城市轨道交通交流传动逆变器系统国产化方案

逆变器的工作原理：

1. 直流电可以通过震荡电路变为交流电

2. 得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电）

3. 对得到的交流电进行整流得到正弦波

AC-DC 就比较简单了 我们知道二极管有单向导电性 可以用二极管的这一特性连成一个电桥 让一端始终是流入的 另一端始终是流出的这就得到了电压正弦变化的直流电

如果需要平滑的直流电还需要进行整流 简单的方法就是连接一个电容

1 交流传动系统与直流传动系统的比较

随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展，交流传动已经逐步在取代直流传动，并显示了其在性能 价格比和运行性能上的优势。 自 1970 年 BBC 公司开发的第一台交流传动内燃机车 DE2500 问世以来，到 目前已有数千台交流传动机车和电动车组投入运营。交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约 10 %，

且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长，几乎免维护的鼠笼式异步电机。 交流 传动机车较直流传动有相当大的优越性，目前，欧洲和日本等工业化国家铁路工业部门，已基本停止了直

流传动电力机车的生产[2 ]。与斩波器一直流电机斩波调压电气传动系统相比， 调压调频（VVVF）逆变器一

交流电机的系统主电路变得十分简单。 少了电阻发热的危害。现在， 以斩波器为核心的直流传动电动车组

也逐步让位于以 VVVF 为核心的交流传动电动车组， 如日本的东京、韩国的汉城、德国的汉堡和法兰克福、 美国的波特兰 [3 ] 等。

2 我国城市轨道交通传动系统的现状和发展趋势

国内城市轨道交通 （除香港外 ） 发展比较缓慢，除了地铁以外，几乎没有城区和近郊的地面轨道交通。而地 铁交通，目前也只有北京、天津、上海和广州等城市开通运营。

2.1 供电制式

以北京和天津为代表的北方地区采用 DC 750 V供电电压制式，允许电压波动范围为 DC 500 V〜DC 90

0 V，第三轨受流；以上海和广州为代表的南方地区采用 DC 1 500 V供电电压制式，允许电压波动范围

为DC 1 000 V〜DC 1 800 V，架空接触网受电弓受流。

上述两种供电电压制式都是国际电工委员会推荐的，都能满足城市轨道交通供电的要求。但是，从减少城 市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降，延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资，以及从降 低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言，采用 DC 1 500 V 的牵引供电电压制式比采用 D C 750 V 的牵引供电电压制式显然要经济得多。 高耐压电力电子变流器件的不断发展， 如 4 500 V 的 GT O 、3 300 V 的 IGBT 等，为采用 DC 1 500

V 供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保 障。因此，今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的 DC 1 500 V

2.2 牵引传动系统

北京的地铁列车采用国产电动车组，牵引控制装置为凸轮调阻和斩波调阻方式，牵引电机为直流电机。正

在新建的复八线（复兴门一八王坟）线长16.7 km，预计1999年10月1日通车，牵引控制装置采用 GTO 元件的

VVVF 逆变器，牵引电机为鼠笼式交流电机，主机由日本东洋电机公司制造。

天津的地铁列车采用国产电动车组，牵引控制装置为凸轮调阻器方式，牵引电机为直流电机。上海的地铁 列车采用德国进口的电动车组，牵引控制装置为调压斩波器，牵引电机为直流电机。正在新建的新线，也 将采用 VVVF 逆变器的交流传动装置。广州地铁列车于 1997 年6 月投入试运行，全部采用进口电动车组， 牵引控制装置为 GTO 元件的直交 VVVF 逆变器，牵引电机为鼠笼式交流电机。

由上可见，我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用 VVVF 逆变器和鼠笼式异步电机的交 流传动系统。

3 基于北京地铁的交流传动系统逆变器国产化方案

国产化交流传动系统采用由电压源 VVVF 逆变器控制三相交流牵引电机的方式。该系统主要包括如下设 备：主控制器、 VVVF 逆变器系统 （包括逆变器主电路和控制器 ） 、高速断路器箱、 L2C 滤波器、鼠笼式 异步牵引电机、主隔离开关和主熔断器、母线隔离开关和高速熔断器、接地开关箱和接地装置 [4 ] 等。以

上这些设备除了 VVVF 逆变器外，其它设备国产化比较容易实现， 而且不少设备已经在北京地铁列车上使 用。这里着重讨论 VVVF 逆变器的国产化方案。

VVVF 逆变器结构型式 笔者建议交流传动系统 VVVF 逆变器的开关器件选用已商品化的大功率快速开关器件 IGBT 模块（若市场 有供货，也可选用集成了驱动和保护电路的 IGBT 模块，即 IPM 模块） 。已商品化的大功率 IGBT 器件目 前有： 800 A/1 700 V 、1 200 A/1 700 V 、800 A/2 500 V 、1 200 A/2 500 V 、800 A/3 300 V 、1

200 A/ 3 300V等。本方案之所以选用 IGBT，而不选用 GTO，是因为IGBT与GTO 相比有如下优点[5 ]:①开关频率较高，提高逆变器输出波形质量，使得噪声水平和电机损耗较低， IGBT的开关频率为1

kHz时，电磁噪声能下降3〜4 dB ;② 门控简单，触发能耗较低，只有 GTO的1/ 20 ;③ 吸收电

路非常简单，其能耗只有 GTO吸收电路的1/ 60 ;④ 保护系统简化，且短路时可自关断保护； ⑤ 可

靠性较高，备品可减少到原 GTO备品的1/ 10 ;⑥相同容量装置的重量和尺寸大大减少。

当然，无论选用IGBT，还是选用GTO，这种大容量的开关元器件国内厂家都不能生产，均需要从国外公 司进口。采用 IGBT 后，由于元器件成本下降，逆变器系统要简化得多，故国产化更易实现。

