一种低地板车牵引逆变器
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摘 要：详细介绍了一种集成双向DC/DC的低地板车牵引逆变器的工作原理、主电路、主要电气参数及总体结构，重点分析了该牵引逆变器的技术特点。通过型试试验及装车考核，表明该型牵引逆变器完全能够满足低地板车辆的应用需求。
关键词：低地板车；牵引逆变器；双向DC/DC；冷却系统
0 引言
低地板车辆作为城市轨道交通领域一种新型的运输工具，以其经济性、节能性的优点，日益发展成为各大中城市解决交通拥堵、打造现代便捷交通方式的优选方案。牵引逆变器作为低地板车辆电气牵引传动系统的核心部件，直接影响低地板车辆的性能。本文详细阐述了一种集成双向DC/DC充电机的低地板车辆牵引逆变器的工作原理、主电路、主要电气参数及总体结构，重点分析了该牵引逆变器的技术特点。
1牵引逆变器主电路及工作原理
1.1 牵引逆变器主电路
如图1所示，低地板车牵引逆变器包含牵引设备箱虚线框内的所有电气部件。变流器主电路含有两组逆变器，每组逆变器驱动一台永磁同步牵引电机。从柔性接触网上引入的DC750V直流电经高压箱后给牵引逆变器及电容超级电容供电。无接触网时，由超级电容通过牵引逆变器给后端永磁同步牵引电机供电。
图1 牵引逆变器主电路图
VH1、VH2、VH3、VH11、VH21―电压传感器；LH1、LH2、LH11、LH12、LH13、LH14、LH21、LH22、LH23、LH24―电流传感器；Cg―接地电容；Cd―支撑电容；R1―充电电阻；R13―固定放电电阻；FL―线路电抗器；FL1、FL2―铁芯电抗器；KM12、KM22―输出接触器；FAN―交流离心风机
1.2 工作原理
如图1所示，牵引设备箱柜主电路采用两点式直-交电路，电网供电牵引工况下，经高压箱后的DC750V直流电接入牵引逆变器，经线路电抗器FL、充电回路（充电接触器KM2、充电电阻R1、短接接触器KM1）后进入逆变器模块，逆变器模块将直流电逆变为VVVF交流电供给牵引电机；电流传感器LH1-LH2用于检测主回路接地和牵引设备箱的输入电流，电流传感器LH12-LH13与LH22-LH23用于检测逆变器的输出电流，LH11与LH21用于检测制动斩波电流；电压传感器VH1用于外部接触网网压的检测，同时可用于熔断器的状态判断（高压箱内熔断器均采用带节点式，因此可以不用电压传感器去比较），VH2用于检测牵引逆变器的接触网输入电压，VH3用于检测主电路中间电压；R13是固定放电电阻，接在支撑电容Cd的两端，用于安全放电，Cd接在逆变器模块直流输入的DC+、DC-上，用于中间直流电压支撑及滤波，逆变模块的D相输出经牵引逆变器对外接线端子接制动电阻箱，用于车辆再生制动时多余能量的吸收，同时通过DC/DC变换器对超级电容进行充电。在无电网区段，则是超级电容通过DC/DC变换器给本单元的牵引逆变器、辅助变流器、直流空调进行供电。牵引逆变器内设有380V交流离心风机，给整个冷却系统的发热源冷却。
2 主要技术参数
1）牵引逆变器总体
输入电压 DC750V（DC500～DC900V）
外形尺寸 1700mm×1000mm×500mm（长×宽×高）
重量小于500kg
冷却方式 强迫风冷
防护等级 IP55
2）线路电抗器
额定电压 DC750V（500～900V）
额定电流 DC400A（800m平均站间距）
最大电流 DC800A（900V电制动工况）
电感值3mH（-10%～+10%）
绝缘等级 H级
3）逆变器模块
额定输入电压 DC750V
输入电压范围 DC500V～DC900V
输出电压 3相0～585V
额定输出容量 2×250kVA（585V）
开关频率 500Hz
额定输出电压 585V
额定输出电流 2×250A（基波有效值）
最大牵引输出电流 2×450A（基波有效值）（585V，持续时间20sec）
最大制动输出电流 2×450A（基波有效值）（702V，持续时间30sec）
冷却方式 强迫风冷
4）双向DC/DC充电机
额定电压 DC750V～DC500V
额定功率 2×150kW
额定充放电电流（超级电容侧） 2×300A
峰值充放电电流（超级电容侧） 2×600A
