率的“直交型变流器。辅助逆变系统通常需要满足如 下基本要求： ( 1 ) 输出电压为三相四线制，输出电压和频率满足规定的精度要求。 ( 2 ) 在宽输入电压变化范围内，输出额定容量的工作能力。输出电压与频率应 能满足额定负载容量的正常工作能力。 ( 3 ) 输出电压为正弦波形或准正弦波形。在整个输入电压范围内，输出电压的 总谐波含量都要求小于规定值。 ( 4 ) 负载突变能力。具备允许空调压缩机、通风机、空压机等负载直接启动和 切除的能力，并且其输出电压的瞬时变化不超过规定值及在规定的时间内恢复稳 定，以满足在带有部分负载的情况下空调机、通风机、空压机等负载频繁投切的 要求。 ( 5 ) 一定的冗余度。一台辅助逆变器故障时，在切除部分负载的条件下，正常 工作的辅助逆变器应可同时向相邻的故障负载供电。 1 2 现代辅助逆变系统的主要特点 地铁静止辅助系统主要有变压器隔离和变流两个功能部分。变压器隔离部分 是为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电 源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通 过设计不同的匝比以满足电压值的需要；变流部分则是用来进行电能形式的转换， 辅助用电设备大都需要三相3 8 0 v 、5 0 h z 交流电源，因而要将波动的直流网压逆变 为恒压恒频的三相交流电。 上述两部分构成完善的辅助逆变系统。现代辅助逆变系统主要有以下特点： ( 1 ) 采用i g b t 或i p m 技术。早期的辅助逆变器采用的功率器件有晶闸管、功 率晶体管和g t o 等。i g b t 具有高开关频率、功率损耗低，自我保护能力强，电 路结构简单，无需换流和吸收电路，取代和控制电路简单等优点，它的使用减少 了输入与输出滤波器的体积和重量，减少了元件的数量，因而也增加了使用的可 靠性。 ( 2 ) 模块化的设计，可以实现模块化和简单统化的目标，并且充分地利用既有 空问，体积小，维护方便，成本较低，从而适应各种不同的地铁车辆，满足用户 要求。 ( 3 ) 高质量的输出电压，使标准的工业电机与压缩机负载和其它设备在地铁车 辆中得到可靠应用。 ( 4 ) 采用微机数字控制。随着计算机技术的发展，系统控制以高性能微机为基 础，在以p w m ( 脉宽调制) 控制为中心的控制运算中心部分采用数字信号处理器 d s p ，其强大功能促进了控制方式的不断发展，具有良好的稳定性、快速的动态响 应性能，适应性不断得到提高和优化。 1 3 本论文的主要研究内容和工作 本论文的研究对象基于实际的工程项目，研究并设计一个满足相关设计指标 的辅助逆变系统。 按照设计的思路，本文内容主要分为以下几个部分： 1 对地铁辅助逆变系统方案进行研究比较，选择合适的方案； 2 对选定的方案和控制方法进行建模和仿真，验证方案的可行性； 2 第一章绪论 3 主电路及控制电路的设计，并确保硬件的性能满足要求； 4 在以上基础上进行软件编写和调试； 5 最后进行实验验证。 3 第二章地铁辅助逆变系统拓扑研究 第二章地铁辅助逆变系统拓扑研究 本章对地铁辅助逆变系统的拓扑发展进行了研究，对各种地铁辅助逆变系统 方案及其供电方式的发展进行了分析和比较，分析了各种方案的优势和不足，同 时也阐述了地铁列车辅助逆变系统供电方式的发展和特点，最终经过综合分析并 结合工程实际需求，选择较优切实的系统方案，为后续章节对所选定的主电路拓 扑结构及控制方式进行了理论分析和仿真做好了准备。 2 1 地铁辅助逆变系统电路拓扑发展及特点 2 1 11 2 脉冲方案 两路逆变加变压器构成的1 2 脉波方案电路拓扑【4 】吲如图2 1 所示。