我国城市轨道交通的供电电压是直流 750 V（允许500〜900 V变化）和直流1 500 V（允许1 000 V〜1 80

0 V 变化），故 VVVF 逆变器主电路结构选用电压型二电平三相逆变器结构即可。 对于直流 750 V 供电的 交流传动

VVVF 逆变器， IGBT 器件耐压可选 1 700 V 或 2 500 V ；对于直流 1 500 V 供电的交流传 动 VVVF 逆变器 IGBT

器件耐压可选 3 300 V。

3.2 控制方案

城市轨道交通牵引列车中， 交流传动系统常见的逆变器 一电机控制方案有两种：第一种是1台逆变器控制 4 台电机；第二种是 1 台逆变器控制 2 台电机。针对北京复八线地铁列车来说， 1 台电机的额定容量为 1 80 kW，故第一种方案逆变器容量需要 1 000 kVA左右，第二种方案逆变器容量需要 500 kVA左右即可。

笔者建议采用第二种控制方案，即 1台逆变器控制2台电机的方案。理由如下：① 城市轨道交通车辆一 般都是四轴车，第二种方案是 1 台逆变器控制一个转向架的 2 台电机，与第一种方案 1 台逆变器控制两 个转向架上 4 台电机相比，第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数，更有利于列车牵引力的发挥；

②采用第二种方案，每台逆变器需要从散热器上移走的热量减少一半，这使得散热的处理更加容易；

③对于现行的三动三拖六辆编组的列车来说，如果列车上 1台逆变器发生故障，被切除运行，那么对于

第一种方案列车的牵引动力将损失 1/ 3，而对于第二种方案列车的牵引动力只损失 1/ 6。由此可见，采用

第二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案； ④现有的IGBT器件电流水平是1 200 A，采用第

一种方案至少需要 4 只 IGBT 并联，采用第二种方案只需两只 IGBT 并联。 IG2 B T 两只并联均流比 4 只并联均流更容易些。

3.3 VVVF 逆变器控制模式 北京地铁列车的最高运行速度是 80 km/ h,平均速度为35〜40 km/ h。其速度控制由逆变器来实现。 牵引

电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检测信号送入逆变器的控制电路中，由逆变器控制器按 照运行指令和电机牵引特性的要求计算出电压和频率指令，并转化为 PWM 开关信号来控制逆变器的开关

器件，从而实现电机(电动车组)的速度控制。对于轨道交通牵引来说，逆变器 一电机系统应该满足下列要

求[6〜8]:平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽。为此，电动车组从起动到停车的 调速控制模式如下：

(1) 恒转矩牵引控制阶段。该阶段转差频率 (f s) 一定、电压 / 频率( V/ f) 一定，逆变器输出频率按速度要 求逐渐增大，对逆变器输出电压实行 PWM 控制，可以保持牵引力恒定，电机电流基本不变。该阶段对电 机零速到基速之间调速适用。

(2) 恒功率牵引控制阶段。逆变器输出电压达到最大值后保持不变，使电机的转差频率随逆变器频率增加， 维持电机电流不变，从而得到恒功率控制。该阶段电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少，相当 于直流电机的弱磁控制。该阶段从电机基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值。

(3) 自然特性牵引控制阶段。这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变，转差频率也保持最大值不变，逆 变器输出频率随速度要求逐渐增大，电机电流与频率成反比逐渐减少，直到最高运行速度。该阶段电机牵 引力与逆变器频率的平方成反比减少，相当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性。

(4) 再生制动自然特性控制阶段。这一阶段与控制模式 ( 3) 的阶段相同，只是速度变化由高到低。电机电 流随逆变器输出频率的减少成反比增大，本应持续到下一个阶段，但由于逆变器容量的限制，决定了电机 电流的上限，当电机电流达到最大值后将实行恒流控制。 这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加， 相当于直流复励电机的电流限制区。

(5) 再生制动恒转矩控制阶段一。逆变器电压仍保持最大值，控制时使转差频率的绝对值与逆变器频率的 平方成正比，逆变器频率随着电机的速度逐渐下降。该阶段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少，使 得制动力矩保持恒定。

(6) 再生制动恒转矩控制阶段二。这一阶段与控制模式 ( 1) 的阶段相同，只是速度变化由高到低。再生制

动恒转矩控制可以持续到速度降到 5 km/ h，然后切除电制动，转换到空气制动，直到停车。

3.4 VVVF 逆变器系统主要技术指标 ⑴供电输入电压 额定电压为DC 750 V ;变化范围为DC 500 V〜DC 900 V ;再生制动时为直流

侧电压不高于 1 000 V。

⑵额定容量 2 ^500 kVA ; 最大输出容量为 2 W00 kVA (牵引时)。

⑶元器件规格 开关器件IGB T — 1 700 V/1 200 A，内含续流二极管。

(4) 控制组合 1 台逆变器控制 2 台 180 kW 的鼠笼式电机。

(5) 逆变器控制器 采用 16 位单片机与数字信号处理器 (DSP) 相结合， DSP 实现高速运算， 16 位单片机

完成PWM脉冲，达到对逆变器的高速高精度的控制 (6)输出电压 幅值为0〜550 V三相交流，频率为

1〜150 Hz，三相不平衡度为基波电压不超过 5 %。(7)效率 额定工况不低于 95 %。

(8) 冷却方式 热管交换热能，走行风自然冷却。

3.5 牵引电机主要电参数与性能

型式为三相4极鼠笼式异步电机，输出功率为 180 kW(小时制)，额定电压为550 V，额定电流为240 A， 额定频率为77 Hz，额定效率＞ 92 %，额定功率因数＞ 0。85,耐压强度：在高温条件下加压 AC 3 700