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浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统2009-2-19 18:45:00 来源：摘 要：城市轨道交通车辆一般采用直流供电,通过车辆上的辅助电源系统为车辆辅助设备供电,本文就城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路结构、形式及辅助电源系统进行简单分析介绍, 并指出了城市轨道交通车辆用辅助电源系统的应用及发展。 关键词：辅助逆变器 PWM 调制 隔离变压器 斩波 控制电源 在城市轨道交通车辆中,通常是从电网获取直流电压（一般为1500VDC 和 750VDC）,经由辅助逆变器（ 也称静止逆变器） 变换输出380VAC,给列车上的辅助设备供电。 城市轨道交通车辆一般采用两种型号车辆,对于两种车辆,逆变器的工作形式不同:A型车为拖车,其逆变器一路供给列车照明和风机电机;另一路输出 110VDC 控制电源,同时兼向蓄电池充电;B/C 型车为动车,其逆变器输出 380VAC 分别向列车的空调机组和空气压缩机供电。 以下,就城市轨道交通车辆的辅助电路系统进行分析介绍。 1 辅助逆变器电路结构 城市轨道交通车辆中的辅助逆变器电路常见有两种形式:一种采用直接逆变方式（DC- AC）,如图 1 所示;另一种采用先斩波（升 /降压斩波）后逆变方式（DC - DC - AC）,如图2 所示。Siemens 公司采用 DC DC AC形式, 如上海一、二线和广州一号线地铁车辆;Bombardier 公司采用DC AC 形式,应用于长春生产的车辆中。 其中DC DC AC 方式升/ 降压斩波中,升压斩波的系统应用在DC750V 供电网压的场合;降压斩波的系统应用在网压为DCl500V 的场合。采用升/降压斩波的目的都是为了使逆变器的输入电压稳定,当负载变化或电压波动时,保证斩波器有稳定的输出电压。 目前, 以GTO 、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内,用PWM 调制实现逆变器稳定输出, 且满负荷运行,因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。 2 辅助逆变器形式 目前我国城市轨道交通车辆使用的辅助逆变器有两种形式:一种为单台逆变器形式,另一种为两台逆变器串联形式。例如上海一号线直流地铁车辆使用单台逆变器形式,上海二号线地铁车辆使用两台逆变器串联形式。 2.1 单台逆变器形式 对于网压1500V,容量约200kVA 左右的辅助逆变器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。这种形式结构简单、可靠, 逆变器用PWM 调制可使输出电压的谐波含量在限制值以内,是目前普遍采用的形式。 2.2 两台逆变器串联形式 有两种方案:一为两台逆变器输出至隔离变压器,通过隔离变压器的电路叠加,或磁路叠加,然后经滤波输出,这种方案的优点是逆变器可以用低电压的 IGBT 元件;二为控制两台逆变器输出电压的相位差,当它们经过变压器的电路叠加或磁路叠加后,使变压器输出电压的谐波减少,这样对输出滤波器的要求可以降低,即可以减小滤波器的体积和质量。 需指出的是,这种电路较为复杂,尤其是变压器,用电路叠加的变压器,其副边绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器,磁路设计较为复杂。另一方面, 这种电路的产生是在早期IGBT 元件水平不太高的情况下出现的。因此已基本不再采用该形式。 2.3 辅助电源系统 以上海地铁一号线为例,其静止逆变器原理框图如图3所示。DCl500V 电源经L-C 滤波器后由GTO 斩波器进行斩波调压至 770V,再经过中间滤波器送入六脉冲 GTO 逆变器,其输出经隔离变压器后成为 AC380V。在隔离变压器次边还设有一组抽头,其输出交流电压经整流后提供 DC110V 电源。 