長春輕軌改造車輛牽引逆變器設計方案研究

曲 強，張廣遠，李 巖，姜 濤，吳志友

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連 116052）

長春輕軌三期車輛70%低地板輕軌車輛，采用6模塊的長編組（4動2拖）模式，最大載客量為624人［1］。其主要承載著長春軌道交通3、4號線路的主要運力，牽引逆變器作為輕軌車輛的核心部件，其性能好壞直接影響到車輛運營的穩(wěn)定性、安全性以及運營質(zhì)量。按照三期車輛的使用情況以及維保要求，車輛各級子設備都已進入了廠修周期，現(xiàn)有車輛的牽引逆變器為國外進口設備，由于其設備器件更換成本高、周期長、檢修功能測試復雜、故障診斷難度大等原因，已不能全面滿足廠修車輛設備大修及其備件的更換需求。因此，研制1臺可以替換進口設備的自主化牽引逆變器具有十分重要的意義。

針對這一問題文中主要結合業(yè)主提出對長春三期輕軌車輛牽引逆變器技術改造需求，對于自主化輕軌牽引逆變器的研制及裝車試驗情況進行介紹。

1 原有車輛牽引逆變器主要技術特點

長春三期輕軌車輛采用4M 2T編組方式，具體配置方式為MC+TP+M=M+TP+MC。

其中MC表示為帶有司機室的動車，TP表示為帶有受電弓的拖車，M表示為動車。每個動車對應1臺牽引逆變器，整車共有4臺牽引逆變器，車輛配置如圖1所示。

圖1 車輛配置圖

原有車輛牽引逆變器采用1拖2動（1C2M）架控控制方式即1組牽引功率模塊對應2臺牽引電機，斬波模塊采用雙路專用斬波IGBT并聯(lián)輸出控制模式；同時牽引逆變器后端接有牽引濾波器用于減少逆變器輸出諧波對牽引電機的影響。其半列車主電路原理如圖2所示。

圖2 牽引逆變器主電路原理圖

原車牽引逆變器參數(shù)見表1。

表1 牽引逆變器參數(shù)

按照現(xiàn)有車輛的使用情況，原有車輛牽引逆變器存在以下幾點問題：

（1）由于原有車輛未裝有故障存儲單元，車輛發(fā)生故障時，只能依賴操作人員的口述及人機接口顯示信息進行故障情況的模糊分析，很難第一時間鎖定故障發(fā)生位置。

（2）原有牽引逆變器采用純電信號進行信號傳輸以及IGBT驅(qū)動控制，隨著時間的推移，線纜及電路板老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，車輛會偶爾觸發(fā)誤保護動作，進而影響車輛的正常使用。

（3）原有牽引逆變器所采用IGBT為早期產(chǎn)品，其器件結溫參數(shù)為125℃，目前已處于停產(chǎn)狀態(tài)，新升級后的型號無法直接替換使用。

（4）春季長春市區(qū)楊絮四處飛揚，原有牽引逆變器的濾塵裝置容易被其堵塞并且不可更換，這使得柜體的冷卻效率大大降低甚至會觸發(fā)逆變器過溫故障停車，影響車輛正常運營。

2 改造后牽引逆變器設計方案

2.1 改造方案主要技術特點

改造方案采用對原有車輛4臺牽引逆變器一對一的整列替換方式，即新設計4臺牽引逆變器替換原有車輛安裝的牽引逆變器。該方案的牽引逆變器最大程度地保持原車柜體安裝位置、重載連接器型號及空間位置、對外接口信號定義方面不做任何改變，從而減少牽引逆變器的替換造成的外部結構安裝和走線的影響；在此基礎上只針對牽引逆變器柜體內(nèi)部布局及器件選型進行重新設計，縮短柜體設計周期，替換后的牽引逆變器在功能上能夠覆蓋原車牽引性能需求。

