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類型分類：: 科普知識

數(shù)據(jù)分類：: 光伏逆變器

中壓逆變器在軌道交通車輛上的應(yīng)用

發(fā)布日期：2022-04-27 點擊率：68

        1、引言
    近年來，隨著我國城市人口的膨脹、國民的和環(huán)保節(jié)能理念的推進，軌道升溫已成為不爭的事實。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力技術(shù)和微電子技術(shù)的強力支持下，交流傳動系統(tǒng)以其固有的優(yōu)越性，在軌道牽引領(lǐng)域、尤其是在地鐵等原來由直流電網(wǎng)供電的電動車組中的得到迅猛發(fā)展。本文以阿爾斯通公司的車輛為例，介紹用于地鐵、輕軌等的DC1500V供電的中壓牽引變頻器。
    2、系統(tǒng)構(gòu)成
    阿爾斯通ONIXTM驅(qū)動系統(tǒng)是一種標準化的驅(qū)動產(chǎn)品，主要包括ONIXTMIGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動機。如運行于上海明珠線的是阿爾斯通MetropolisTM列車。列車采用4動2拖編組方式，每輛動車裝備一套牽引變頻器。包括ONIXTM1500逆變器模塊、ONIXTM交流電機和AGATE控制電子裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    高壓供電開關(guān)（HVSS）:
    三檔位置:位置P—牽引變頻器由接觸網(wǎng)供電;
    位置E—牽引變頻器完全接地;
    位置W—輔助變流器由車間電源供電。
    高速斷路器（HSCB）:故障情況下，將牽引變頻器與供電電源快速隔離。斷開速度約15ms。斷開可以由控制回路控制或當電流超過設(shè)定值時自動跳閘。當AGATEControl檢測到HSCB斷開時，它將斷開LC和CCC，并且觸發(fā)撬棒回路使濾波器放電。
    ●進線電抗器（LFL）:與充電電容器組成一個低通濾波器，減少電流諧波，減小供電電壓波動對變頻器的。
    ●電容充電接觸器（CCC）:對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當濾波電壓達到950V時，LC閉合，CCC斷開。
    ●電容充電電阻（CCZ）:對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當HVSS置于接地位置時，用于對電容器放電。
    ●進線接觸器（LC）:對濾波電容軟充電，防止大電流沖擊;當濾波電壓達到950V時，LC閉合;當牽引變頻器故障時斷開。
    ●硬撬棒回路晶閘管（TH1）:對電容器快速放電;瞬間過壓時對IGBT和濾波電容提供保護;當濾波電壓超過2500V時，導(dǎo)通保護。
    ●高頻濾波電容（HFK）:減少高頻電磁干擾;為高頻交流電流提供一個低阻抗回路。

                              圖1ONIXTM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    2.1ONIXTM牽引變頻器的優(yōu)點
    較高的開關(guān)頻率。使交流波形平滑，降低諧波電流，減少體積及重量;更好的電機波形;降低電機損耗;更易于與信號系統(tǒng)兼容。
    ●簡化了功率電路。減少了器件數(shù)量，降低了成本;增加了可靠性;易于維護。
    ●簡化了驅(qū)動電路，易于控制。
    ●無需吸收回路。
    ●易于安裝在散熱器上。IGBT器件包含內(nèi)部絕緣介質(zhì);散熱器直接接地，對冷卻空氣無過濾要求;每一個IGBT器件直接安裝于散熱器上;器件易于替換，無需特殊工具和。
    ●節(jié)約能量。ONIX牽引所產(chǎn)生的近乎完美的正弦波電流輸出減少了電機熱量，通過改進的疊片封裝提供了優(yōu)良的磁性能，降低了渦流損耗。
    2.2驅(qū)動控制裝置—AGATEControl
    AGATEControl是一種先進的電子控制裝置，專門用于控制四象限變流器及電壓源變頻器。大規(guī)模集成電路和雙32位微處理器的使用使ALSTOM牽引變頻器在可靠性及性能方面獲得改進。處理器提供信號處理、快速和功率監(jiān)視功能。其中，Inteli960CA微處理器用于總體監(jiān)控，TexasIMS320C31信號處理器用于快速計算和精確的功率控制。如圖2所示。