控制单元的核心是微处理器,包括四个功能包: 电源功能包（P-PAC）- 提供控制电源及斩波、逆变器的脉冲。 通信功能包（C-PAC）- 传输逆变器及列车上的各种信号,寄存过程参数实际值。 接口功能包（I-PAC）- 确定参数所需值,监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程。 快速保护和控制功能包（F-PAC）- 控制逆变器工作过程,寄存过程参数中实际值的模拟量,实现逆变器快速保护。 3 应用及发展 武汉轻轨一号线上, 辅助电源系统采用IGBT 模块（1700V/1200A）构成静止逆变器,输出稳定的三相 AC380V 电源、DC110V 和DC24V 电源,供列车上的空气压缩机、空调、照明和电热器等使用,并对蓄电池进行充电,每列车配备两组辅助电源逆变器, 容量为140KVA。 上海地铁二号线的辅助电源系统采用由IGBT 模块（3300V/1200A）构成的静止逆变器,输出 AC380V 电源。列车的每节车均设一个辅助逆变器,容量为 90KVA。A 车的逆变器供电给列车一半的照明和风机电机,同时提供 DC110V 电源,B、C 车上的逆变器分别向列车一半的空调机组供电。 地铁车辆大都采用两动一拖（3节车辆）构成一个单元,由两个单元构成一列车,每节车辆均配备一台静止逆变器, 每单元共用一台DC110V的控制电源。每节车辆的辅助逆变器的容量为 7580KVA,DC110V 控制电源功率约为 25KW。法国 ALSTON 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 120KVA,每台含 DC110V 控制电源,功率为 12KW。最近国外生产的地铁车辆采用集中控制,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110V 控制电源一台,约 25KW。 目前世界上在地铁与轻轨辅助系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT（或 IPM）模块构成。为了人身安全,低压系统及控制电源与高压系统在电位上采用变压器隔离,现今国内外都采用直直变换及高频变压器隔离这一方案。从冗余度与轴重均衡出发,常选用分散供电方案。 参考文献 1徐安,陶生桂.庞乾麟.城市轨道交通电力牵引M.北京:中国铁道出版社,1998. 2高爽.地铁车辆构造与维修管理M.北京:中国铁道出版社,2003. 核心提示： 摘 要：城市轨道交通车辆一般采用直流供电,通过车辆上的辅助电源系统为车辆辅助设备供电,本文就城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路结构、形式及辅助电源系统进行简单分析介绍, 并指出了城市轨道交通车辆用辅助电源系统的应用及发展。 关键词：辅助逆变器 PWM 调制 隔离变压器 斩波 控制电源 在城市轨道交通车辆中,通常是从电网获取直流电压（一般为1500VDC 和 750VDC）,经由辅助逆变器（ 也称静止逆变器） 变换输出380VAC,给列车上的辅助设备供电。 城市轨道-摘 要：城市轨道交通车辆一般采用直流供电,通过车辆上的辅助电源系统为车辆辅助设备供电,本文就城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路结构、形式及辅助电源系统进行简单分析介绍, 并指出了城市轨道交通车辆用辅助电源系统的应用及发展。 关键词：辅助逆变器 PWM 调制 隔离变压器 斩波 控制电源 在城市轨道交通车辆中,通常是从电网获取直流电压（一般为1500VDC 和 750VDC）,经由辅助逆变器（ 也称静止逆变器） 变换输出380VAC,给列车上的辅助设备供电。 城市轨道交通车辆一般采用两种型号车辆,对于两种车辆,逆变器的工作形式不同:A型车为拖车,其逆变器一路供给列车照明和风机电机;另一路输出 110VDC 控制电源,同时兼向蓄电池充电;B/C 型车为动车,其逆变器输出 380VAC 分别向列车的空调机组和空气压缩机供电。 以下,就城市轨道交通车辆的辅助电路系统进行分析介绍。 