地鐵列車(chē)的新型逆變器系統
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在即將投入運營(yíng)的sz1地鐵列車(chē)上，采用了一種新型變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動(dòng)系統。之所以稱(chēng)它是“新型”系統，是因為以下三個(gè)原因：其一，采用大功率電力電子器件igbt模塊。復合型igbt是以單極型mosfet為驅動(dòng)元件，雙極型gtr為主導元件的達林頓結構元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅動(dòng)功率?。妷盒停?、電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高、熱穩定性好和后者安全工作區寬、電流密度高、導通壓降低的優(yōu)點(diǎn);其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內外已投入運營(yíng)的同類(lèi)產(chǎn)品（4m2t）大，因而使這類(lèi)地鐵列車(chē)有更大的牽引功率和電制動(dòng)功率;其三，vvvf逆變器采用直接轉矩控制系統，這是除矢量控制系統之外的另一種新的高動(dòng)態(tài)性能的、但更簡(jiǎn)單適用的變頻變壓調速系統。因此，這種“新型”系統體現了現代電力電子器件、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(jiǎn)單、靈活、準確，多功能化和智能化。這將大大提高地鐵列車(chē)vvvf逆變器系統的可靠性、可維修性以及經(jīng)濟性等，具有廣闊的發(fā)展前景。
2 sz1地鐵列車(chē)電氣設備的構成
2.1 地鐵列車(chē)電氣設備布置與電路圖
如圖1所示，sz1地鐵列車(chē)為6輛編組（4m2t）的兩個(gè)3車(chē)單元（2m1t）對稱(chēng)設計。每個(gè)3車(chē)單元都由一個(gè)帶司機室的拖車(chē)a和兩個(gè)動(dòng)車(chē)（帶受電弓的動(dòng)車(chē)b和不帶受電弓的動(dòng)車(chē)c）組成。兩個(gè)3車(chē)單元用半自動(dòng)車(chē)鉤連接。
每車(chē)兩個(gè)轉向架共四根軸， 一個(gè)動(dòng)車(chē)的四根軸由同一臺牽引逆變器驅動(dòng)， 即四臺自冷三相異步牽引電動(dòng)機并聯(lián)運行。
?。?） sz1地鐵列車(chē)的線(xiàn)路區段：
sz1地鐵1期工程1號線(xiàn)13站，平均站間距1.172km，最大地下深度22m;4號線(xiàn)5站，平均站間距1.011km，最大地下深度23.5m。
?。?） 軌距：1435mm。
?。?） 設計最大坡道：正線(xiàn)35‰，車(chē)站線(xiàn)路3‰，輔助線(xiàn)路（awo）40‰，車(chē)輛段線(xiàn)路0‰。
?。?） 車(chē)輛載荷：列車(chē)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 電氣系統簡(jiǎn)述
sz1地鐵列車(chē)的牽引逆變器系統全稱(chēng)應該是“變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動(dòng)系統”。圖1所示系統的主要設備包括受電弓、浪涌吸收器、隔離和接地開(kāi)關(guān)、高速斷路器、線(xiàn)路濾波電抗器、線(xiàn)路接觸器和充電限流環(huán)節、接地差動(dòng)電流檢測器、牽引逆變器（牽引逆變器模塊、制動(dòng)斬波器模塊、線(xiàn)路濾波電容器）、制動(dòng)電阻、牽引電機（4臺）、接地和負極回流裝置?，F將系統設備的功能、技術(shù)參數、工作原理按以上編號分別簡(jiǎn)述如下（控制單元略）。
以動(dòng)車(chē)b為中心，按編號順序描述如下設備名稱(chēng)、位置、功能基本特點(diǎn)和概念。
?。?）每個(gè)動(dòng)車(chē)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(guò)壓保護，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）;計算電網(wǎng)電壓在牽引時(shí)為dc1500v，再生制動(dòng)時(shí)為dc1650～1800v。
?。?）高壓電源（dc1500v）通過(guò)4根電纜（每根都各走一根鋼管）連接到b車(chē)的ph箱（牽引逆變器和高壓設備箱）中的隔離和接地開(kāi)關(guān)3（θ1點(diǎn)），它有三個(gè)位置，即受電弓受電位、連接車(chē)間電源的插座位、車(chē)輛接地位。
?。?） 經(jīng)過(guò)隔離和接地開(kāi)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(chē)上ph箱中的線(xiàn)路濾波電抗器5和本車(chē)上ph箱外的線(xiàn)路濾波電抗器5，再分別接到各自的b車(chē)和c車(chē);ph箱中和pa箱（牽引逆變器和輔助逆變器箱）中的線(xiàn)路接觸器6（充電限流環(huán)節）、輸入輸出差動(dòng)電流接地保護7、牽引逆變器8（包括線(xiàn)路濾波電容器、牽引逆變器模塊、制動(dòng)斬波器模塊）、制動(dòng)電阻9（分別在b車(chē)ph箱外和c車(chē)pa箱外），以及b車(chē)和c車(chē)的四臺牽引電動(dòng)機io。
?。?） 隔離和接地開(kāi)關(guān)θ1和θ2的2位相連接地11（接地和負極回流點(diǎn)）。
?。?）高壓電經(jīng)過(guò)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(chē)的蓄電池充電器;連接到輔助逆變器熔斷器13、線(xiàn)路濾波電抗器14（在c車(chē)上）、線(xiàn)路接觸器（充電限流環(huán)節）15（在c車(chē)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(chē)ph箱中的牽引逆變器輸入電壓負極對地之間，c車(chē)pa箱中的牽引逆變器、輔助逆變器輸入電源負極對地之間。
