地鐵列車的新型逆變器系統(tǒng)
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在即將投入運(yùn)營的sz1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統(tǒng)。之所以稱它是“新型”系統(tǒng)，是因?yàn)橐韵氯齻€(gè)原因：其一，采用大功率電力電子器件igbt模塊。復(fù)合型igbt是以單極型mosfet為驅(qū)動元件，雙極型gtr為主導(dǎo)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅(qū)動功率?。妷盒停?、電路簡單、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好和后者安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn);其二，單臺牽引電機(jī)額定功率較之目前國內(nèi)外已投入運(yùn)營的同類產(chǎn)品（4m2t）大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動功率;其三，vvvf逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這是除矢量控制系統(tǒng)之外的另一種新的高動態(tài)性能的、但更簡單適用的變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。因此，這種“新型”系統(tǒng)體現(xiàn)了現(xiàn)代電力電子器件、電路及其控制技術(shù)方面的特點(diǎn)：集成度高，工作頻率高，全控化，電路控制簡單、靈活、準(zhǔn)確，多功能化和智能化。這將大大提高地鐵列車vvvf逆變器系統(tǒng)的可靠性、可維修性以及經(jīng)濟(jì)性等，具有廣闊的發(fā)展前景。
2 sz1地鐵列車電氣設(shè)備的構(gòu)成
2.1 地鐵列車電氣設(shè)備布置與電路圖
如圖1所示，sz1地鐵列車為6輛編組（4m2t）的兩個(gè)3車單元（2m1t）對稱設(shè)計(jì)。每個(gè)3車單元都由一個(gè)帶司機(jī)室的拖車a和兩個(gè)動車（帶受電弓的動車b和不帶受電弓的動車c）組成。兩個(gè)3車單元用半自動車鉤連接。
每車兩個(gè)轉(zhuǎn)向架共四根軸， 一個(gè)動車的四根軸由同一臺牽引逆變器驅(qū)動， 即四臺自冷三相異步牽引電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。
?。?） sz1地鐵列車的線路區(qū)段：
sz1地鐵1期工程1號線13站，平均站間距1.172km，最大地下深度22m;4號線5站，平均站間距1.011km，最大地下深度23.5m。
?。?） 軌距：1435mm。
?。?） 設(shè)計(jì)最大坡道：正線35‰，車站線路3‰，輔助線路（awo）40‰，車輛段線路0‰。
（4） 車輛載荷：列車總載荷（t）awo（空載）： 210t， aw1（48座/輛，288座/列）：227.4t，aw2（6人/m2，1920人/列）：342.6t;aw3（9人/m2，2502人/列）：377.5t。
2.2 電氣系統(tǒng)簡述
sz1地鐵列車的牽引逆變器系統(tǒng)全稱應(yīng)該是“變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統(tǒng)”。圖1所示系統(tǒng)的主要設(shè)備包括受電弓、浪涌吸收器、隔離和接地開關(guān)、高速斷路器、線路濾波電抗器、線路接觸器和充電限流環(huán)節(jié)、接地差動電流檢測器、牽引逆變器（牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊、線路濾波電容器）、制動電阻、牽引電機(jī)（4臺）、接地和負(fù)極回流裝置?，F(xiàn)將系統(tǒng)設(shè)備的功能、技術(shù)參數(shù)、工作原理按以上編號分別簡述如下（控制單元略）。
以動車b為中心，按編號順序描述如下設(shè)備名稱、位置、功能基本特點(diǎn)和概念。