开关频率 1.5k
冷却方式 强迫风冷
5）双向DC/DC线路电抗器
额定电压DC612V（DC 486V～DC 612V）
额定电流 DC300A
电感值1mH（-10%～+10%）
绝缘等级 H级
3 总体结构及技术特点
牵引设备箱柜如图2所示，外形为长方体，箱、柜、门等钢结构件无尖棱角，柜体骨架对底部基准面的垂直度和骨架立柱间的平行度按GB/T1184的规定，其精度不低于K级。柜门表面设计平整，柜门灵活、开启方便，锁闭良好，柜门采用液压支撑杆支撑。
牵引设备箱柜安装于车顶，使用时不需要人工观测和操作，所以只考虑维修和安装需求，柜子上方必须有不小于柜门宽1000mm的空阔空间用来打开柜门。
牵引设备箱柜外形尺寸为1700mm×1000mm×500mm（L×W×H），顶部拱起最高处不超过530mm。分别通过四角上4个M16的螺栓固定在低地板车顶C型梁上，重约500kg，安装孔距为（1880±2）mm×（920±1）mm；分别通过两侧中部2个φ20的圆孔进行转运和安装时的吊运，吊运需使用专门的吊具用起重机。
3.1 逆变器模块
牵引逆变器含有1个逆变器模块，逆变器模块含有10个IGBT元件，每个元件输出一相，共2重UVW三相VVVF输出到牵引电机，2重斩波相输出到制动电阻、2重双向DC/DC充电机到超级电容。逆变器模块采用强迫风冷散热，集成了10个1700V的IGBT元件、风冷散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、低感母排等部件。模块上IGBT元件之间及与支撑电容的连接使用低电感母排（Busbar），减少了线路上的杂散电感，省去了吸收电路，使电路更为简洁可靠。脉冲分配单元与门控单元间的信号传输通过光纤实现，解决了高压隔离问题，提高了模块的抗干扰性能。
3.2 冷却系统
牵引逆变器采用强迫风冷散热，风道密闭，冷却风从其中一个1700mm×500mm的端面进，经过逆变器模块散热板后，由冷却风机吹向线路电抗器、双向DC/DC斩波回路电抗器和固定放电电阻，以便对其进行冷却。
3.3 传动控制单元
传动控制单元（DCU）根据司机指令完成对牵引变流器及永磁同步牵引电机的实时控制、DC/DC控制、粘着利用控制和逻辑控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。
DCU对外连接列车（MVB）总线，将电传动系统与微机网络控制系统联系起来，形成控制与通信系统，并提供CAN接口与超级电容管理系统通信。
3.4 控制与保护
牵引逆变器自我保护功能包括过压保护、欠压保护、过载保护、接地保护、过热保护等，牵引逆变器还负责整个牵引电路的保护，包括输入过流、牵引电机相间短路、牵引电机接地等的检测和保护；同时牵引逆变器能够实时地监视牵引电机电流、电机温度、电机速度信号等并提供保护功能。
3.5 故障策略
牵引逆变器发生故障时有相应的故障策略，对于轻微故障可以自动恢复，对于较严重的故障可以及时保护甚至隔离故障单元，同时牵引设备箱具备故障记录功能，故障指示功能，以便于检修人员排查处理。
4 试验验证
牵引逆变器在交流传动测试台位上与永磁同步牵引电机进行了长时间的地面模拟考核试验。牵引逆变器在输入电压为DC750V的条件下，逆变器可以持续在输出电流为199A条件下持续运行，可以在最大输出电流为450A条件下可靠运行。逆变器输出电压、输出电流波形见图3
5 结语
本牵引逆变器集成双向DCDC充电机，可实现站台及站间、有接触网及接触网条件下对永磁同步牵引电机供电，满足低地板车辆应用需求。通过联调试验表明，该牵引逆变器各项技术性能指标达到技术条件的要求。目前该款产品已在浦镇低地板车辆装车，并为后续滇南城市群低地板车辆牵引逆变器的开发及批量应用奠定坚实基础。
参考文献
[1] 翁星方.北京地铁国产化列车IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2008（4）.
[2] 荣智林.TGN10型地铁车辆用DC1500V IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2004（4）.