該牽引逆變器設計主要特點包括以下幾個方面：

（1）為便于車輛運營期間的故障分析和處理。新設計牽引逆變器增加故障記錄功能，可以記錄牽引逆變器故障發(fā)生時刻的運行數(shù)據(jù)。

（2）為提高信號抗干擾能力。新設計牽引逆變器功率IGBT驅(qū)動控制全部升級為光纖傳輸模式，增加了控制電源的EMI濾波模塊，進一步提高控制電源質(zhì)量，保證牽引控制的可靠性。

（3）新設計柜體對充、放電電阻等功率器件進行結構優(yōu)化布局（可散熱冷卻），提高器件壽命周期，減小故障率。主電路采用模塊化設計思路，各子模塊連接采用銅排或復合母排連接方式，優(yōu)化系統(tǒng)布局，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。使用全新一代廣泛成熟應用的IGBT功率模塊，結溫提高到150℃，增加了IGBT使用的可靠性。

（4）改造方案牽引逆變器采用1C1M軸控控制方式，當牽引逆變器中一組牽引逆變單元發(fā)生故障無法工作時，不影響另一組牽引逆變單元工作，每臺電機控制都互不影響，具有良好的獨立性，有效提升了牽引系統(tǒng)的可利用性。

另外，由于改造方案的牽引逆變器與原有車輛控制方式存在軸控與架控的差異，考慮到2種牽引逆變器在控制算法、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、對外接線方式的不同，改造方案的牽引逆變器在使用上應保持全車整列替換，不與原有車輛設備交叉使用。

2.2 柜體結構設計

該方案牽引逆變器采用2組容量120 kW功率模塊平面對稱布局方式，其結構基本相似，確保了電氣性能的相似性，有效地降低了2組功率模塊因結構性差異而出現(xiàn)故障的概率，從而提高了牽引逆變器的可靠性。

柜內(nèi)各子單元采用模塊化設計方式，功率模塊組件、控制電路組件、接觸器組件、電抗器組件、風機組件均形成模塊，方便裝配、檢修、更換等處理，模塊化設計集成度高，維護、裝配空間充裕，如圖3所示。

圖3 牽引逆變器結構圖

冷卻系統(tǒng)采用強迫風冷方式。采用以離心式風機為主體而形成的Ⅱ型風道結構，牽引及斬波功率模塊安裝在風道上壁兩側(cè)，由牽引逆變器一側(cè)的側(cè)板格柵網(wǎng)進風，牽引及斬波功率模塊產(chǎn)生的熱量被帶走，然后經(jīng)過離心式風機，從牽引逆變器另一側(cè)板將風排出，在整個過程中還冷卻了直流電抗器，將其產(chǎn)生的熱量也一道排出，風道結構緊湊、合理，柜體散熱效率和能力得到了提升。另外，進風口增加可更換式濾網(wǎng)設計，簡單有效地解決了由于楊絮堵塞而造成的牽引逆變器冷卻效率低的問題。

2.3 主電路器件參數(shù)設計

該方案牽引逆變器主電路采用雙路兩電平、電壓型三相全橋電路結構，控制方式為軸控模式，牽引逆變器的主電路主要包含以下幾部分：主充電模塊、直流平波電抗器、功率模塊，如圖4所示。圖中各部分器件含義見表2。

圖4 改造后牽引逆變器主電路原理圖

表2 器件描述

其主要工作原理為：逆變器首先完成自檢功能測試，而后司機操縱方向手柄，給出“向前”指令信號，柜內(nèi)散熱風機開始工作，同時逆變器根據(jù)其檢測到電網(wǎng)電壓值是否在正常范圍內(nèi)，來判斷主充電電路是否可以正常工作；若正常，則充電接觸器先閉合，主接觸器在充電完成后再閉合，同時充電接觸器斷開，達到為母線提供直流電壓的目的；接下來，逆變器根據(jù)司控器級位手柄的“牽引”、“制動”及“檔位”指令信號來控制牽引電機在“牽引”或“制動”工況下運行；當一路逆變斬波模塊發(fā)生故障時，不會使其所對應的轉(zhuǎn)向架失去全部動力而進入到車輛限速模式中。