                                    圖2AGATE結(jié)構(gòu)框圖
    主要控制功能:異步電機的實施牽引及制動控制，采用了專利的矢量控制算法;先進的防空轉(zhuǎn)、防滑行控制;用于電力電子控制的信號監(jiān)測。
    通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實現(xiàn)友好的用戶界面;通過用于增強監(jiān)視能力的各種與所有的AGATE產(chǎn)品通訊;在同功率車輛之間或不同功率車輛之間進行通訊。
    維護功能:用于診斷和參數(shù)設(shè)置的人機界面;高等級的自測能力;使用微機與之通訊，下載事件及錯誤記錄及以前的維護數(shù)據(jù)。
    2.3牽引系統(tǒng)控制策略
    由電壓源變頻器供電電機運行在脈寬調(diào)制模式（PWM），PWM使它可能施加一個平衡的三相電壓給電機，其幅值和頻率可調(diào)。如圖3所示。

                                    圖3逆變控制框圖
    使用專利技術(shù)的矢量控制策略，輸出力矩常接近力矩指令，且改進了低速運行性能。速度在10公里/小時以上力矩精度為±5%。在10公里/小時以下力矩精度為±10%。這些精度是假設(shè)所有相互之間輪徑差在1%（即8mm）以內(nèi)。
    帶有電機電流最佳控制的矢量控制給出了快速磁通和力矩響應(yīng)（對非激勵電機<1秒），矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時關(guān)斷時重新建立。無需等待電機磁通消失，這是因為逆變器是按電機反電勢調(diào)節(jié)輸出電壓的。力矩控制用寬通帶（0至36Hz）調(diào)節(jié)器完成磁通建立，而不管電機的旋轉(zhuǎn)速度。力矩由電流環(huán)控制，減少當電源系統(tǒng)不規(guī)則時用常規(guī)控制技術(shù)可能發(fā)生的過流可能性。矢量控制原理如圖4所示。
    2.4控制參數(shù)的測量
    電機并聯(lián)連接的策略基于:
    在逆變器輸出端公用的電流和電壓測量取代電機各自的測量;對每個電機單獨進行速度測量;在說明的容差范圍內(nèi)，總的力矩調(diào)節(jié)與輪徑差無關(guān);設(shè)計電機參數(shù)時，允許1%輪徑差，通過對所引起的電機電流差等補償來實現(xiàn)的。
    矢量控制在測量方面對電機而言本質(zhì)上是外部的，它不要求測量電機內(nèi)部，如電機定子和轉(zhuǎn)子的溫度測量、電機內(nèi)部的磁通測量。
    關(guān)于加速度變化率/負載補償:主令控制器產(chǎn)生的牽引力（或制動力）指令連接到AGATE單元并由其。為了控制車輛加速度，按照車輛重量作出校正。車輛載重量是由控制單元使用來自轉(zhuǎn)向架上的傳感器上的信號進行計算的。在電動或制動時，產(chǎn)生一個加/減速度變化率限止指令，內(nèi)部保證車輛的平滑行駛。
    2.5ONIX交流牽引電機
    ALSTOM研制的獨特的輕質(zhì)、緊湊的、型號為4LCA2138的交流牽引電機為全封閉結(jié)構(gòu)，其特點是:
    ●高可靠性。200級絕緣系統(tǒng)及真空加壓浸漬技術(shù)為定子繞組提供了高等級溫升裕量，這意味著功率的提高及體積和重量的降低。
    ●低維護性。轉(zhuǎn)子和定子繞組與外部完全隔離，無需定期拆卸清潔。
    ●低噪音。特別設(shè)計的冷卻風(fēng)扇使噪音降低至IEC60349-2標準。
    3、主要性能
    3.1變頻器的額定參數(shù)
    額定工作電壓:1500V
    最大工作電壓:1800V
    最小工作電壓:1000V
    持續(xù)有效輸出功率:800kW
    峰值輸出視在功率:1850kVA
    持續(xù)線電流有效值:520A
    IGBT開關(guān)頻率:600Hz（最大值）
    逆變器輸出頻率:106Hz（額定值）
    逆變器IGBT器件額定值:3300V，1200A

                         圖4矢量控制原理圖
    3.2列車性能
    上海明珠線地鐵車輛采用四動兩拖六節(jié)編組，每個動車裝配一個ONIX1500牽引變頻器，驅(qū)動四個并聯(lián)的ONIX交流牽引電機，變頻器強迫風(fēng)冷，采用再生和電阻混合制動方式，當架空電網(wǎng)不能接受再生能量時，進行全功率電阻制動。列車主要數(shù)據(jù)如下:
    最大運營速度:80km/h
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