国产化北京地铁列车牵引电传动系统设计

北京地铁房山线车辆电气系统马芳平;郭靖宇【摘要】介绍北京地铁房山线运营的国产B型电动客车电气系统组成,重点时列车高压电源、电气牵引和制动拉制系统的基本设计原理、控制逻辑以及系统功能进行较为详细阐述.【期刊名称】《现代城市轨道交通》【年(卷),期】2011(000)002【总页数】4页(P3-6)【关键词】地铁车辆;电气系统;牵引;制动;控制【作者】马芳平;郭靖宇【作者单位】【正文语种】中文0 引言房山线地铁电动客车的车辆电气系统主要由高压电源系统、电气牵引系统、制动控制系统、辅助电源系统、列车控制及监控系统（TCMS）、车门控制系统、空调控制系统、列车广播及乘客信息显示系统以及空压机、照明和通风等辅助系统组成，用以实现列车电气牵引及制动控制、电源分配及供电、电气设备的监控及故障诊断、列车客室开、关门的控制、列车广播及乘客服务、客室照明、空调、采暖、通风等辅助设备的控制等功能，用于满足车辆用户需求书的要求。

1 车辆参数及性能要求1.1 车辆基本参数房山线车辆为标准B型车设计，列车采用4动2拖6辆编组方式，即Tc.M0.M1－M2.M3.Tc；第三轨上部接触受电；供电电压DC750V（DC500～900V）；车辆自重：动车37t，拖车34t；列车载客能力：定员（AW2）时，动车232人，拖车226人；超员（AW3）时，动车310人，拖车290人。

1.2 列车动力性能参数（表1）表1 列车动力性能参数*1：列车在超员载荷（AW3）、车轮半磨耗状态（轮径805mm）、额定网压DC750V、平直线路上运行的情况下的平均加速度。

*2：列车在额定载员（AW2）、车轮半磨耗状态（轮径805mm）、平直线路上运行，列车在最高运行速度100km/h时，从给制动指令到停车时的平均减速度。

1 *1平均加速度/m•s-2 ≥1.0 列车从0加速到45km/h2 ≥0.6 列车从0加速到100km/h3 *2平均减速度/m•s-2 ≥1.0 最大常用制动4 ≥1.2 紧急制动5 列车最高运行速度/km•h-1 1006 平均技术速度/km•h-1 ≥64 典型区间、不含站停时间7 平均旅行速度/km•h-1 ≥52 平均站停时间30s，不含首末站8 通过洗车机稳定运行速度/km•h-1 3～59 列车纵向冲击率/m•s-3 ≤0.751.3 列车故障运行及坡道救援能力（1）列车在超员（AW3）状态下，当损失1/4动力时，列车仍然可以在30‰的坡道上起动，并能以正常运行方式完成一次单程运行。

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 900 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。

北京地铁房山线车辆电气系统马芳平 郭靖宇摘 要：介绍北京地铁房山线运营的国产B型电动客车电气系统组成，重点对列车高压电源、电气牵引和制动控制系统的基本设计原理、控制逻辑以及系统功能进行较为详细阐述。

(2) 列车在空车(A W0)状态下，当损失1/4动力时，列车仍然可以在35‰的坡道上起动，并返回车辆基地。

图1 高压电源电路（Tc 、M0、M1）轨道交通 现代城市轨交通 2 / 2011 MODERN URBAN TRANSIT 断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，D C U 通过多功能车辆总线M V B接口与列车网络进行通信。

