论文部分内容阅读
摘 要：介绍了低地板轻轨车辆牵引逆变器的主电路、主要技术参数及其功能，并叙述了牵引逆变器为适用于低地板车辆的高集成设计，如模块化布局、逆变器单模块结构。
关键词：低地板车辆；牵引逆变器；高集成
0引言
低地板轻轨交通具有快速便捷、安全舒适、节能环保、投资节省、建设期短、挈合城市道路布局、与城市环境适应性强等方面的显著优点，特别适合用作中小城市的干线交通和大城市的支线交通[1]。20 世纪80 年代以来，低地板轻轨车辆在城市轨道交通中取得了快速的发展，其几乎遍布欧洲大陆、加拿大、美国、澳大利亚、日本等国家和地区[2]。目前我国长春、大连、天津、上海等地已运行低地板轻轨车辆，一些城市也在陆续规划、建设有轨电车系统。
低地板车辆车底空间小，牵引逆变器、高压电器箱等均需安装在车辆顶部，且车辆顶部已安装有受电弓等设备，可利用的空间狭小。本文介绍一种高集成的牵引逆变器，体积小、重量轻，满足车顶安装防护等级要求。一台三模块低地板车辆配置2个牵引变流器柜，从柔性接触网上引入的DC750V直流电，经高压箱接入牵引变流器柜。1个牵引变流器柜输出2组VVVF三相交流电，驱动2台牵引电机，每台牵引电机轴功率为120kW。
1低地板轻轨车辆牵引逆变器的工作原理
1.1主电路介绍
低地板车辆为城市轨道交通车辆，采用DC750V供电。如图1所示，高压电器箱作为牵引系统中为牵引逆变器供电的前端高压电路设备，在牵引系统中分别与高速断路器箱（选装）、辅助电源柜、牵引逆变器通过导线连接。牵引逆变器主电路采用两点式直-交电路，牵引工况下，DC750V网压通过线路电抗器、接触器进入逆变器模块，逆变器模块将直流电逆变为VVVF交流电供给牵引电机；同时牵引逆变器外接制动电阻，用于车辆制动时多余能量的吸收；此外，牵引逆变器内置TCU及CCU，分别负责逆变器控制和列车级网络控制。
1.2主电路原理
牵引工况下，经高压箱后的DC750V直流电接入逆变器，经充电回路（充电接触器KM2、充电电阻R1、短接接触器KM1） 、线路电抗器FL后进入逆变器模块，逆变器模块将直流电逆变为VVVF交流电供给牵引电机；电流传感器LH1-LH2用于检测主回路接地和牵引逆变器的输入电流，电流传感器LH12-LH13与LH22-LH23用于检测逆变器的输出电流，LH11与LH21用于检测制动电流；电压传感器VH1、VH2配合用于外部网压的检测，同时可用于熔断器的状态判断，VH3用于检测逆变器模块的输入电压；R2是固定放电电阻，接在支撑电容Cd的两端，用于安全放电，Cd接在逆变器模块直流输入的DC+、DC-上，用于中间直流电压支撑及滤波。逆变模块的D相输出经逆变器柜对外接线端子接制动电阻箱，用于车辆再生制动时多余能量的吸收。逆变器采用风冷散热，风机电源为三相交流380V。
2低地板轻轨车辆牵引逆变器的主要技术参数
低地板轻轨车辆牵引逆变器的主要技术参数如下：
输入电压 DC750V（DC500～DC900V）
额定输入电流 168A
支撑电容 7.8mF
线路电抗器 2mH
额定输出容量 2×250kVA
输出电压 三相AC0～585V
输出电压频率 0～117Hz
额定输出电流 2×250A
最大输出电流 2×450A
控制方式 直接转矩控制/矢量控制
冷却方式 强迫风冷
冷却系统散热功率 80kW
控制电压 DC24V（-30%～+25%）
主变流器效率 99%
外形尺寸 1500mm×850mm×450mm
质量 约400kg
3低地板轻轨车辆牵引逆变器的高集成设计
3.1模块式分区布局
牵引逆变器内部关键部件如逆变器模块、传动控制单元均采用模块化设计，在满足系统所需电气绝缘与耐压的前提下，布置得相对紧凑、整齐、合理，方便拆装与维修。根据模块化的部件对牵引逆变器进行分区布局，逆变器柜布局如图2所示，牵引逆变器采用强迫风冷散热，内含离心风机，并形成密闭风道，风机位于逆变器中间靠后位置，从前方抽风，先冷却逆变器模块，然后从右侧出风，冷却线路电抗器。