?。?）每個(gè)動車b都裝有一個(gè)受電弓1，由一個(gè)浪涌吸收器2進(jìn)行過壓保護(hù)，它連到受電弓的輸出端。其供電制式為架空接觸網(wǎng)，額定電網(wǎng)電壓為dc1500v（變化范圍1000～1800v）;計(jì)算電網(wǎng)電壓在牽引時(shí)為dc1500v，再生制動時(shí)為dc1650～1800v。
?。?）高壓電源（dc1500v）通過4根電纜（每根都各走一根鋼管）連接到b車的ph箱（牽引逆變器和高壓設(shè)備箱）中的隔離和接地開關(guān)3（θ1點(diǎn)），它有三個(gè)位置，即受電弓受電位、連接車間電源的插座位、車輛接地位。
?。?） 經(jīng)過隔離和接地開關(guān)后， 高壓電就連接到兩個(gè)高速斷路器4，
它們分別接到本車上ph箱中的線路濾波電抗器5和本車上ph箱外的線路濾波電抗器5，再分別接到各自的b車和c車;ph箱中和pa箱（牽引逆變器和輔助逆變器箱）中的線路接觸器6（充電限流環(huán)節(jié)）、輸入輸出差動電流接地保護(hù)7、牽引逆變器8（包括線路濾波電容器、牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊）、制動電阻9（分別在b車ph箱外和c車pa箱外），以及b車和c車的四臺牽引電動機(jī)io。
?。?） 隔離和接地開關(guān)θ1和θ2的2位相連接地11（接地和負(fù)極回流點(diǎn)）。
?。?）高壓電經(jīng)過一個(gè)輔助熔斷器和一個(gè)隔離二極管（圖1中的25和26）連接到蓄電池充電熔斷器12，再連接到a車的蓄電池充電器;連接到輔助逆變器熔斷器13、線路濾波電抗器14（在c車上）、線路接觸器（充電限流環(huán)節(jié)）15（在c車的pa箱中）、輔助逆變器16（逆變器模塊、濾波電容器）、三相變壓器、濾波器、輸出變壓器（三相交流380v，50hz）17，以及三相電壓測量裝置18。
?。?）電磁兼容emi電容器19，分別連接在b車ph箱中的牽引逆變器輸入電壓負(fù)極對地之間，c車pa箱中的牽引逆變器、輔助逆變器輸入電源負(fù)極對地之間。
?。?） 高壓經(jīng)過輔助熔斷器25和隔離二極管26后，還連接到母線重聯(lián)裝置的熔斷器、接觸器20、重聯(lián)插座21，給列車的另一個(gè)3車單元供電。
?。?） 23是組容保護(hù)電路，防止隔離二極管反向擊穿。
?。?） 24是網(wǎng)壓測量裝置。
由此可見，sz1地鐵列車有四臺完全相同的牽引逆變器系統(tǒng)，其中兩臺裝在b車的ph箱中，另外兩臺裝在c車的pa箱中（但是它們的告訴斷路中4裝在b車的ph箱中，線路濾波電抗器5裝在b車的ph箱外）;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺輔助逆變器系統(tǒng)，分別裝在兩個(gè)3車單元的動車c的pa箱中，但是，它們沒有高速斷路器，只通過裝在動車b的ph箱外的輔助逆變器熔斷器供電，且線路濾波電抗器14在動車c的pa箱外;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺直流電源系統(tǒng)，分別裝在兩個(gè)3車單元的拖車a上，但是，蓄電池充電器熔斷器12裝在動車b的ph箱中，由此得到dc1500v高壓電源。
2.3 主要電氣設(shè)備簡介
?。?） 受電弓
sz1地鐵列車有兩臺受電弓，分別裝在兩個(gè)3車電源的b車頂上，將dc1500v電源連接到ph箱中的隔離和接地開關(guān)上。
受電弓的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：dc1500v; 最大/暫態(tài)系統(tǒng)電壓：dc1800v/dc2000v;
額定/最大電流：1400a/2400a;最大靜態(tài)電流：460a; 最大速度：90km/h;
最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 靜態(tài)接觸壓力：120n±10n; 升弓/降弓時(shí)間：≯8s/≯7s。
?。?） 浪涌吸收器（避雷器）
浪涌吸收器的功能是防止車輛外部的大氣過電壓（如雷擊過電壓）和車輛內(nèi)部的操作過電壓對車輛電氣設(shè)備的破壞。其保護(hù)整定值應(yīng)與變電所過電壓保護(hù)整定值相協(xié)調(diào)。