該方案主電路關鍵器件參數(shù)設計計算如下。

2.3.1 母線支撐電容參數(shù)設計

母線支撐電容作為儲能元件，在牽引逆變器直流母線中扮演著至關重要的作用。根據(jù)其工作原理，我們通常綜合輸出負載的無功功率、流過電容的瞬態(tài)電流、直流主回路的濾波能力等因素對其參數(shù)進行計算［2］，具體計算公式為式（1）：

式中：Cd為母線支撐電容容值；Pd為輸出功率的額定值；ω為角頻率；Ud為直流母線電壓。

根據(jù)式（1）可以求得母線支撐電容計算值。按照公式計算出的電容值可以滿足濾波要求。但由于在車輛運行時，需要經(jīng)過短暫的無電區(qū)，為保證牽引逆變器在過無電區(qū)后可以迅速恢復工作，需要支撐電容應能儲存足夠能量；而且也為了盡可能使母線電壓平穩(wěn)，減小波動，需選擇容值較大的電容器。另外，為了滿足母線支撐電容選型所限制的尺寸及相應技術條件，電容器選擇5 000μF。

2.3.2 IGBT參數(shù)設計

IGBT作為牽引逆變器中功率模塊的重要組成元件，其參數(shù)直接影響牽引逆變器的性能好壞，通常在保證其能發(fā)揮正常的輸出特性及可靠性的前提下，按照其耐高壓及耐高溫能力進行分析計算：

IGBT兩端UCE最大耐壓值為式（2）：

式中：k1為過電壓系數(shù)；k2為安全系數(shù)；Udm為直流電壓最高值；Up為關斷時刻的尖峰電壓［3］。

流過IGBT最大電流的峰值為式（3）：

式中：α0為電流尖峰系數(shù)；α1為溫度降額系數(shù)；α2為系統(tǒng)過載系數(shù)；I為額定負載輸出電流最大值，需根據(jù)電機負載參數(shù)進行折算。

通過式（2）和式（3）的公式計算可以得出IGBT電壓及電流計算值分別為：1 560 V，450 A。結合根據(jù)IGBT的產(chǎn)品參數(shù)手冊，可以選定牽引逆變器所需要的IGBT，同時為保證柜體結構設計一致性，斬波IGBT選為同一參數(shù)。牽引逆變器選用1 700 V/800 A的IGBT器件。

2.3.3 線路平波電抗器參數(shù)設計

線路平波電抗器主要作用是抑制供電電網(wǎng)的干擾以及減少線路基波的諧波含量對于逆變器的影響；提高輸入電網(wǎng)的功率因數(shù)；限制逆變側(cè)短路電流，使牽引逆變器穩(wěn)定運行。

根據(jù)其工作特點以及輕軌車輛項目應用經(jīng)驗，按照截止頻率為60 Hz可滿足要求。

式中：ω為截止角頻率；C為母線支撐電容容值；根據(jù)輕軌車輛項目經(jīng)驗，濾波電抗器實際為2 mH。

2.3.4 功率電阻參數(shù)設計

慢放電阻的工作原理是在牽引逆變器停機并斷開主接觸器以后，母線支撐電容所儲存的電能能夠通過慢放電阻得到釋放，一般要求降至人體安全電壓36 V以下。另外，輕軌車輛對慢放電阻的放電時間也有要求，一般會要求在5 min內(nèi)慢放電阻必須將母線支撐電容兩端電壓降低至36 V人體安全電壓以下。

根據(jù)實際的放電時間要求，得到放電電阻計算公式為式（5）：

式中：u0為放電初始直流電壓；ut為放電完成時直流電壓；τ為放電時間；C為母線支撐電容值。

為增加系統(tǒng)的可靠性，牽引逆變器采用2個電阻并聯(lián)方式，同時結合電阻廠商既有型號選出慢放電阻為12.5 kΩ。每個電阻的阻值為25 kΩ。

而放電電阻功率計算公式為式（6）：

式中，Udcmax為直流母線電壓最大值。

考慮4～5倍系數(shù)可得慢放電電阻額定功率為200 W。

2.4 牽引控制單元設計

牽引控制單元作為牽引逆變器的控制核心部分，采用模塊化功能設計，即每種電路板集中實現(xiàn)同一類功能，7U64Te標準插件箱，前面板布線，機箱內(nèi)部通過背板總線連接。主要由電源板、數(shù)字量輸入輸出板、中央控制板、信息管理板、模擬量信號板、網(wǎng)關板所構成，其結構框如圖5所示。

