100%低地板車牽引及輔助變流系統(tǒng)

刁利軍 劉志剛

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

1 低地板車概述

低地板車以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在人性化、環(huán)境匹配、建設(shè)周期與成本、噪聲等方面形成突出的優(yōu)勢(shì)［1-3］，在世界各國得到了越來越廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用。目前，世界上使用較多的低地板車主要根據(jù)車內(nèi)乘客空間地板面的低地板率來進(jìn)行區(qū)分:使用較廣泛的地板面高度是入口320 mm、客室350 mm，而根據(jù)列車兩頭動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上乘客空間的高度是否降低分為70%和100%兩種，如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)100%低地板，必須將動(dòng)力轉(zhuǎn)向架乘客空間的高度降低，采用獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架，取消傳統(tǒng)輪對(duì)的橫向耦合軸。在國家“十一五”科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目“100%低地板車研制”支持下，北車長(zhǎng)春客車股份有限公司、北京交通大學(xué)等單位合作，成功開發(fā)研制出我國首列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的100%低地板輕軌車［4-5］。列車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上配置2臺(tái)雙端輸出的縱向布置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)同側(cè)前后車輪。這既可使左右車輪之間的乘客空間設(shè)成低地板，還由于驅(qū)動(dòng)裝置的可接近性好，所有檢修工作不必在地溝中進(jìn)行，使拆卸和維修更方便。

圖1 70%及100%低地板車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

本文主要介紹北京交通大學(xué)負(fù)責(zé)研制的100%低地板車牽引及輔助變流系統(tǒng)［6］。該系統(tǒng)具有模塊化、輕量化、電磁兼容性好、人機(jī)接口良好、控制及診斷功能完善等特點(diǎn)，并安裝在實(shí)際列車上，已經(jīng)完成了實(shí)際線路的運(yùn)行試驗(yàn)。下面將從系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)、控制功能、系統(tǒng)監(jiān)控及故障診斷等方面進(jìn)行論述。

2 整車變流系統(tǒng)組成

如圖2所示，整車變流系統(tǒng)通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取750 V DC電源，負(fù)極連接到車輪，通過軌道回流，車頂通過一個(gè)避雷器進(jìn)行浪涌吸收保護(hù)，然后經(jīng)過快速熔斷器給2套完全相同的變流系統(tǒng)TSYS1和TSYS2供電，每個(gè)變流系統(tǒng)包括1套牽引變流器TCU、1套輔助變流器ACU。牽引變流器主要用于將直流電轉(zhuǎn)換成可變頻變壓的交流電，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行控制;輔助變流器主要用于給列車380 V/220 V AC負(fù)載和24 V DC負(fù)載供電。

每套變流系統(tǒng)的組成如圖2中的下半部分所示。牽引系統(tǒng)共用1套網(wǎng)側(cè)預(yù)充電電路和濾波器，由2個(gè)IGBT逆變器組成，均采用兩電平的電壓型逆變器，每個(gè)逆變器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)1個(gè)牽引電機(jī)，并自帶制動(dòng)斬波電源。輔助系統(tǒng)包括1個(gè)35 kV·A的輔助逆變器SIV和8 kW的充電機(jī)BCC，共用網(wǎng)側(cè)預(yù)充電電路和濾波器，分別通過全橋DC/DC進(jìn)行電壓幅值變換，然后通過高頻變壓器隔離，得到需要的輸出直流電壓。SIV還需要一套帶中性線輸出的電壓型逆變器，以逆變得到所需的交流電壓。

圖2 整車變流系統(tǒng)

3 牽引變流系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)描述

牽引變流器采用變壓變頻的VVVF控制模式，根據(jù)需要的速度和轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)電流，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向(即列車的前進(jìn)方向)依賴于三相逆變器輸出的觸發(fā)脈沖時(shí)序。牽引變流器的標(biāo)稱功率為300 kV·A，最大功率可達(dá)750 kV·A，用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)額定功率為110 kW的牽引電機(jī)。在制動(dòng)模式下，牽引電機(jī)工作在發(fā)電模式，變流器成為一個(gè)整流器;兩個(gè)斬波單元根據(jù)制動(dòng)的能量進(jìn)行控制，通過制動(dòng)電阻熱消耗的方式，吸收掉多余的制動(dòng)能量，每個(gè)制動(dòng)電阻的最大瞬時(shí)功率可達(dá)275 kW。