相比传统牵引逆变器，低地板轻轨车辆牵引逆变器内置CCU机箱，从而节省CCU机箱作为一个独立控制柜所占用的车顶空间。传动控制单元及CCU机箱分别负责逆变器控制和列车级网络控制，其控制线均为低压线，因此将传动控制单元及CCU机箱放置在同侧，使得控制插头集中布置，整齐简洁。
逆变器柜设置中隔板，起到阻隔电磁辐射的作用。以中隔板为分界，强电磁辐射源线路电抗器放置在逆变器柜右上角。线路电抗器周围放置风机、短接接触器等抗辐射能力强的部件。较易受到辐射的部件如逆变器模块、传动控制单元、CCU机箱等放置在遠离线路电抗器的一端。模块式分区布局能有效降低各个部件间的电磁干扰。
3.2逆变器单模块设计
传统牵引逆变器，一个模块驱动一台电机。如图1所示，2台牵引电机需要2个逆变器模块来驱动。通过对电压定额计算、电流定额计算以及损耗功率计算，选用1700V/800A的IGBT元件。本牵引逆变器采用单模块结构设计，共8个IGBT元件。单个IGBT元件有上下桥臂，每4个IGBT元件为一组，连至一台牵引电机和一个制动电阻，制动电阻放置于低地板车辆上另外的电器箱内。单模块结构设计使得1个逆变器模块能实现2个逆变器模块的功能，既节省空间，又降低了物料成本。
3.3兼容性设计
低地板轻轨车辆牵引变流器能做到永磁电机和异步电机驱动相兼容，实现一柜多用。变流器柜预留输出接触器的安装位置，用于永磁电机与异步电机的切换。当使用的是异步电机时，输出接触器不接入主电路，牵引变流器内不装输出接触器；当使用的是永磁电机时，输出接触器接入主电路，牵引变流器内安装输出接触器参与永磁电机的控制。同时TCU作为牵引/制动特性控制、逻辑控制、故障保护的核心，也能实现对永磁电机与异步电机的不同控制。当驱动异步电机时，采用直接转矩控制，当驱动永磁电机时，采用矢量控制。
4结语
本文所述低地板轻轨车辆牵引逆变器在设计过程中充分考虑了可利用空间小及应用在露天环境的影响，柜体高度集成化，体积小，重量轻，满足低地板车辆牵引要求。同时，该逆变器兼容了永磁电机和异步电机驱动，应用范围广。
参考文献
[1]赵明花，牛锡平，杨丹燕，高纯友.我国自主研发100%低地板轻轨车 [J].机车电传动 2013（3）.
[2]李刚，李芾，黄运华.100%低地板轻轨车辆的发展与运用[J].电力机车与城轨车辆 2013（4）.
关键词：低地板车辆；牵引逆变器；高集成
0引言
低地板轻轨交通具有快速便捷、安全舒适、节能环保、投资节省、建设期短、挈合城市道路布局、与城市环境适应性强等方面的显著优点，特别适合用作中小城市的干线交通和大城市的支线交通[1]。20 世纪80 年代以来，低地板轻轨车辆在城市轨道交通中取得了快速的发展，其几乎遍布欧洲大陆、加拿大、美国、澳大利亚、日本等国家和地区[2]。目前我国长春、大连、天津、上海等地已运行低地板轻轨车辆，一些城市也在陆续规划、建设有轨电车系统。
低地板车辆车底空间小，牵引逆变器、高压电器箱等均需安装在车辆顶部，且车辆顶部已安装有受电弓等设备，可利用的空间狭小。本文介绍一种高集成的牵引逆变器，体积小、重量轻，满足车顶安装防护等级要求。一台三模块低地板车辆配置2个牵引变流器柜，从柔性接触网上引入的DC750V直流电，经高压箱接入牵引变流器柜。1个牵引变流器柜输出2组VVVF三相交流电，驱动2台牵引电机，每台牵引电机轴功率为120kW。
1低地板轻轨车辆牵引逆变器的工作原理
1.1主电路介绍
低地板车辆为城市轨道交通车辆，采用DC750V供电。如图1所示，高压电器箱作为牵引系统中为牵引逆变器供电的前端高压电路设备，在牵引系统中分别与高速断路器箱（选装）、辅助电源柜、牵引逆变器通过导线连接。牵引逆变器主电路采用两点式直-交电路，牵引工况下，DC750V网压通过线路电抗器、接触器进入逆变器模块，逆变器模块将直流电逆变为VVVF交流电供给牵引电机；同时牵引逆变器外接制动电阻，用于车辆制动时多余能量的吸收；此外，牵引逆变器内置TCU及CCU，分别负责逆变器控制和列车级网络控制。
1.2主电路原理