以1 5 0 0 v 供电为例，其i g b t 的电压等级为1 7 0 0 v ，工作时开关频率低，波形质量好，串入 小型滤波器就可获得满意的输出波形，而且可降低噪声。 但这种方案所用开关器件是其两电平方案的两倍，成本高，目前，香港地铁、 北京国产化地铁、南京国产化地铁车辆用辅助逆变器均是采用1 2 脉冲控制技术， 尽管该技术有上述所说的开关频率低、波形质量好、损耗小等优点，但是主电路 复杂、功率器件多，特别是变压器设计制造复杂，单位功率体积质量大，在功率 较大和输入电压变化范围大的场合，这一缺点更加突出，目前，不趋向于采用此 方案。 图2 - 11 2 脉冲两电平逆变器 f i g u r e2 - 1t h e1 2p u l s et w o - l e v e li n v e r t e r 5 2 1 2 三电平逆变器方案 三电平逆变器是在传统逆变器基础上，通过对自身拓扑进行的改进，用来实 现高压大功率场合的应用【5 l 。三电平逆变器拓扑中的一个桥臂上有4 个电力半导体 器件，如图2 2 所示，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，可以实现桥臂 电压的多电平输出，从而使输出波形更加接近正弦波。 2 - 2 二极管中点钳位式二电平逆变器 f i g u r e2 - 2t h em i d - p o i n td i o d e - - c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 从三电平的工作原理可知，每个功率开关器件的耐压为母线电压的一半，与 传统的两电平逆变器相比，器件所需耐压降低了一半，因此这就解决了功率开关 器件对高压大功率能量变换的限制障碍。 此外，三电平逆变器较之两电平逆变器还具有：输出波形谐波更小、减少输 出电压波形畸变( t h d ) 、减小输出滤波电抗器体积、开关频率降低、开关损耗小 等诸多优点。 但是，这种方案同十二脉冲方案类似，所用开关器件是其他方案的两倍，成 本高，由于功率器件的增加，也增加了三电平逆变器的控制难度，考虑到器件数 量的多少以及体积重量等因素，也不趋向于采用此方案。 2 1 3 工频变压器隔离方案 6 第二章地铁辅助逆变系统拓扑研究 此方案采用的是两点式逆变器直接逆变，逆变之后采用的是工频变压器进行 隔离，l i o v 控制电源亦是通过工频变压器隔离后整流滤波得到，电路拓扑如图2 3 所示。 逆变器加滤波器直接逆变与工频变压器隔离，以1 5 0 0 v 供电为例，如采用直 接二点式逆变器方案，就要求采用电压等级3 3 0 0 v 的i g b t ，逆变器输出经过三相 滤波后，同时三相交流电压经变压器和整流后，可实现电源的多路直流输出1 7 1 。这 种方案主电路简洁，只有6 个高压i g b t ( 或i p m ) 构成逆变部分，这种电路的特点 是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便。 缺点是逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响，输出的电压品 质因数差、谐波含量大、负载使用效率低，为提高供电质量，满足规定的总谐波 畸变系数，改善输出波形，必须在直流侧以及变压器原边串入较高要求、较重的 滤波器，滤波器重量体积大同时也是噪声源。 