牽引逆變器在烏魯木齊地鐵一號線中的應用

馬燕 劉洋

摘要：本文主要針對新疆烏魯木齊地鐵一號線，介紹了牽引逆變器的基本結構、工作原理和關鍵技術，進而提高車輛運行地可靠性，也更好地保障地鐵順利運行。

關鍵詞：地鐵;牽引逆變器;保障

0 ?引言

烏魯木齊城市軌道交通1號線工程，是烏魯木齊地鐵建設的第一條地鐵線路，2019年6月28日全線開通運營，標志顏色為科技藍。地鐵1號線南起三屯碑站，北至國際機場站，線路全程27.615km，全為地下段，共設有21座車站，采用六輛編組，四動兩拖受電弓受流的A型電動客車，列車最高設計速度達到80km/h。地鐵1號線列車的外觀如圖1所示。

一般在鐵路軌道運輸設備中，牽引逆變器就像是列車的心臟，為列車提供能量來源;機械傳動系統(tǒng)就像是列車的肌肉，負擔列車的運行和動力輸出;信號控制系統(tǒng)就像是列車的大腦，發(fā)布各種運行和監(jiān)控指令。烏魯木齊城市軌道交通1號線車輛選用的是新譽龐巴迪生產(chǎn)的牽引逆變器，每節(jié)動車裝有1臺變壓變頻調速（VVVF）牽引逆變器，每個牽引逆變器向每節(jié)動車的4臺并聯(lián)的牽引電機提供電能，并可根據(jù)網(wǎng)壓現(xiàn)實再生制動。

1 ?牽引逆變器的主要介紹

1.1 牽引逆變器主電路

牽引逆變器的核心控制部件是驅動控制單元（DCU），核心逆變部件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），IGBT是由門極驅動單元（GDU）控制。驅動控制單元與門極驅動單元間的通信采用的是光纖傳輸，光纖傳輸既可以提高信號的抗干擾能力和傳播速度，也具有隔離作用。圖2為牽引逆變器的實物圖。

牽引逆變器的主要功能是為牽引電機提供三相交流電，把接觸網(wǎng)直流電壓經(jīng)過逆變器轉化成對稱的振幅和頻率可調的三相交流電，從而實現(xiàn)DC/AC轉化，由驅動控制單元控制。電制動期間，能量反向，把三相交流電轉換為直流電。圖3為牽引逆變器主電路。

圖3中的充電單元是給牽引逆變器充電，放電電阻與直流環(huán)節(jié)電容并聯(lián)，對直流環(huán)節(jié)電容進行放電，濾波電容是一個能量緩沖器，它具有足夠容量，從而保持直流環(huán)節(jié)中的電壓紋波在允許范圍內并且能夠實現(xiàn)精確的變流器控制，牽引逆變器出來的三相電驅動四個電機運轉。

要使牽引逆變器運行起來，首要的是必須要有個充電單元給它充電。充電單元由一個充電接觸器、分離接觸器和一個充電電阻組成。驅動控制單元通過分離接觸器和充電接觸器啟動牽引逆變器。當開始充電時，充電接觸器閉合，分離接觸器保持打開。此時濾波電容緩慢充電，充電電阻限制沖擊電流。當電壓達到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓時，分離接觸器閉合，充電接觸器打開，牽引逆變器可以開始工作。

1.2 IGBT技術

1.2.1 IGBT原理

牽引逆變器的核心技術就是IGBT技術，IGBT模塊有三個相似的相，每相并聯(lián)至直流環(huán)節(jié)，每相IGBT通過開通和關斷把穩(wěn)定的直流電轉換為三相可變壓變頻的交流電，逆變器出來的三相電由三個橋臂組成。每一個相橋臂有兩個IGBT模塊。模塊內有一個帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT，續(xù)流二極管在關斷的時候提供電流的可選路徑，避免由于過壓引起的IGBT故障。IGBT由門極驅動單元控制開啟和關閉，并向柵極引出線發(fā)出電壓信號。圖4為牽引逆變器的三個橋臂。

圖4中，牽引逆變器可以看成一個三相電壓型橋式逆變電路。當上橋臂IGBT開通時，下橋臂關斷，當上橋臂輸出低時，關斷命令發(fā)送至上IGBT，開通命令發(fā)送到下IGBT。相電流流經(jīng)下IGBT得續(xù)流二極管。每一橋臂導電180°，同一相上下兩橋臂交替導電，任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩橋臂之間進行，故也稱為縱向換流。工作波形圖見圖5所示。