?。?） 高壓經(jīng)過(guò)輔助熔斷器25和隔離二極管26后，還連接到母線(xiàn)重聯(lián)裝置的熔斷器、接觸器20、重聯(lián)插座21，給列車(chē)的另一個(gè)3車(chē)單元供電。
?。?） 23是組容保護電路，防止隔離二極管反向擊穿。
?。?） 24是網(wǎng)壓測量裝置。
由此可見(jiàn)，sz1地鐵列車(chē)有四臺完全相同的牽引逆變器系統，其中兩臺裝在b車(chē)的ph箱中，另外兩臺裝在c車(chē)的pa箱中（但是它們的告訴斷路中4裝在b車(chē)的ph箱中，線(xiàn)路濾波電抗器5裝在b車(chē)的ph箱外）;sz1地鐵列車(chē)有完全相同的兩臺輔助逆變器系統，分別裝在兩個(gè)3車(chē)單元的動(dòng)車(chē)c的pa箱中，但是，它們沒(méi)有高速斷路器，只通過(guò)裝在動(dòng)車(chē)b的ph箱外的輔助逆變器熔斷器供電，且線(xiàn)路濾波電抗器14在動(dòng)車(chē)c的pa箱外;sz1地鐵列車(chē)有完全相同的兩臺直流電源系統，分別裝在兩個(gè)3車(chē)單元的拖車(chē)a上，但是，蓄電池充電器熔斷器12裝在動(dòng)車(chē)b的ph箱中，由此得到dc1500v高壓電源。
2.3 主要電氣設備簡(jiǎn)介
?。?） 受電弓
sz1地鐵列車(chē)有兩臺受電弓，分別裝在兩個(gè)3車(chē)電源的b車(chē)頂上，將dc1500v電源連接到ph箱中的隔離和接地開(kāi)關(guān)上。
受電弓的主要技術(shù)參數：額定電壓：dc1500v; 最大/暫態(tài)系統電壓：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(chē)輛外部的大氣過(guò)電壓（如雷擊過(guò)電壓）和車(chē)輛內部的操作過(guò)電壓對車(chē)輛電氣設備的破壞。其保護整定值應與變電所過(guò)電壓保護整定值相協(xié)調。
?。?） 隔離和接地開(kāi)關(guān)
在運行時(shí)，連接受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統，隔離車(chē)間電源;在車(chē)間時(shí)，連接輔助電源系統、車(chē)間電源，隔離受電弓、牽引逆變器系統;關(guān)斷時(shí)，隔離受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統、車(chē)間電源，并把受電弓和輔助設備電源端接地。
隔離和接地開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)用于監控和安全聯(lián)鎖，它有足夠的間隔甚至在觸點(diǎn)開(kāi)閉過(guò)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(chē)的4臺牽引逆變器都是由高速斷路器來(lái)接通或斷開(kāi)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(guò)流自動(dòng)跳閘，也可以由dc110v電源控制跳閘，且可在兩個(gè)電流方向過(guò)流自動(dòng)跳閘，這正好滿(mǎn)足地鐵列車(chē)牽引和再生制動(dòng)運行的需要。
高速斷路器的主要技術(shù)參數：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;穩態(tài)短路電流：30ka（短路時(shí)間常數1sms）;機械響應時(shí)間：約3ms（電流初始上升率di/dt=2ka/ms時(shí)）;總開(kāi)斷時(shí)間：約15ms;控制電源電壓：dc110v。
?。?） 線(xiàn)路濾波器（線(xiàn)路濾波電抗器和線(xiàn)路濾波電容器）
因為感抗（xl=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(chē)變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動(dòng)系統中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。如抑制電網(wǎng)側傳輸到逆變器直流側的諧波電流和過(guò)電壓，抑制逆變器產(chǎn)生的諧波電流和換流引起的過(guò)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(xiàn)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(xiàn)路濾波電容器電容量與其額定電壓有關(guān)，且應與線(xiàn)路濾波電抗器的電感量相匹配，約在數千μf左右。線(xiàn)路濾波電容器的主要技術(shù)參數：
額定電壓：最高達6kv;最大電流：最高達600a;自感量：≤40nh;額定能量：最高達18kj;介質(zhì)損耗因數：tanδ0=2×10-4;最大峰值電流：最高達10ka;最大浪涌電流：最高達100ka。
?。?） 線(xiàn)路接觸器
線(xiàn)路接觸器的功能常被人們忽視，不熟悉其閉合斷開(kāi)過(guò)程，以及它與高速斷路器和線(xiàn)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(guò)大的充電電流使線(xiàn)路濾波電容器受損，首先閉合充電限流環(huán)節的接觸器，接入限流電阻，待電容電壓達到一定值后（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(xiàn)路接觸器6，將限流電阻短接。當高速斷路器斷開(kāi)時(shí)，線(xiàn)路濾波電容器應在5min內自動(dòng)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)間常數值。
線(xiàn)路接觸器的通斷能力應滿(mǎn)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(dòng)電流檢測裝置（差動(dòng)電流保護器）
當牽引逆變器正端輸入電流和負端回流的差值超過(guò)50a時(shí)，表明牽引逆變器主電路發(fā)生接地故障，差動(dòng)電流保護器動(dòng)作，封鎖igbt門(mén)極脈沖，斷開(kāi)高速斷路器和線(xiàn)路接觸器，并故障顯示，報警。
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