1 辅助逆变器电路结构 城市轨道交通车辆中的辅助逆变器电路常见有两种形式:一种采用直接逆变方式（DC- AC）,如图 1 所示;另一种采用先斩波（升 /降压斩波）后逆变方式（DC - DC - AC）,如图2 所示。Siemens 公司采用 DC DC AC形式, 如上海一、二线和广州一号线地铁车辆;Bombardier 公司采用DC AC 形式,应用于长春生产的车辆中。 其中DC DC AC 方式升/ 降压斩波中,升压斩波的系统应用在DC750V 供电网压的场合;降压斩波的系统应用在网压为DCl500V 的场合。采用升/降压斩波的目的都是为了使逆变器的输入电压稳定,当负载变化或电压波动时,保证斩波器有稳定的输出电压。 目前, 以GTO 、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内,用PWM 调制实现逆变器稳定输出, 且满负荷运行,因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。 2 辅助逆变器形式 目前我国城市轨道交通车辆使用的辅助逆变器有两种形式:一种为单台逆变器形式,另一种为两台逆变器串联形式。例如上海一号线直流地铁车辆使用单台逆变器形式,上海二号线地铁车辆使用两台逆变器串联形式。 2.1 单台逆变器形式 对于网压1500V,容量约200kVA 左右的辅助逆变器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。这种形式结构简单、可靠, 逆变器用PWM 调制可使输出电压的谐波含量在限制值以内,是目前普遍采用的形式。 2.2 两台逆变器串联形式 有两种方案:一为两台逆变器输出至隔离变压器,通过隔离变压器的电路叠加,或磁路叠加,然后经滤波输出,这种方案的优点是逆变器可以用低电压的 IGBT 元件;二为控制两台逆变器输出电压的相位差,当它们经过变压器的电路叠加或磁路叠加后,使变压器输出电压的谐波减少,这样对输出滤波器的要求可以降低,即可以减小滤波器的体积和质量。 中国智能交通网 浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统/solution/show-2734.html需指出的是,这种电路较为复杂,尤其是变压器,用电路叠加的变压器,其副边绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器,磁路设计较为复杂。另一方面, 这种电路的产生是在早期IGBT 元件水平不太高的情况下出现的。因此已基本不再采用该形式。 2.3 辅助电源系统 以上海地铁一号线为例,其静止逆变器原理框图如图3所示。DCl500V 电源经L-C 滤波器后由GTO 斩波器进行斩波调压至 770V,再经过中间滤波器送入六脉冲 GTO 逆变器,其输出经隔离变压器后成为 AC380V。在隔离变压器次边还设有一组抽头,其输出交流电压经整流后提供 DC110V 电源。 控制单元的核心是微处理器,包括四个功能包: 电源功能包（P-PAC）- 提供控制电源及斩波、逆变器的脉冲。 通信功能包（C-PAC）- 传输逆变器及列车上的各种信号,寄存过程参数实际值。 接口功能包（I-PAC）- 确定参数所需值,监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程。 快速保护和控制功能包（F-PAC）- 控制逆变器工作过程,寄存过程参数中实际值的模拟量,实现逆变器快速保护。 3 应用及发展 武汉轻轨一号线上, 辅助电源系统采用IGBT 模块（1700V/1200A）构成静止逆变器,输出稳定的三相 AC380V 电源、DC110V 和DC24V 电源,供列车上的空气压缩机、空调、照明和电热器等使用,并对蓄电池进行充电,每列车配备两组辅助电源逆变器, 容量为140KVA。 上海地铁二号线的辅助电源系统采用由IGBT 模块（3300V/1200A）构成的静止逆变器,输出 AC380V 电源。列车的每节车均设一个辅助逆变器,容量为 90KVA。