图2 3 直接逆变与工频变压器隔离方案 f i g u r e2 - 3d i r e c tf r e q u e n c yi n v e r t e r 、历mi s o l a t i o nt r a n s f o r m e rp r o g r a m 2 1 4 高频变压器隔离方案 高频变压器隔离方案电路拓扑结构【6 】如图2 - 4 所示： 7 图 2 4 高频变压器隔离方案 f i g u r e2 - 4p r o g r a m o fh i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ri s o l a t i o n 直一直变换和高频变压器隔离方案，从减轻重量角度看，是较为理想的。此方 案在逆变器直流输入侧加入带高频变压器隔离的d c d c 变换电路，直流d c l l 0 v 控制电源，也采用直一直变换器来实现，独立于a c 3 8 0 v 变换电路，输出电压不 仅稳压精确，纹波度都达到很高要求，而且可靠性不依赖于a c 3 8 0 v 变换电路，与 静止辅助逆变器无关，也就不受逆变器故障的影响，有一定的好处。 其缺点是可靠性较前两种方案要差。如上海地铁二号线车辆静止辅助逆变系 统，采用高频变压器与逆变器方案，开关频率为6 2 0 k h z ，虽然输出波形很好地接 近正弦波，但由于开关频率高，开关损耗大大增加，致使寿命下降。目前上海地 铁二号线交流传动车辆上这类辅助逆变器经常出现故障。为此，若采用1 2 脉冲波 形，如上海地铁一号线直流传动车辆上的辅助逆变器采用的是1 2 脉冲方案，其开 关频率可大为下降，输出波形也已接近正弦波，然而开关损耗大为下降，模块寿 命显著提高，尽管已使用了近1 0 年，其故障率仍然很低。 2 2 地铁列车辅助逆变系统供电方式的发展 地铁车辆供电方式分为分散供电与集中供电【6 】。地铁车辆的编组方式大都采用 两动一拖( 3 节车辆) 构成一个单元，由两个单元( 所谓3 节编组) 构成一列车， 每节车辆均配备一台静止辅助逆变器，每单元共用一台d c l l 0 v 控制电源。每节 车辆的辅助逆变器的容量为7 孓- 8 0 k v a ，d c l l 0 v 控制电源( 兼作蓄电池充电器) 功率约为2 5 k w 。后来法国a l s t o m 公司生产的地铁车辆，改为一个单元中配2 台 静止辅助逆变器，每台容量为1 2 0 k v a ，且每台含d c l l 0 v 控制电源，功率为1 2 k w 。 8 第二章地铁辅助逆变系统拓扑研究 最近国外生产的地铁车辆，在6 节编组中，每单元只配一台静止辅助逆变器，容 量约为2 5 0 k v a ，直流d c l l 0 v 控制电源也一台，约2 5 k w ，即所谓的“集中供电。 这两种供电方式各有优缺点。分散供电其冗余度大，均衡轴重好配置，但造 价要大些，且总重量也会高些。而集中供电冗余度小，每轴配重难以一致，但相 对而言，总重会轻些，成本低些。采用集中供电也是与电力电子技术发展、电力 电子器件性能改善与可靠性的提高分不开的。从冗余度与轴重均衡出发，宁选分 散式供电方案，如图2 - 5 ： 带司机室的拖车移动罗了嚣习罗一瓣”+ 甲。毓一 带司机室的拖车 a 爹 bc一eb i a j 。 穗 f 矗 翳扩。 熹 。 。嚣 s i v ia c q w v fs i vw s i vw s w v fs 8 l ，即q ， 图2 5 地铁列车供电方式示意图 f i g u r e2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e t r op o w e rs u p p l y 2 3 地铁辅助逆变系统方案综合评述与选择 ( 1 ) 供电方式： 地铁车辆上采用分散供电方式，即每车辆配一台静止辅助电源装置，从冗余 度与确保安全性等方面考虑，应属首选方案，目前一个单元配两台静止辅助电源 装置，如a l s t o m 公司所采用的方案那样也比较常见1 6 1 。 ( 2 ) 变压器隔离部分： 为了人身安全，低压系统及控制电源必须实现与高压网压系统d c l 5 0 0 v 或 d c 7 5 0 v 电气上的隔离。最佳且最实用的隔离方式是采用变压器隔离【6 1 。从上述方 案中看出，有5 0 h z 变压器隔离和高频变压器隔离两种方式。由变压器基本原理知， 5 0 h z 变压器其体积与重量较大，而高频变压器其体积与重量就成倍地减小。但后 者必须采用性能好的高频磁心，目前大都采用进口的铁氧体磁心或国内已研制成 功也批量投产的价廉的铁基微晶合金的磁心。因而采用高频变压器隔离，应用国 产的高频磁心，国内也已具各条件。 进口的上海地铁二号线车辆静门辅助系统是采用高频变压器实现电气电位上 隔离的，其工作频率约2 0 k h z ，两个高频变压器容量各约5 0 k v a ，其体积与重量同 5 0 h z 变压器比较已缩减到几十分之一。考虑到高频时铁心损耗，将高频变压器放 置在强迫通风的风道内【刀。 对分散供电方式，为减轻重量采用高频变压器隔离方式是较好的。为降低噪 9 声，在冷却风道设计方面应仔细考虑。但对集中供电，由于容量较大，目前国外 还大都采用5 0 h z 变压器实现电气电位上隔离。综上，我们选择的是高频变压器隔 离方案。 ( 3 ) 变流部分： 上述三种方案各有其特点，而且都能满足地铁车辆的要求。上述方案的构成 与i g b t 器件阻断电压等级发展有关【7 1 。 首先，如采用直接二点式逆变器方案，就要求采用电压等级3 3 0 0 v 的i g b t 。 这种方案主电路简洁，只有6 个高压1 g b t 或h v i g b t ) 构成逆变部分，1 个过压 保护或放电的h v i g b t ，但为提高供电质量，满足规定的总谐波畸变系数，必须 串入体积重量较大，较高要求的滤波器。 其次，采用三点式方案或两路逆变加变压器构成的1 2 脉波方案具有相似的功 能，其i g b t 的电压等级为1 7 0 0 v ，工作时开关频率低，串入小型滤波器就可获得 满意的输出波形，而且可降低噪声。 再次，从减轻重量角度看，采用直一直变换和高频变压器隔离方案是较为理 想的。 ( 4 ) 综合评定： 既然上述三种逆变方案都各有其特点且都能满足地铁车辆的要求，因此无论 选择哪种方案都要有所折中。 从运营部门角度出发，首要的是安全可靠与寿命长，不是单纯追求技术先进 性，因而低故障率的1 2 脉冲方案或三电平方案是一种合理的折衷，即输出波形较 好，变流装置也寿命长，能长时期地可靠安全工作，这是车辆运营部门所关心的 重点。 从技术工作者角度出发，体积重量小、技术先进的直一直变换和高频变压器 隔离方案是较为理想的，基于项目需要和技术积累，本文选择的即是高频变压器 隔离方案。 2 4 小结 本章主要对地铁辅助逆变系统拓扑进行了研究。 首先，分析了现有的几种拓扑结构的特点，对其各自的主电路拓扑结构和功 能进行了详细的分析，并对各拓扑结构优缺点进行了分析和比较； 其次，对地铁供电方式进行了阐述，分析了集中供电和分散式供电各自的特 点； 最后，经过分析和比较，结合项目实际要求，对地铁辅助逆变系统方案综合 l o 第二章地铁辅助逆变系统拓扑研究 评述与选择，确定了辅助逆变系统的最终方案，对所选方案的主电路参数设计、 控制电路的实际与实现，以及仿真和实验将在后续章节逐步进行。 第三章辅助逆变系统主电路设计 第三章辅助逆变系统主电路设计 文章对辅助逆变系统主电路所需器件进行了选型及设计。根据项目技术指标 要求，对开关器件和变压器所需承受的电压电流值进行了计算，结合频率、温度、 厂家等因素综合考虑，选择了合适的开关器件和隔离变压器。同时，对滤波环节 进行了理论分析，结合工程实践选择了合适的滤波器件。