對于U相：當上橋臂導通時，uU=UDC/2，當下橋臂導通時，uU=-UDC/2;

對于V相：當上橋臂導通時，uV=UDC/2，當下橋臂導通時，uV=-UDC/2;

對于W相：當上橋臂導通時，uW=UDC/2，當下橋臂導通時，uW=-UDC/2;

線電壓：uuv=uU-uV，uVW=uV-Uw，uWU=uW-uU。

1.2.2 IGBT實際選型

作為牽引逆變器的核心部件，IGBT的選型很是重要。IGBT是選型主要依據(jù)是啟動電流和最大接觸網(wǎng)電壓。烏魯木齊城市軌道交通1號線工程所使用的列車的啟動電流為670A，可以計算啟動電流的峰值670A，即947A，接觸網(wǎng)最大電壓為2000V。因此，以啟動電流為依據(jù)，選取IGBT的參數(shù)為VCEM=3300V，INOM=1500A。圖6所示為IGBT實物模塊。

1.3 脈沖寬度調制（PWM）

在牽引逆變器中，經(jīng)常使用的PWM方法被為空間矢量調制（SVM）。SVM利用逆變器中的IGBT開通和關閉，將直流電轉換成可調壓調頻的交流電，從而實現(xiàn)了有效的電機控制，并且相關的高開關頻率將電機紋波的損耗維持在很低的水平。IGBT的開關頻率反映PWM產(chǎn)生理想的電機電流的能力。頻率越高，電機電流中的紋波就越低，電機損耗就越少。

1.4 牽引逆變器保護機制

牽引逆變器中有兩個過壓斬波器，主要作用是防止牽引逆變器過壓。當直流電壓超過1950V時，過壓斬波器被激活，當過壓保護激活時，電壓通過過壓斬波器進行放電，當電壓低于1850V時，過壓保護停止。

牽引逆變器中配有過電流保護。相間短路過程中，可能發(fā)生相過電流。保護基于U相和V相中的電流測量，保護功能在計算機硬件中進行，以快速做出過過流響應。

空轉和滑行保護，空轉和滑行控制能夠最大地利用粘著力。控制使用所有動力軸的速度以檢測滑動。發(fā)生滑動時，轉矩參考可以立刻降低。這種控制在牽引和制動模式下均啟用。

無電區(qū)保護，利用列車的動能，在過無電區(qū)的時候可以通過直流環(huán)節(jié)電容以維持電壓。當檢測到無電區(qū)時，轉矩參考立即被輕微制動代替。制動模式，3相變流器能量反向，反饋到直流環(huán)節(jié)電容。當檢測到電壓后，施加原先的轉矩。通過這種方式，變流器不需要過斷電區(qū)重新激活。

1.5 牽引逆變器傳感器

牽引逆變器內置有三種類型的傳感器。

電流傳感器：有兩個電流傳感器，分別用于測量U相和V相的電流。W相電流通過計算得出。3相電流和為0;電壓傳感器：測量直流電容器的電壓;溫度傳感器：有兩個溫度傳感器，一個在散熱裝置中（散熱裝置溫度），另一個在門極驅動單元安裝板上（內部溫度）。溫度傳感器測量的溫度值發(fā)送驅動控制單元。當溫度值超過預設的溫度值時，會降低牽引逆變器的功率值，直到牽引逆變器停止工作。

1.6 冷卻方式

牽引逆變器的冷卻方式為風冷。通過內部風扇和外部風扇來冷卻。當蓄電池給牽引逆變器供電時，內部風機就開始工作，內部風機流通變流器模塊內部空氣，平均分布熱，因此，內部冷卻系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。當牽引逆變器激活開始運行時，外部風機開始工作。這樣通過內部風機和外部風機的共同散熱，能夠有效的將牽引逆變器產(chǎn)生的熱量帶著，保證溫度不超過限定值。

2 ?總結

牽引逆變器是地鐵車輛結構中很重要的組成部分，為車輛提供能量來源，與地鐵車輛的穩(wěn)定運行存在很大關系。但同時，牽引逆變器具有結構復雜，涉及廣泛的特點，因此這就要求相關人員具備豐富的知識，熟練的操作。新譽龐巴迪產(chǎn)的牽引逆變器在烏魯木齊城市軌道交通1號線工程投入使用以來，運行穩(wěn)定有序，增強了車輛的安全性和可靠性，為人們的出行提供了重要保障。

參考文獻：

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