圖5 牽引控制單元結構圖

其中，中央控制板實現(xiàn)牽引逆變器邏輯保護控制，控制算法實現(xiàn)，脈沖信號交互，車輛網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互功能；模擬量信號板實現(xiàn)電壓和電流模擬量信號采集、處理功能，速度信號采集、處理功能，溫度信號采集、處理功能；數(shù)字量輸入輸出板實現(xiàn)采集數(shù)字量輸入信號（DI信號），控制數(shù)字量輸出信號（DO信號）功能；信息管理板實現(xiàn)記錄和存儲運行數(shù)據(jù)和故障信息記錄功能；網(wǎng)關板實現(xiàn)與車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)通信功能；電源板為各電路板、功率模塊驅(qū)動板以及各類傳感器供電。

牽引控制單元具有完備的保護功能。牽引逆變器出現(xiàn)故障時，中央控制板會依據(jù)故障嚴重等級來進行判斷并做出相應的保護動作；一類故障為最高級別需進行硬件復位；二類故障為次高級別需操控司控器復位指令；三類故障為最低級別可以自動復位。另外，中央控制板在上報故障的同時會將故障信息傳遞給信息管理板，信息管理板將正常記錄區(qū)靠近故障點前后一段時間的記錄完全復制到故障記錄區(qū)，形成一條故障數(shù)據(jù)存儲于FLASH中，保存的所有數(shù)據(jù)都可以通過維護接口進行下載。信息管理板可以提供大于4 GB的FLASH存儲空間，可保存3個月以內(nèi)所有故障數(shù)據(jù)。

2.5 牽引、制動特性控制策略

改造方案牽引逆變器首先接收硬線以及網(wǎng)絡控制單元發(fā)出的方向、牽引/制動、級位、限速值等指令信號，再經(jīng)過牽引控制單元自檢判斷，最終實現(xiàn)PWM逆變輸出，從而驅(qū)動牽引電機運行工作，以滿足車輛運行的各項技術要求，牽引逆變器主要控制算法如下：

（1）基于間接磁場定向的轉(zhuǎn)差型矢量控制

基于間接磁場定向的轉(zhuǎn)差型矢量控制相對于直接磁場定向控制取消了磁鏈環(huán)，避免了磁鏈反饋不精確對電機控制造成的負面影響［4］。其輸入指令信號是轉(zhuǎn)矩給定值T*e和勵磁磁鏈ψ*r。矢量控制模型根據(jù)輸出三相反饋電流進行磁場定向轉(zhuǎn)換，將三相電流Isa、Isb、Isc轉(zhuǎn)換為dq坐標系下轉(zhuǎn)矩電流分量Isq和勵磁電流分量Isd。而后根據(jù)輸入指令值計算轉(zhuǎn)差頻率，進而通過轉(zhuǎn)子頻率和轉(zhuǎn)差頻率得到定子頻率，并計算出矢量控制角，接著利用前饋電壓計算模型計算得到電壓調(diào)節(jié)量和頻率調(diào)節(jié)量。最后，依據(jù)調(diào)制策略模型計算出PWM輸出的占空比，輸出6路PWM脈沖，實際框圖如圖6所示。

圖6 基于間接磁場定向轉(zhuǎn)差型矢量控制原理框圖

（2）車輛4級制動響應模式

長春三期輕軌車輛按照制動功能和制動力大小劃分為共有4級制動響應模式。

常用制動：根據(jù)司機控制器的級位（B1～B7）指令信號，車輛會逐級施加由電制動和拖車盤型制動組成的聯(lián)合制動力，實現(xiàn)車輛的第一級制動相應措施。

強迫制動（EB1）：當車輛在行駛中牽引逆變器收到車門已打開、司機控制器無人警惕按鈕生效、車輛已超速等指令時，牽引逆變器會使牽引電機自動施加最大電制動力，實現(xiàn)車輛的第二級制動響應措施。