除此之外，还对整个系 统的通风散热系统进行了分析和设计，根据功耗情况选择了合适的散热方式、通 风机和散热器，并对风道进行了设计，为辅助逆变系统可靠稳定地运行提供了有 力的保障。 3 1 技术指标及主电路结构 3 1 1 技术指标 输入直流电压：7 5 0 v 输出交流电压：3 8 0 w 2 2 0 v 输出电压偏差( 静态) ：5 输出电压偏差( 动态) ：1 5 频率偏差：1 输出频率： 5 0 h z 最大输出功率：3 5k v r a 效率： 1 0 9 2 谐波含量：5 非对称负载：l o 3 1 2 主电路结构 辅助逆变系统主电路结构如图3 - 1 所示，包括1 ) 启动及输入滤波电路；2 ) d c d c 隔离变换电路：3 ) 三相逆变电路；4 ) 三相滤波电路。输入侧直流接牵引网， 网压额定7 5 0 v ，波动一3 0 + 2 0 ，经启动及直流滤波电路后，由d c d c 变换为6 5 0 v 中间直流电压，滤波后进入三相逆变，输出工频三相交流电，额定线电压3 8 0 v 。 d c d c 变换器电路采用全桥变换电路，这是国内外中最常用的电路拓扑之一，在 1 3 j e 基窑盟厶堂班论立 中、大功率场合应用更是首选拓扑，这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电 流应力较小，功率变压器利用率较高等明显的优点。 日j 舅一 k 1 月m t 弧4 幽3 - i 辅助逆变系统主电路图 f i g u r e 3 - ia a x i l i a r ) 7s y s t e m i n v e r l e x m a i nc h c u i t 3 2 网侧电路参数设计 网侧电路主要由受电弓、浪涌吸收器、直流快速熔断器、高速断路器以及直 流滤波电路等组成，其作用为隔离、逆变器的故障保护以及滤波等。其中直流滤 波电路主要由滤波电抗器、支撑电容器组成，其主要作用是实现系统主电路直流 侧电压波动的限制、避免高次谐波对电网及轨道信号的影响。此外在逆变器发生 故障时，滤波电抗器则限制直流电流的上升率，以便在检测到逆变器故障时，有 时间让直流高速开关在电流限值内分断，以避免逆变器短路而对电网产生冲击。 以下是网侧电路主要原件参数的设计。 3 2 i 网侧直流支撑电容选择 直流侧支撑电容的选择主要由电压纹波指标决定，设电压纹波系数 r ，= p 匕，其中圪为直流电压平均值，为直流输入电压纹波有效值，则直流 侧滤波电容可按下式取值： c z 老水( 等卜( 等) ( 3 - 1 ) 一帆j “ l瑚_i 一 第三章辅助逆变系统主电路设计 其中，l 为最大输入电流，：为纹波基波频率，。为最大纹波次数。 根据式( 3 1 ) ，选择直流侧滤波电容为2 0 0 0 0 微法，耐压值1 1 0 0 v 。 关于滤波电容材料的选择：直流侧滤波电路选用电解电容，而不用薄膜电容。 与电解电容相比，薄膜电容有如下优点：耐压高，高频特性好，无极性，但在实 际工程中，一般不用薄膜电容，因为逆变器直流侧7 5 0 v 电压波动不大，不需要太 好的高频特性，单个电解电容耐压值也能做到1 1 0 0 v ，而不用串联，尽管对于电解 电容，做到如此高的耐压相对于薄膜电容要困难的多。此外，单个同等耐压的薄 膜电容在重量体积上要大于电解电容，成本也要高于电解电容。如德国的第一台 变频机车直流侧滤波电容用的就是薄膜电容，但其重量体积和成本是整个变流器 的一半。基于上述原因，直流侧电容目前多用电解电容。 3 2 2 网侧直流滤波电抗器的选择 直流平波电抗器用于逆变器输入直流滤波。直流电网由于容量较大，查相关 标准知，输入额定电压7 5 0 v ，随着负载的不同，直流电压波动要限定在5 0 0 - - 9 0 0 v 。 