A 车的逆变器供电给列车一半的照明和风机电机,同时提供 DC110V 电源,B、C 车上的逆变器分别向列车一半的空调机组供电。 地铁车辆大都采用两动一拖（3节车辆）构成一个单元,由两个单元构成一列车,每节车辆均配备一台静止逆变器, 每单元共用一台DC110V 的控制电源。每节车辆的辅助逆变器的容量为 7580KVA,DC110V 控制电源功率约为 25KW。法国 ALSTON 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 120KVA,每台含 DC110V 控制电源,功率为 12KW。最近国外生产的地铁车辆采用集中控制,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110V 控制电源一台,约 25KW。 目前世界上在地铁与轻轨辅助系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT（或 IPM）模块构成。为了人身安全,低压系统及控制电源与高压系统在电位上采用变压器隔离,现今国内外都采用直直变换及高频变压器隔离这一方案。从冗余度与轴重均衡出发,常选用分散供电方案。 参考文献 1徐安,陶生桂.庞乾麟.城市轨道交通电力牵引M.北京:中国铁道出版社,1998. 2高爽.地铁车辆构造与维修管理M.北京:中国铁道出版社,2003.浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统相关信息推荐 发布于：中国智能交通网 在中国智能交通社区讨论 下一篇：哥本哈根带障碍物探测的新地铁系统 上一篇：TransCAD软件在轨道交通客流预测中的应用 该信息出自 中国智能交通网| 链接：/solution/show-2734.html变流变频技术在轨道车辆中应用发展综述日期：2010-10-10点击： 86来源：中国铁路工程建设网作者：收藏打印字体大小：大 中 小0引言 半导体电力电子器件和技术的快速发展,加上高速数字控制器的应用以及信息化技术的日益普及,使各种变流器在众多领域内对传统能量变换装置进行更新。目前这些新技术正在轨道车辆电力牵引领域中迅速地应用发展。文章以电力电子、微电子和计算机技术及电机控制理论和控制技术为着眼点,综述了现代轨道车辆中变频变流技术的应用与发展。 1变流变频技术发展的基础 现代轨道车辆电气系统中变流变频技术随电力电子、微电子和电机控制理论的发展而发展,其主要应用在轨道车辆的辅助电源及主牵引交流传动系统中,以实现所需的电能变换。 电力电子技术包含了电力半导体器件及其拓扑电路与控制技术,前者是现代电力电子设备的核心,它们以开关阵列的形式构成相应的拓扑电路应用于电力变流器中,配合对应的控制方式进行不同形式的电能变换,有交2直(整流器) 、直2直(斩波器) 、直2交(逆变器)和交2交高效率的能量变换。其电力电子器件的发展过程先后经历了不控型器件到半控型器件再到全控型器件的发展阶段,而且在全控型功率器件中也从电流驱动型全控器件发展到电压驱动型全控器件。典型的电流驱动型全控器件为双极型晶体管(BJT、DTR)和门极可关断晶闸管( GTO) ,而典型的电压驱动型全控器件是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 。IGBT兼备了场效应管的电压驱动、高速开关动作和驱动电路简单的特征和晶体管的高耐压、通态压降低的优点,因此发展迅速,且其电流等级和电压等级也不断提高,目前已成为在轨道车辆上应用的主导器件,取代了以往GTO的地位。 微电子技术的进步与发展促使变频变流技术迅速发展,从8位到16位单片机,再到32位单片机,又进展到高性能的数字信号处理器(DSP) ,以及专用CPU芯片的开发,其朝着功能强、功耗低、集成度高、速度快与容量大的方向发展。交流异步电机的控制理论从稳态的标量控制(滑差控制)进步发展到暂态的矢量控制(旋转矢量控制及直接转矩控制)或实时值控制,这也大力推进了异步电机在电力牵引传动中的应用。 