牵引工况下，经高压箱后的DC750V直流电接入逆变器，经充电回路（充电接触器KM2、充电电阻R1、短接接触器KM1） 、线路电抗器FL后进入逆变器模块，逆变器模块将直流电逆变为VVVF交流电供给牵引电机；电流传感器LH1-LH2用于检测主回路接地和牵引逆变器的输入电流，电流传感器LH12-LH13与LH22-LH23用于检测逆变器的输出电流，LH11与LH21用于检测制动电流；电压传感器VH1、VH2配合用于外部网压的检测，同时可用于熔断器的状态判断，VH3用于检测逆变器模块的输入电压；R2是固定放电电阻，接在支撑电容Cd的两端，用于安全放电，Cd接在逆变器模块直流输入的DC+、DC-上，用于中间直流电压支撑及滤波。逆变模块的D相输出经逆变器柜对外接线端子接制动电阻箱，用于车辆再生制动时多余能量的吸收。逆变器采用风冷散热，风机电源为三相交流380V。
2低地板轻轨车辆牵引逆变器的主要技术参数
低地板轻轨车辆牵引逆变器的主要技术参数如下：
输入电压 DC750V（DC500～DC900V）
额定输入电流 168A
支撑电容 7.8mF
线路电抗器 2mH
额定输出容量 2×250kVA
输出电压 三相AC0～585V
输出电压频率 0～117Hz
额定输出电流 2×250A
最大输出电流 2×450A
控制方式 直接转矩控制/矢量控制
冷却方式 强迫风冷
冷却系统散热功率 80kW
控制电压 DC24V（-30%～+25%）
主变流器效率 99%
外形尺寸 1500mm×850mm×450mm
质量 约400kg
3低地板轻轨车辆牵引逆变器的高集成设计
3.1模块式分区布局
牵引逆变器内部关键部件如逆变器模块、传动控制单元均采用模块化设计，在满足系统所需电气绝缘与耐压的前提下，布置得相对紧凑、整齐、合理，方便拆装与维修。根据模块化的部件对牵引逆变器进行分区布局，逆变器柜布局如图2所示，牵引逆变器采用强迫风冷散热，内含离心风机，并形成密闭风道，风机位于逆变器中间靠后位置，从前方抽风，先冷却逆变器模块，然后从右侧出风，冷却线路电抗器。
相比传统牵引逆变器，低地板轻轨车辆牵引逆变器内置CCU机箱，从而节省CCU机箱作为一个独立控制柜所占用的车顶空间。传动控制单元及CCU机箱分别负责逆变器控制和列车级网络控制，其控制线均为低压线，因此将传动控制单元及CCU机箱放置在同侧，使得控制插头集中布置，整齐简洁。
逆变器柜设置中隔板，起到阻隔电磁辐射的作用。以中隔板为分界，强电磁辐射源线路电抗器放置在逆变器柜右上角。线路电抗器周围放置风机、短接接触器等抗辐射能力强的部件。较易受到辐射的部件如逆变器模块、传动控制单元、CCU机箱等放置在遠离线路电抗器的一端。模块式分区布局能有效降低各个部件间的电磁干扰。
3.2逆变器单模块设计
传统牵引逆变器，一个模块驱动一台电机。如图1所示，2台牵引电机需要2个逆变器模块来驱动。通过对电压定额计算、电流定额计算以及损耗功率计算，选用1700V/800A的IGBT元件。本牵引逆变器采用单模块结构设计，共8个IGBT元件。单个IGBT元件有上下桥臂，每4个IGBT元件为一组，连至一台牵引电机和一个制动电阻，制动电阻放置于低地板车辆上另外的电器箱内。单模块结构设计使得1个逆变器模块能实现2个逆变器模块的功能，既节省空间，又降低了物料成本。
3.3兼容性设计
低地板轻轨车辆牵引变流器能做到永磁电机和异步电机驱动相兼容，实现一柜多用。变流器柜预留输出接触器的安装位置，用于永磁电机与异步电机的切换。当使用的是异步电机时，输出接触器不接入主电路，牵引变流器内不装输出接触器；当使用的是永磁电机时，输出接触器接入主电路，牵引变流器内安装输出接触器参与永磁电机的控制。同时TCU作为牵引/制动特性控制、逻辑控制、故障保护的核心，也能实现对永磁电机与异步电机的不同控制。当驱动异步电机时，采用直接转矩控制，当驱动永磁电机时，采用矢量控制。
4结语
本文所述低地板轻轨车辆牵引逆变器在设计过程中充分考虑了可利用空间小及应用在露天环境的影响，柜体高度集成化，体积小，重量轻，满足低地板车辆牵引要求。同时，该逆变器兼容了永磁电机和异步电机驱动，应用范围广。
参考文献
[1]赵明花，牛锡平，杨丹燕，高纯友.我国自主研发100%低地板轻轨车 [J].机车电传动 2013（3）.
[2]李刚，李芾，黄运华.100%低地板轻轨车辆的发展与运用[J].电力机车与城轨车辆 2013（4）.