在电机车过直流电网无电区时，电抗器可以储存能量，避免控制电源掉电，同时， 电抗器防止直流电网电压直接冲击逆变器的直流侧支撑电容。 对于电感元件有f 2 0 】： “，：三堕 。 疵 ( 3 2 ) ! ， 在期间，r l2 圪m r o ，吼= 屯，d t = ，所以，有 l ：= ( v 2 - v o ) r o t o r t 期i e ，“2 一r o ，d i l = 一a i ，d t = t o f f ，有 l ：= v o t o f f a i l ( 3 4 ) 的值取两者的最大值，并留有充足的余量，同时参照同类型机车l 的取值， 三取值为1 5 m h 。 3 2 3 充放电电阻的选择 当系统的主电路和直流电网接通时，若回路中没有限制电流的元件，则合闸 1 5 瞬m 逆变器的支撑电容将电源短路电路中有很人的浪浦电流，其大小随电源l ： 关合闸瞬间卣施r 巳压幅值以及川路的内阻小h 而小h ，般上卣万乩数量级的供 电电源，合闸浪涌电流达1 0 0 0 2 0 0 0 a 之巨。这样大的浪涌电流不仅会引起电源 ”关触点的溶接，输入熔断器熔断，也会卜扰相邻的用电设蔷。就储能电容器和 整流器本身而言，无法经受如此大电流冲击。限制合闸浪涌电流的方法就是在储 能电容回路串入限流r 乜阻，合闸瞬m ，电阻i i 串八电容充电凹路，待充i u 结束后， 继电器闭合将r 短接。 1 充电屯阻： 当列车启动升弓时，充电接触器闭台，通过充电电阻对电容允l u ，当电容电 压达到4 5 0 v ( 根据具体情况修改) 时，线路接触器闭合，充电接触器断开，直接 埘电容充电。网压为7 5 0 v ，选用支撑电容允许最大充电电流为2 0 a ，则所选用的 充电电阻最小值为r = 7 5 0 2 0 = 3 75 n 。充电电阻的选择会影响充电过程，充电电阻 变大会延长充电时间，但是电阻最大功率会降低。充电电阻的选择应结合充电过 程综合考虑，通过仿真，对于2 0 0 欧的充电电阻，从受电弓受电”始到充电结束 大约3 秒的时问暂定充电电2 0 0 欧。 下图是没有充电电阻，7 5 0 v 加到l c 上的充电电流和电容电压的仿真波形( l = 15 m h ，c = 2 0 0 0 0 u f ) ： 图3 - 2 无充电电阻时充l “波形蚓 f i g u r e3 - 2c h a r g e w a y c f o r m s w i t h o u t t h ec h a r g i n g a v er e s i s m n e e 2 放电电阻： 是固定并联在滤波电容器上的放电电阻。为了安全起见，要求在主电路断电 后直流电压在5 r a i n 内降到3 6 v 以下。由一阶电路的零状态响应可得电容上电压值 第二章辅助逆变系统主电路设计 为： i 以o ) = e ”( 3 - 5 ) 为电容电压的初始值，若“- - 7 5 0 v ，u 。( 3 0 0 ) = 3 6 v ，则r c = 9 88 s ，若电 容为2 5 0 0 u f ，电阻约为4 0 k ，最大功率为7 5 0 7 5 0 4 0 k = 1 4 w 。 下图是2 0 0 欧的充电电阻，l c 上的充电电流和电容电压的波形，从受电弓受 电开始到充电结束大约3 秒的时间： 幽3 - 3 有充电电阻时充电波形图 f i g u r e3 0c h a r g e w a y e f o r m s w i t h t h e c h a r g i n g w a v er e s i s t a n c e 3 3d c d c 隔离变换电路参数设计 33 1 开关管的选择 由于该全桥变换器处理的电压较高，电流较大，所以选用i g b t 作为开关管， 具有导通损耗小、驱动电流小等优点。