2轨道车辆静止辅助电源系统 辅助电源系统是轨道车辆上一个必不可少的关键电气部分,它为空调机、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备提供供电电源。关于城市轨道车辆辅助电源系统,主要阐述其如何将供电的直流网压变换为辅助设备所需的交流电源。早期采用旋转式电动机2发电机变流机组,其笨重且体大,随着电力电子器件的发展,均已采用了由电力电子器件构成的轻巧又简洁的静止式变流机组( SIV) ,其构成的方案一般有: ( 1)斩波稳压再逆变,加变压器降压隔离; (2)三点式逆变器加变压器降压隔离; (3)电容分压两路逆变,加隔离变压器构成12脉冲方案; ( 4)二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离; ( 5)直2直变换与高频变压器隔离加逆变的方案等。这些方案各有特点,而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。 从目前应用发展来看,主要可归纳为三种类型:一是三电平方案或经变压器组合的类似三电平的12脉冲输出方案,如上述方案(2)和(3) ;二是直接变频方案,如上面的方案( 4) ;三是采用高频变压器隔离的方案,如上面的方案(5) 。 下面针对上述类型介绍几种引进车辆辅助系统的方案。 (1) 广州地铁1号线车辆上的辅助系统为电容分压两路逆变加组合式变压器构成12脉冲输出方案,如图1所示,采用IGBT器件构成。此组合式变压器由两个50 Hz变压器组成来实现电气隔离,其副绕组通过电路上的连接来抑制谐波;此外,在变压器上还有一路用于抑制输入电容中点电压飘移的副绕组及相关的电路。 对于110 V DC控制电源也是由电容分压后加两路直2直变换器,滤波后并联输出,这一路电气隔离还增加了高频变压器这一级,其原理框图如图2所示。 (2) 上海明珠线(二期)车辆由西门子公司提供的辅助系统方案,其结构框图如图3所示,这与广州地铁1号线车辆上的辅助系统相似,也是由电容分压两路逆变加变压器构成12脉冲输出的方案,但所采用的变压器结构有些特殊,其原边有两路输入绕组,通过其磁路的耦合来抑制谐波。 (3) 上海地铁二号线车辆上静止辅助系统采用电容分压、两路直2直变换器并联输出,这是经高频变压器隔离再经斩波升压稳压到640 V DC后逆变输出,采用高频变压器隔离使变压器的重量大为减轻。对A车来说,逆变输出的是三相四线50 Hz 380 V /220 V 交流电源,给用电设备供电,并有一路经斩波降压稳压再经直2直变换为输出110 V DC控制电源。A车辅助系统的原理图如图4所示。B车和C车上无直流110 V控制电源环节,而且逆变器输出也不带中线,仅为三相380 V AC。 (4) 上海明珠线车辆是法国Alstom公司制造的,其辅助电源系统是由电压等级3 300 V的IPM构成二点式逆变器进行直接逆变。对于高压模块,为减少其开关损耗,开关频率一般不超过1 kHz。为改善输出波形,在变压器原边一般要接入较为笨重的滤波器,该滤波器也是噪声源,再经50 Hz变压器降压隔离供出380 V /220 V三相四线工频电源,其另一路副绕组再经整流与直2直变换器输出110 V DC控制电源,从电气上看,又经过一级高频变压器隔离。 3轨道车辆主牵引交流传动系统 3. 1轨道车辆交流传动系统的基本构成 城市地铁轻轨车辆的交流传动系统大都采用直流供电,主电路具有直2交的系统结构,如图5所示。 在电压等级不够高时,德国和日本曾用1 200V和1 700 V电压等级的IGBT构成三点式(三电平)逆变器用于750 V和1 500 V电网 3 。随着新一代IGBT迅速发展,尤其是3 300 V等级IGBT的批量生产,采用这类电压等级的模块构成两电平逆变器在1 500 V电网中的应用,已成为在20世纪末国外生产的地铁轻轨电动车辆上的主流产品。 3. 2轨道车辆交流传动系统的控制策略 随着交流异步电机控制理论的发展,以及微机芯片和DSP的开发与应用,交流传动系统的控制方法也从简单的稳态标量控制发展到复杂的瞬态矢量控制。在目前的轨道车辆中为满足列车牵引中动态响应快的高性能要求,对其系统主要采用转子磁场定向的旋转矢量控制(VC) 、直接转矩控制(DTC)及在此基础上改进的间接定子量控制( ISR)等策略。 