牵引电机采用190 k W三相交流异步牵引电动机，满足房山线列车牵引/电制动特性要求。

其主要技术特征为：转子为铜排鼠笼式结构，定子为无机壳结构，悬挂方式为架承式全悬挂，采用进口绝缘轴承，绝缘等级为200级（耐电晕），冷却方式为带内风扇自通风。

地面沿线设有再生制动能量吸收装置，车辆上不设制动电阻。

电制动与空气制动的平滑转换，在车辆上对应每个逆变单元分别设置了一组额定电阻值为0.81Ω的过压吸收电阻。

列车牵引主电路见图3，牵图2 IGBT模块图3 牵引主电路图4 牵引/电制动特性曲线列车牵引、电制动力特性/k N 、阻力/k N列车速度/km .h 牵引力(AW3,DC750V）牵引力(AW3,DC750V）电制动力(AW3,DC750V）牵引力(AW3,DC550V）阻力(AW3）电制动力(AW0,DC750V）牵引力(AW2,DC750V）电制动力(AW2,DC825V）ABSTRACTSElectrical System of Metro Vehicle in Beijing Fangshan LineMa Fangping, Guo Jingyu 3 Electrical system composition of domestic metro vehicle (B Type) in Beijing Fangshan Line is introduced, with emphasis on the basic design principle, control logic, equipment performance and using function of high voltage electric power system, traction system and break control system.Train Network Monitoring System of Beijing Fangshan LineXu Peili, Chen Chaolu 7 The structure and characteristics of domestic train network monitoring system in Fangshan Line is introduced. The system module composition, main function, bus parameter as well as the functions of control, monitoring, fault diagnosis and event logging of network monitoring system are also described. Compartment Door Control System of Metro Vehicle in Beijing Fangshan Line Liu Chao 10 The structure composition, electronic control device and working principle of door system are introduced. The passenger door open indicator was first adopted by Fangshan Line, suggesting which door is going to be opened.Body Structure of Metro Vehicle in Beijing Fangshan LineLi Fenglin, Song Yu 13 An introduction of stainless steel body structure, material characteristics, static strength and modal analysis of metro vehicle in Beijing Fangshan Line is presented.B Type Metro Vehicle Bogie of Beijing Fangshan LineLiu Yuanwen, Chen Xiaoyan, Cheng Kai, et al 18 The main technical parameters, main component structure and performance of metro vehicle bogie in Fangshan Line are introduced. The calculation and analysis of structure strength for framework, axle, wheel, axle box body and traction device are carried out. The static strength test and fatigue strength test are adopted for the framework. The dynamic simulation and test for the whole vehicle are also used. The results show that metro vehicle bogie meets requirement.Brake Equipment of B Type Metro Vehicle in Beijing Fangshan Line Song Jianghui, Zhang Bao, Bai Dongmei 20 The domestic metro vehicle brake system has been adopted on Fangshan Line. Its technical index can fulfill the demand in type test. The composition and working principle of air supply system, brake control equipment, control equipment of parking brake, antiskid control equipment of air brake as well as foundation brake equipment are introduced.Scheme Research on Overhead Contact System in Elevated Section of Xi’an Metro Line 3Cao Yi 24 From the view of landscape effect and technical economy, the column style, joint arrangement, mid-point anchor, column type selection and anchor model of overhead contact system (OCS) in elevated section of Xi’an Metro Line 3 are compared and selected. The design idea for OCS of elevated line is presented. Application and Analysis of Train-ground Wireless Network of PIS System in Nanjing Metro Qin Zhiguo 27 The system structure, functions and technical characteristics of Passenger Information System (PIS) is briefly described. The train-ground wireless transmission of PIS in Nanjing metro Line 2 is analyzed. The problems in application and their solutions are discussed.Improvement of Wireless Field Strength for Nanjing Metro Line 1 Liu Weiping, Wang Shuming 30 800M digital cluster system of wireless system in Nanjing metro Line 1 is composed of switches, base stations and repeater stations. This system has two kinds of wireless coverage modes, underground leakage cable and ground antenna. Weak field and loose contact areas are found in wireless network during operation. After the optimization of coverage mode for leakage cable, the field strength coverage would reach more than 85dB, so as to improve the voice qualityDiscussion on Application of Decentralized Maintenance Mode in Shenzhen Metro Line 3Chen Fudong 33 The experiences of decentralized maintenance mode in electric multiple units of Guangzhou-Shenzhen Railway are described, suggesting that the trains of Shenzhen Metro Line 3 should adopt the decentralized maintenance mode.Three-dimensional Numerical Simulation of Freezing and Subsurface Excavation Construction for Metro Connecting Passage Zhang Jinrong 45 Three-dimensional numerical models for double-line shield tunnel, curtain of frozen soil, connecting passage and pump house are established. The whole process of ground freezing as well as excavation and support for connecting passage is simulated. The effects of excavation of connecting passage and pump house on frozen soil curtain, primary support and main tunnel are analyzed to determine the position of worst stress direction for primary support and frozen soil curtain and the position of maximum distortion. Then, the corresponding control index is present. Application of Precast Cover Plates in Cover and Cut Station in Shenyang MetroMa Changyong, Deng Meilong, Yin Qingfeng 49 Precast cover plates have been successfully applied to cover system of Nanjingjie Station in Shenyang Metro Line 1. After their construction, the dismantled precast cover plates were applied to pavement cover system of Lingxi cover and cut station in Shenyang Metro Line 2, improving the utilization efficiency of precast cover plates.Application of Fracturing Grouting Method in Soft Fluid-plastic Formation Zhang Jingkui, Ma En 52 Subsurface excavation method is applied to Shanghailu-Xinjiekou section of Nanjing Metro Line 2. This area has to be reinforced by grouting method because of the muddy soft fluid-plastic formation. Satisfactory results are achieved as the foundation is pre-reinforced by full-scale fracturing grouting with cement-sodium silicate under construction.Discussion on Vehicle Marshalling of Wuxi Metro Line 1Shi Minghong 66 A vehicle marshalling scheme for Wuxi Metro Line 1 is determined by a comprehensive consideration of operation security, efficiency, coordination and unification of equipment utilization, as well as the schemes for connection and transition of early, near and future marshalling.。

地铁列车电传动系统分析摘要：文章通过对我国现阶段主型地铁车辆电传动系统构成及其功能的分析。

清晰的介绍了该系统各器件的作用及相互之间的关系。

为地铁车辆运用与检修提供了有益的参考。

关键词：地铁车辆电传动；主电路；系统工作原理一、轨道车辆电力牵引发展简介电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。