开关管i g b t 的选择应考虑三个方面： ( 1 ) 要求：主要考虑i g b l 、上浪涌电压不应超过i g b t 集电极与发射极的额定电 压： ( 2 ) 要求：集电极峰值电流必须处在i g b t 开关安全工作区以内( 即小于两倍 的额定电流，) ： ( 3 ) 条件：在良好的冷却条件下，可选用额定值较小的i g b t 模块。 由于全桥变换器主功率开关管承受的是输入电压，输入直流母线电压最高 为9 0 0 v ，因此可选用1 7 0 0 v 的管子。按最大功率3 5 k w 计，直流侧的电流为： 厶= 压( 3 5 k 7 5 0 y ) = 9 9 彳 ( 3 6 ) 按两倍的裕量，可选2 6 0 a 1 7 0 0 v 的i g b t 。综合考虑，功率开关管可选用富士 公司的2 m b l 2 0 0 u 4 h - 1 7 0 ，其额定电压为1 7 0 0 v ，额定电流为2 6 0 a 。 3 3 2 整流二极管的选择 本隔离变换器的开关频率为1 0 k h z ，工作频率相对较高，所以应选用频率特性较 好的快恢复二极管。整流二极管所承受的最大反向电压为： = 圪= 6 5 0 v ( 3 7 ) 其中，形为d c d c 输出的中间直流环节电压。 为考虑在整流工作时变压器副边漏感和整流二极管寄生电容产生振荡，使二 极管电压应力大大增加，所以要考虑1 5 2 倍的余量，选择1 2 0 0 v 的快恢复二极 管模块。 流过整流二极管的电流有效值： ，。：一p ：3 5 k v a ：5 3 8 a ( 3 8 ) 。瓦2 丽矿2 u 刨 其峰值电流： i 咖s = 厄i d = 5 3 ，8 x 厄= 7 6 a ( 3 - 9 ) 可选用西门康的快恢复二极管模块s k k d l 5 0 f 1 2 ，其主要参数1 5 0 a 1 2 0 0 v ，其 额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为1 5 0 a 。 3 3 3 高频变压器设计 参数：输入电压为：= 7 5 0 v d c ( - 3 0 ，+ 2 0 ) ，工作频率：1 0 k h z ，输出电压： 圪= 6 5 0 v d c ，输出电流：l = 5 3 8 a 。本方案高频变压器的设计，主要采用a p 法呻1 ， 1 8 第三章辅助逆变系统主电路设计 有公式可知： 。= ( “l 7 7 ) = 3 5 0 0 0 x ( 1 + 而1 ) = 7 6 1 7 6 5 形 ( 3 1 。) 考虑二极管、滤波器压降及其它因素，效率r 取0 8 5 。 窗口的使用系数k 选取0 3 ；波形系数巧，方波为4 ；铁芯材料选用高频锰 锌铁氧体，其工作磁感应强度巩为0 3 t ；采用e 型铁芯的电流密度巧为4 6 8 。 伊k p rx 六1 0 4 ) , + - - x = ( 而篙) 志- 5 1 7 1 6 洲3 - 1 1 ) 其中x 取一o 1 2 ，考虑留有一定的余量，可选用e e l 8 5 ，磁芯的有效截面积 4 = 1 4 8 8 c m 2 ，有效窗口面积气= 3 7 5 c m 2 。 计算原边绕组的匝数： 。：掣：- 堕坐二一：1 4 7 匝 ( 3 1 2 ) p k f ，s b w a t 4 x l o x l 0 3 0 3 x 1 4 。8 8 取整数为1 5 匝。计算原边绕组电流： ，。：土：6 5 0 x 5 3 8 ：8 7 3 9 a 。 嘶 5 2 5 x o 8 5 ( 3 - 1 3 ) 计算电流密度： j = k ，( 彳。