為滿足100%低地板車牽引傳動(dòng)的要求，研制了整車共2套牽引變流系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，如圖3所示。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以求實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、安裝、維修維護(hù)的最優(yōu)。為了達(dá)到這一目的，采用CAD計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行變流系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，以獲得與實(shí)際系統(tǒng)相匹配的結(jié)構(gòu);同時(shí)，在系統(tǒng)電磁兼容、布局布線等方面，實(shí)現(xiàn)了總體的模塊化和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)完全適用于具有緊湊的車頂空間、惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)的低地板車。

3.2 控制系統(tǒng)及其功能

圖3 牽引變流器實(shí)物

圖4 牽引變流系統(tǒng)功能

牽引變流系統(tǒng)的控制功能包括牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車輛控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等，如圖4所示。牽引變流系統(tǒng)接收司控臺(tái)的給定指令，通過先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，將750 V直流電壓變換成電壓幅值及頻率可變的交流電壓來控制牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)列車的牽引/制動(dòng)功能。通過CANOpen網(wǎng)絡(luò)與列車控制單元VCU配合，同時(shí)通過硬線的直接輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的邏輯控制，包括防滑控制、制動(dòng)配合等。通過以太網(wǎng)絡(luò)與電腦的通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變流系統(tǒng)的直接監(jiān)控、故障數(shù)據(jù)下載和診斷以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的功能，具有友好的人機(jī)接口。具體來看，牽引系統(tǒng)具有下述功能:

1)逆變器控制功能，包括電機(jī)牽引/制動(dòng)控制、系統(tǒng)保護(hù)、充放電控制、系統(tǒng)自檢測(cè)等功能。

2)限速功能，出庫模式限速8 km/h、洗車模式限速3 km/h、故障限速30 km/h、反向運(yùn)行限速10 km/h。

3)數(shù)據(jù)處理功能，包括加/減速度計(jì)算，電機(jī)、拖車速度計(jì)算，載荷計(jì)算，輪徑計(jì)算。

4)電量計(jì)算功能，包括制動(dòng)電阻溫升計(jì)算，功率、能量計(jì)算，故障信息存儲(chǔ)。

5)通信功能，包括以太網(wǎng)通信、CANOpen通信。

6)保護(hù)功能，包括過/欠壓保護(hù)、輸入/輸出過流保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、超溫保護(hù)等。

4 輔助變流系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)描述

輔助變流系統(tǒng)原理如圖5所示。SIV和BCC原邊均采用全橋DC-DC變換，通過高頻隔離變壓器得到需要的直流電壓。相比傳統(tǒng)的工頻隔離方式，采用高頻隔離變壓方式的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠得到更高的功率密度。

圖5 輔助變流系統(tǒng)原理

充電機(jī)BCC采用原邊全橋逆變副邊全波整流的DC-DC隔離變換結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的24 V DC低壓直流電源主要用于給蓄電池充電和直流車載電源。蓄電池根據(jù)其Io-Uo特性進(jìn)行分段式充電，即“限流充電—恒壓充電—浮充溫度補(bǔ)償”，以此達(dá)到蓄電池的最好激活;當(dāng)充電機(jī)停止工作或故障時(shí)，通過蓄電池給整車直流負(fù)載供電。充電機(jī)的輸出端通過一個(gè)二極管與24 V DC車載電源母線連接，共同為整車直流負(fù)載供電(見圖6)。這樣，當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)不能提供24 V DC電源時(shí)，還可通過另外一個(gè)系統(tǒng)給整車直流負(fù)載供電。

圖6 充電機(jī)并聯(lián)原理

在SIV中，通過前級(jí)高頻DC-DC變換，得到需要的中間直流電壓，給后級(jí)逆變器模塊提供直流電源。SIV輸出恒頻、恒壓的三相交流電和單相交流電，通過正弦濾波器來使輸出電壓更平緩穩(wěn)定，獲得一個(gè)正弦波的電壓，分別給三相負(fù)載(如冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及電熱、用電插座等)供電?？紤]到非變頻空調(diào)突然啟動(dòng)的載荷突變，要求SIV具有1.5～2倍的一定時(shí)長(zhǎng)過載能力。為了保證在1個(gè)SIV損壞的情形下仍能給整車交流負(fù)載供電，采用擴(kuò)展供電方式，如圖7所示。通過1個(gè)K300接觸器連接整車2個(gè)SIV的輸出，如當(dāng)ACU1的SIV停止工作時(shí)，ACU1中的K200斷開，K300閉合，是整車獲得交流電源，但此時(shí)必須減載;擴(kuò)展供電邏輯采用數(shù)字控制，取代了傳統(tǒng)的故障率更高的繼電器擴(kuò)展控制模式;如果采用SIV并聯(lián)供電的方式，則交流負(fù)載的供電冗余性會(huì)更好［7］。