?。?） 隔離和接地開關(guān)
在運(yùn)行時(shí)，連接受電弓、輔助電源系統(tǒng)、牽引逆變器系統(tǒng)，隔離車間電源;在車間時(shí)，連接輔助電源系統(tǒng)、車間電源，隔離受電弓、牽引逆變器系統(tǒng);關(guān)斷時(shí)，隔離受電弓、輔助電源系統(tǒng)、牽引逆變器系統(tǒng)、車間電源，并把受電弓和輔助設(shè)備電源端接地。
隔離和接地開關(guān)的輔助觸點(diǎn)用于監(jiān)控和安全聯(lián)鎖，它有足夠的間隔甚至在觸點(diǎn)開閉過程中也不拉弧;短路電流由變電站的高速斷路器限流。
?。?） 高速斷路器（hscb）
sz1地鐵列車的4臺牽引逆變器都是由高速斷路器來接通或斷開dc1500v高壓電源的。高速斷路器是電磁控制和自然冷卻的單極直流斷路器。它可以因過流自動跳閘，也可以由dc110v電源控制跳閘，且可在兩個(gè)電流方向過流自動跳閘，這正好滿足地鐵列車牽引和再生制動運(yùn)行的需要。
高速斷路器的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：dc2000v;額定電流：1000a;允許短時(shí)工作電流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;穩(wěn)態(tài)短路電流：30ka（短路時(shí)間常數(shù)1sms）;機(jī)械響應(yīng)時(shí)間：約3ms（電流初始上升率di/dt=2ka/ms時(shí)）;總開斷時(shí)間：約15ms;控制電源電壓：dc110v。
?。?） 線路濾波器（線路濾波電抗器和線路濾波電容器）
因?yàn)楦锌梗▁l=ωl）和容抗（xc=1/ωc）的原因，使它們具有抑制電流沖擊（di/dt）和抑制電壓沖擊（du/dt）的功能。它們在地鐵列車變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。如抑制電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)侥孀兤髦绷鱾?cè)的諧波電流和過電壓，抑制逆變器產(chǎn)生的諧波電流和換流引起的過電壓的不利影響，限制逆變器的故障電流和濾平輸入電壓等。線路濾波電抗器電感量一般為5～8mh（900a時(shí)5mh），額定電流為475a，最大電流為900a。
線路濾波電容器電容量與其額定電壓有關(guān)，且應(yīng)與線路濾波電抗器的電感量相匹配，約在數(shù)千μf左右。線路濾波電容器的主要技術(shù)參數(shù)：
額定電壓：最高達(dá)6kv;最大電流：最高達(dá)600a;自感量：≤40nh;額定能量：最高達(dá)18kj;介質(zhì)損耗因數(shù)：tanδ0=2×10-4;最大峰值電流：最高達(dá)10ka;最大浪涌電流：最高達(dá)100ka。
?。?） 線路接觸器
線路接觸器的功能常被人們忽視，不熟悉其閉合斷開過程，以及它與高速斷路器和線路濾波電容器充放電之間的關(guān)系。在受電弓升起、高速斷路器閉合后，為防止過大的充電電流使線路濾波電容器受損，首先閉合充電限流環(huán)節(jié)的接觸器，接入限流電阻，待電容電壓達(dá)到一定值后（由與電容器固定并聯(lián)的放電電阻上取電壓傳感器信號），閉合線路接觸器6，將限流電阻短接。當(dāng)高速斷路器斷開時(shí)，線路濾波電容器應(yīng)在5min內(nèi)自動放電至低于50v（由其固定并聯(lián)放電電阻值決定），且可得到放電時(shí)間常數(shù)值。
線路接觸器的通斷能力應(yīng)滿足下列要求：
·電壓：1.2un（un為dc 1500v）;
·電流：1.1in（in為電磁接觸器的額定電流）;
·兩次間隔時(shí)間：2min。
?。?） 接地差動電流檢測裝置（差動電流保護(hù)器）
當(dāng)牽引逆變器正端輸入電流和負(fù)端回流的差值超過50a時(shí)，表明牽引逆變器主電路發(fā)生接地故障，差動電流保護(hù)器動作，封鎖igbt門極脈沖，斷開高速斷路器和線路接觸器，并故障顯示，報(bào)警。
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