4 ) x = 巧么尸z = 4 6 8x ( 5 1 7 1 6 ) 0 m = 2 2 1 1 2 a ( c m ) 2 ( 3 1 4 ) 原边绕组裸线面积： 么肝= 等= 揣= 0 4 0 ( 州 计算副边绕组匝数： 。：丝竺：! , i t j ! ! x ! u 鱼u 鱼q u ：2 0 9 5 匝 j2 意2 面面观n 9 5 匝 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 取整数2 1 匝，其中钆为最大占空比，取0 9 ，亿为考虑整流二极管及滤波 电感压降后的变压器输出电压。 1 9 副边绕组裸线面积： = 等= 盖姐2 7 ( c 彬( 3 - 1 7 ) 3 3 4 直流环节输出滤波器的设计 输出滤波电感 根据设计要求，电感电流临界连续工作电流厶一= 1 0 o = l o x 5 3 8 = 5 3 8 a ； 电感电流的最大值： i 。= i o + ，一= 5 9 a ( 3 1 8 ) ，一g o x ( 1 y 加。，p o 一。一。) 矿 舻二焉并乞，一：箸毫静6 5 0 娟蚪脾 一 、 9 0 0 2 1 1 5 1 1 5 7 一 q n4 ，u 2 2 1 0 0 0 0 5 3 8 ( 3 - 1 9 ) 取k 为5 9 0 a - 。 b 输出滤波电容 根据指标要求，输出电压的最大纹波值为a g o = 1 0 v ，则可由下式确定输出滤 波电容的大小1 ： 2 丽g o ( 1 一瓦瓦毒瓦万 ( 3 - 2 0 ) 带入相关参数，计算得c 0 6 = 3 7 z f ，取为4 z f 。 输出电压为6 5 0 v ，考虑所选电容的耐压值留一定余量，故取输出电容的耐压 值为1 0 0 0 v 。 3 4 三相逆变电路参数设计 3 3 1 开关管选择 2 0 第三章辅助逆变系统主电路设计 三相逆变电路可采用大功率的全控型开关器件，如g q 0 、i g b t 等。为了提高 系统可靠性，增加系统在故障时的自我保护能力，三相逆变采用现在应用比较普 遍的智能功率模块i p m 。本逆变器的输入电压为6 5 0 v ，输出容量为3 5 k v a ，根据 i p m 的选择条件，可选择富士公司的6 m b p l 5 0 r a l 2 0 ，其额定电压为1 2 0 0 v ，电 流为1 5 0 a 。该模块的框图如图3 4 所示。 图3 - 4i p m6 m b p l 5 0 r m 2 0 框图 f i g u r e3 - 4d i a g r a mo f i p m6 m b p l 5 0 r a l 2 0 与i g b t 模块和驱动电路的组合相比，i p m 具有如下特点： 驱动电路内置：在最佳的设置条件下驱动i g b t ，驱动电路和i g b t 之间的连线 短，驱动电路的阻抗低，用户只需要为i p m 提供隔离的高低电平信号，即可控制 i g b t 的开关。 保护电路内置：内置过流保护，短路保护，控制电源欠压保护，过热保护， 2 1 及外部输出报警，出现过流、过热、欠压故障时，i p m 强制关断i g b t ，并向外部 发出报警信号。i p m 的选择应需要遵循以下原则： ( 1 ) i g b t 上的浪涌电压不应超过i g b t 集电极与发射极的额定工作电压f 。 ( 2 ) i g b t 集电极峰值电流必须处在i g b t 开关安全工作区以内( 即小于两倍的额 定电流，) 。 ( 3 ) 在良好的冷却条件下，可选用额定值较小的i p m 模块。 对于辅助逆变器来说，i p m 的驱动电路已经在内部集成，只需由d s p 发出驱动 p w m 脉冲，经光藕隔离后即可f 常驱动i p m 。 3 3 2 三相滤波电路