圖7 SIV擴(kuò)展原理

4.2 系統(tǒng)控制功能

整個(gè)輔助變流系統(tǒng)具有以下完善的控制和保護(hù)功能:充放電控制、系統(tǒng)自檢測(cè)、輔逆擴(kuò)展供電、輔逆降功運(yùn)行、故障自恢復(fù)重啟和重載(2倍)啟動(dòng)等。另外，還有通信及監(jiān)控功能，通過CANOpen與車輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)交互，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;保護(hù)功能，包括過/欠壓保護(hù)、輸入/輸出過流保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、超溫保護(hù)等。

4.3 輔助變流器研制

為滿足100%低地板車整車交直流負(fù)載供電的要求，研制了整車共2套輔助變流系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。由于低地板車緊湊的車頂空間，需要設(shè)計(jì)的變流系統(tǒng)具有更高的功率密度。為了達(dá)到這一要求，輔助變流系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的工頻隔離模式，采用了先進(jìn)的高頻隔離技術(shù)，減小了體積，提高了功率密度;同時(shí)，采用全數(shù)字控制策略，并具有故障自重啟、數(shù)字邏輯擴(kuò)展供電等功能，提高了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

圖8 輔助變流器模塊

5 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與故障診斷

低地板車獨(dú)特的部件布置方式，使得變流系統(tǒng)只能放在車頂，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的監(jiān)控帶來困難?；诰W(wǎng)絡(luò)傳輸和虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)研制出具有良好人機(jī)界面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件以及故障診斷軟件，可大大提高列車調(diào)試和維護(hù)維修效率。

5.1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

如圖9所示，監(jiān)控軟件包括數(shù)據(jù)/狀態(tài)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)/狀態(tài)傳輸(以太網(wǎng))、數(shù)據(jù)/狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)/狀態(tài)保存等功能。監(jiān)控軟件為中文界面，能夠?qū)崟r(shí)方便地顯示各種模擬量、數(shù)字量以及報(bào)警、故障及其類型等，軟件自帶幫助文檔，便于實(shí)時(shí)查詢，也可以為工作人員靜調(diào)時(shí)提供方便的調(diào)試工具。同時(shí)，基于虛擬儀器技術(shù)的示波器為現(xiàn)場(chǎng)波形的觀測(cè)和存儲(chǔ)分析提供了方便。

圖9 牽引系統(tǒng)的監(jiān)控界面

5.2 故障診斷軟件

為配合變流系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，使技術(shù)人員能對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確排查，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)界面友好、容易操作的故障診斷軟件來對(duì)故障進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的變流系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控方法、故障傳輸和下載策略，并借助故障樹的方法對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析，以保證系統(tǒng)具有更好的可視和可維性。故障診斷軟件具有許多功能，其人機(jī)界面如圖10所示。

圖10 故障診斷軟件界面

1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能:包括在線式診斷時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、離線式診斷時(shí)的故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2)離線式故障診斷功能:根據(jù)下載存儲(chǔ)的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障診斷的算法實(shí)現(xiàn)。

3)故障顯示功能:對(duì)在線式或離線式的診斷結(jié)果進(jìn)行故障定位，并顯示出故障類型、嚴(yán)重程度。

4)給出修復(fù)意見功能:對(duì)診斷出的故障，提出可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修的意見。

5)繪制波形及數(shù)字量圖形顯示功能:在線診斷時(shí)，實(shí)時(shí)繪制波形及數(shù)字量變化圖形，并可繪制歷史波形;在離線式故障診斷時(shí)，繪制存儲(chǔ)數(shù)據(jù)波形及圖形。

6)故障預(yù)測(cè)功能:通過歷史數(shù)據(jù)分析，找出具有故障趨勢(shì)的點(diǎn)，給出可能造成故障的原因，并給出修理意見。

7)其他附加功能:有方便用戶使用和維護(hù)的功能，如保存、打印等。

6 結(jié)語

本文介紹了為我國第一列100%低地板車研制的牽引及輔助變流系統(tǒng)，目前樣機(jī)已經(jīng)安裝在列車上并穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行情況說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制及保護(hù)功能完善，為我國自主創(chuàng)新、自主研發(fā)的低地板車技術(shù)裝備的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)提供了更廣泛的選擇。

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