VC概念是由Hasse 于1969 年提出, 后由Blaschke于1971年给予发展,形成了一个完善的转子磁场定向的旋转VC理论与方法。目前在铁路或城轨车辆交流传动系统上应用的有两个典型的代表:一是德国Siemens公司开发完善的VC方案,另一个是法国Alstom公司推出的VC方案,由于要满足机车车辆高要求的牵引性能,这两种方案都采用直接转子磁场定向控制方法。 (1) Siemens方案。德国的交流传动车辆上采用的是由Siemens公司开发完善的直接转子磁场定向的旋转VC方法,主电路是由GTO或IGBT构成的二点式逆变器,首先,图6中的磁通模块是采用电压模型与电流模型结合的混合模型,一方面有利于低速到高速或反之的平滑过渡,另一方面也能对电机参数变化起到自动补偿的作用;其次,采用电压前馈型解耦系统使系统的稳定性得到增强,并且对定子电流反馈滤波环节及转子磁链滤波环节带来的滞后影响也起到比较好的矫正作用;再次,频率确定单元中通过对起动及弱磁阶段滑差频率与定子电压频率的补偿,再考虑到电压与磁链频率在动态调节过程中的差异,分离出定子电压频率与转子磁链频率,从而达到高动态性能,提高VC系统的实时性;此外,对于电压型逆变器的电压给定信号采用解耦电路输出量加上励磁电流分量与转矩电流分量的P I调节器输出量,有利于系统的稳定控制。 (2) Alstom 方案。法国Alstom 公司制造的异步牵引电动机驱动的交流传动车辆。主电路是采用高压IGBT构成的二点式逆变器,其交流传动系统采用的控制方案也是直接转子磁场定向的旋转VC方法,其原理框图见图7。 从图7可看出,它引入了磁场调节器与转矩调节器,不像图8中采用定子磁场电流分量和转矩电流分量的调节器,并采用相位调节器来实现参数的自适应控制功能,同样可获得高动态响应的控制特性。 (3) DTC。直接转矩控制是20世纪80年代中期由德国Depenbrock 提出,德文缩写为DSR(Direkt Selbst Regelung) ,该控制方法以简明物理过程为基础,不像旋转VC那样要进行复杂的坐标转换计算,其直接在定子坐标系中计算定子磁链与电机转矩,并极其方便地实现磁链与转矩的闭环控制,获得高动态响应调速性能要求。 Adtranz公司负责开发的主传动系统,主电路为二点式GTO或IGBT逆变器,主传动系统的控制采用DTC方法,图8为其控制原理框图。 图中: Sa , Sb , Sc 逆变器主管开关状态; 1a , 1b , 1c 定子磁链分量实际值; 1w 定子磁链给定值; fn 转子转速对应的频率; Mw ,Mi 分别为转矩给定值与实际值; fTW , fTi 分别为开关频率给定值与实际值; Ud 中间回路直流电压; ia , ic 异步电动机二相电流值。 由图9可看出,在DTC系统中采用的磁链与转矩调节器均是砰2砰调节器(或容差调节器) ,只要对输入量进行比较,便可给出对逆变器主管开关状态的信号,实现高动态响应的砰2砰控制。 这种控制方法以磁链轨迹走六边形为基础,它在基本速与高速情况下是合适的,但在低速受定子绕组电阻及转速测量的影响很大,而且在低速走六边形轨迹时,转矩的脉动也显得突出,为此低速时需加以改进。一般有两种方法:一是走六边形轨迹的同时还不间断的插入零矢量;另一个是不走六边形而是让磁链跟踪圆形轨迹来运动。 目前都是采用后者方法来改善低速运行性能,而且对电机而言,谐波分量也小。 (4) ISR方法。ISR方法,也是在定子坐标系内对定子磁链与电机转矩进行直接计算并予以控制的,因而它也属DTC范畴。它的引出也是在为了克服DTC低转速控制时转矩脉动的缺陷而让磁链走圆形轨迹所导出的方法。 它与DTC相比,有两个显著差异。一是DTC对磁链和转矩调节器采用砰2砰控制,因而对磁链和转矩控制可谓直接的,而在ISR中让磁链跟踪圆形轨迹,由转矩调节器给出定子磁链增量值,由此推算出定子电压空间矢量决定逆变器主管的开关状态信号。另一个是在ISR中主管的开关信息是基于推算的定子电压空间矢量所决定的,所以主管开关状态Sa , Sb , Sc 的给出是通过一级计算的,且开关次数增多,故称其为ISR。