安全制動（EB2）：當車輛安全制動按鈕被觸發(fā)時，牽引逆變器內(nèi)部使能信號失效，同時立即切斷主接觸器，車輛在撒沙的同時會自動施加由動車液壓制動與磁軌制動組成的聯(lián)合制動力，實現(xiàn)車輛的第三級制動響應措施［5］。

緊急制動（EB3）：當司機控制器處于EB位時，車輛在撒沙的同時會自動施加由最大電制動、機械摩擦制動和磁軌制動組成的聯(lián)合制動力，實現(xiàn)車輛的最后一級制動響應措施。

3 改造方案效果驗證

改造后的牽引逆變器在設計研制完成后，需進行一系列的靜態(tài)與動態(tài)型式試驗，以驗證改造后的輕軌車輛牽引性能是否滿足原有車輛的設計指標，進而保證改造后輕軌車輛在運用過程中安全可靠。

根據(jù)原有車輛關于加減速度的相關要求在不同載重負荷模式下，分別進行了車輛牽引、制動性能考核試驗，各項試驗數(shù)據(jù)結果均符合原有車輛的設計要求。其中AW3載荷模式（即超員模式，車內(nèi)乘客站位按8人/m2，共計622人，乘客質(zhì)量按60 kg/人）試驗結果如圖7～圖10所示。

最大常用制動工況下，初速度為70.074 km/h，末速度為5.008 km/h，初速度時刻（452.0 m處）和末速度時刻（631.2 m處）的距離為179.2 m，得出減速度為1.101 m/s2，速度變化曲線如圖7所示。

圖7 最大常用制動工況下速度變化曲線

緊急制動工況下，初速度為70.001 km/h，末速度為0，初速度時刻（468.2 m處）和末速度時刻（568.6 m處）的距離為100.4 m，得出減速度為1.883 m/s2，速度變化曲線如圖8所示。

圖8 緊急制動工況下速度變化曲線

加速度試驗0～70 km/h工況下，初速度為0，末速度為70.124 km/h，初速度時刻（0.0 m處）和末速度時刻（347.7 m處）的距離為347.7 m，得出加速度為0.656 m/s2，速度變化曲線如圖9所示。

圖9 滿級牽引工況下0~70 km/h速度變化曲線

加速度試驗0～32 km/h工況下，初速度為0，末速度為32.034 km/h，初速度時刻（0.0 m處）和末速度時刻（42.1 m處）的距離為42.1 m，得出加速度0.994 m/s2，速度變化曲線如圖10所示。

圖10 滿級牽引工況下0~32 km/h速度變化曲線

改造車輛于長春軌道交通3號線伊通河站至職業(yè)學院站間進行了AW3載荷試驗，AW3載荷試驗標準值為：

（1）在AW3載荷情況下，在平直線路上，車輪參照半磨耗狀態(tài)：

從0加速到32 km/h時，車輛運行的加速度≥0.96 m/s2；

從0加速到70 km/h時，車輛運行的加速度≥0.5 m/s2。

（2）在AW3載荷情況下，在平直線路上，車輪參照半磨耗狀態(tài)，車輛在最高運行速度70 km/h時，從制動指令發(fā)出到輕軌車輛停止需滿足下列指標：

緊急制動從70 km/h減速到0，減速度需≥1.8 m/s2；

最大常用制動從70 km/h減速到5 km/h，減速度需≥1.1 m/s2。

4 結束語

改造方案研制的牽引逆變器在我公司研制完成后，先于長春中車軌道車輛有限公司進行整車組裝，而后在長春輕軌公司湖光分部完成了庫內(nèi)靜態(tài)調(diào)試、夜間線路動態(tài)調(diào)試以及各項型式試驗，取得了良好的效果。目前，改造后的輕軌列車已投入到長春軌道交通3號線車輛載客運營當中，該車的成功運營為公司的牽引逆變器檢修技術的創(chuàng)新增效發(fā)展提供了新方案。