由此,也可推知,从动态性能响应上稍逊于DTC,但在低速范围内克服了DTC的缺点,因而它也是DTC的改进,或可说是在DTC基础上发展的一种新方法。因为当采用开关频率较低的GTO时在低速区采用ISR方法改善其控制特性;当采用开关频率较高的IGBT时,由于开关频率高,走圆形轨迹虽增加了开关次数也并不影响动态响应的时间,相反转矩调节次数减少,也使开关次数下降,因而在采用IGBT模块的交流传动系统中Adtraz公司在其MACS2ICON系统中推出全速度范围内ISR方案,图9是ISR原理框图。3. 3轨道车辆交流传动系统进一步的发展 上述几种交流传动系统中应用的高性能控制策略都能满足列车牵引与制动控制要求,目前对交流传动系统进一步完善与发展主要在牵引逆变器与控制两个方面。 在牵引逆变器方面,由于应用IGBT通过采用低感母线技术和软门极驱动技术,以降低母线的寄生电感及达到抑制关断时的尖峰电压的目的,使逆变器可以取消吸收电路,进一步简化结构,减轻重量,缩小体积。 在控制技术方面,首先,为降低电磁噪声,引入频谱扩散控制方式,通过改变高次谐波分布范围的控制模式来达到这一目的;其次,已开发出采用无速度传感器的VC技术,取消了速度传感器,为电机设计和用户带来很大的方便;此外,通过控制上的改善实现全电制动停车,可以降低制动块的摩擦损耗和制动噪声,进一步提高乘客的乘坐舒适度。 4结语 (1) 轨道车辆上的辅助电源系统,从运营部门出发,首要的是安全可靠与长寿命,不是单纯追求先进性。如前文所述的第三种类型,采用高频变压器与逆变器开关频率分别为20 kHz、6 kHz,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,采用第一种类型,也可称为准12脉冲波形,其开关频率可大为下降,输出的这类准12脉冲的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。这是车辆运营部门所欢迎的。 (2) 三电平方案,早期德国提出的,也称为三点式,是采用中点带一对反并联的主管方案,后被日本学者发展为中点带一对二极管箝位,桥臂上两主管串联,被称为中点带二极管箝位的方案,此方案优点是主管耐压一致且降为一半,但又增加6个箝位二极管,使主电路显得比较复杂;近期由于IGBT耐压等级提高,而且又是批量生产的成熟产品,故而又被恢复到中点带一对主管而箝位二极管被取消的方案,这一对主管不是早期的反并联方案,而是一对非对称式结构的主管反串联的方案。这三电平方案与上述的通过变压器或组合式变压器耦合的12脉波输出方案相比较,所用主管数量一致,两者所能达到的性能也相近。 (3) 在辅助电源系统中另一个变流部分是蓄电池充电器兼110 V DC低压控制电源,一些运营部门希望采用独立式的DC /DC变换器来实现。从目前国内进口的车辆来看,地铁轻轨车辆上有独立式的,即直接取电于电网电压来产生110 V供电电源;也有非独立式的,即从辅助逆变器取电来产生110 V电源。对独立式而言,当辅助逆变器故障,对其无影响,而对非独立式而言,当辅助逆变器故障,其也无输出。但是, 110 V电源冗余量大,如一头拖车无控制电源,而另一头拖车上110 V 电源也可以提供整列车用电的。从这点看,独立式与非独立式不是原则性的。 (4) 从运营角度来看,当蓄电池电压过低时对辅助逆变器应具有低压(或自举)起动功能,对这一点的实施,在以前进口的地铁轻轨车辆上都是采用应急电池来实现的,而应急电池容量仅能进行23次的短时起动,若几次试起动均失效,就得救援,而且应急电池日久后的维护费用也高,为此,若不用应急电池来实施这一功能是较理想的。目前国外西门子与三菱公司和国内上海地铁一号线上 6 也已有不采用应急电池来实现蓄电池溃电时的逆变器应急起动功能。 (5) 近期有的国外公司在辅助电源系统中采用并网供电方式,也即并联供电。这是一种先进的供电方式。如日立公司将两台集中供电的辅助逆变器实现并网供电,而西门子将6台分散供电的辅助逆变器实现并联供电,这种方案好。对于交流电源实现并网供电,不仅频率、相位与幅值一致而且要求波形(尽可能正弦波)也严格一致,才能保证瞬时值一致,这是