轨道车辆通过受流器从架空接触网或第三轨（输电轨）接收电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，牵引电机将电能转变成机械能，机械能通过齿轮传给轮对，驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。

轨道交通电力牵引传动系统分为：1、直流电力牵引传动系统（1）直流—直流（2）交流—直流2、交流电力牵引传动系统（1）直流—交流（2）交流—直流—交流早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动机（如北京地铁一号线）。

直流电动机存在体积大、结构复杂、工作可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点。

随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展，采用交流电机牵引的交流传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。

交流—直流—交流供电系统运用于干线铁路。

我国城市内的地铁、轻轨网络多采用直流牵引制式，城市轨道交通采用直流供电制式是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下），因为没有电抗压降。

另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。

基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550～1500V之间。

我国国家标准也规定为750 V和1500V。

以北京和天津为代表的北方地区采用DC 750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 500V～DC 900V，第三轨受流；以上海和广州为代表的南方地区采用DC 1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 1000V～DC 1800V，架空接触网受电弓受流。

有效地提高了安全性；
维护接口引至车上电器柜，有利于日常维护工作；故障
图1 进口网络控制系统拓扑图
中国设备工程 2023.06 （下）
图2 组合试验报告——温升试验
（2）牵引/电制动特性。

国产化牵引系统的牵引/电制动特性与原进口牵引系统完全一致，并经过组合试验及车辆试验验证，由此可以保证车辆的牵引加速性能、电制动减速性能与原车完全一致，进而保证了国产化牵引系统与制动系统、信号系统的接口匹配性。

同时，国产化牵引系统的工作负荷与原进口牵引系统完全一致，因此供电系统及车辆其他高压设备（电抗器、主隔离开关箱、主熔断器箱、母线熔断器箱、母线高速断路器箱、制动电阻）的工作负荷也没有变化，有效地保证了国产化牵引系统与供电系统及上述设备的接口匹配性。

（3）车辆控制方案。

国产化牵引系统与车辆各子系统的控制接口方案如下。

①信号系统：通过网关模块HCMe的与之实现RS485通信，通信协议完全按照原方案执行，并进行了地面通信测试及车辆试验。

②制动系统：通过网关模块HCMe的与之实现HDLC 通信，通信协议完全按照原方案执行，并进行了地面通信测试及车辆试验。

③门控系统、烟火系统、广播系统、空调系统：结合厂修进行了改造并升级为MVB通信，重新制定了通信协议，并进行了地面通信测试及车辆试验。

司机台显示器的界面显示方案与原车方案基本保持一致并作了局部优化改进，车辆相关控制功能，如限速、制动力管理、图3 组合试验报告——牵引特性曲线
图4 组合试验报告——电制动特性曲线
108中国设备工程 2023.06 （下）。

北京地铁8号线三期列车牵引电传动系统设计作者：陈超录来源：《商情》2016年第18期【摘要】简述自主知识产权北京地铁8号线三期列车牵引电传动系统的基本参数和性能要求，阐述了列车牵引电传动系统的牵引/电制动特性、性能计算和线路运行仿真、主电路结构、列车牵引控制系统的设计思路和技术特点。

【关键词】牵引电传动系统性能计算线路运行仿真0引言北京地铁8号线三期列车是由6节车编组的交流传动列车，其中牵引电传动系统为国内完全自主研发，其核心技术具有完全自主知识产权。

下面对其牵引电传动系统设计进行介绍。

1车辆参数及性能要求1.1车辆基本参数北京地铁8号线三期列车采用第三轨上部接触受电的供电方式，供电电压为DC750V （DC500～900V），轮径为840/805/770mm（新轮/计算用轮径/全磨耗轮径），列车的基本配置为6 辆车编组（+Tc-M-T-M-M-Tc+），包括3辆动车和3辆拖车，列车编组示意图如图1所示。

1.2 列车动力性能要求超员（AW3）情况下，在干燥平直线路上，车轮半磨耗状态（轮径Φ805mm），额定电压DC750V供电时，列车平均加速度为：列车从0加速到40 km/h：≥0.83m/s2列车从0加速到80 km/h：≥0.5m/s2电制动能力：列车制动方式采用电力再生制动与空气制动混合运算的控制方法，优先充分发挥电力再生制动的作用以减少闸瓦的磨损和节省电能。

当电力再生制动不足或失效时，由空气制动补足或替代。

1.3 列车故障运行及坡道救援能力要求6辆编组列车在超员状态下，当损失1/3动力时，列车仍然可以在30‰的坡道上起动，并能以正常运行方式完成一次单程运行。

6辆编组列车在空车状态下，当损失1/3动力时，列车仍然可以在35‰的坡道上起动，并返回车辆基地。

一列6辆编组的空车应能将另一列停在30‰坡道上的6辆编组超员故障列车移至最近的车站（上坡）。

一列6辆编组的空车应能将另一列停在35‰坡道上的6辆编组故障空车救援到车辆基地（上坡）。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·66·2021年第24期文章编号：2095－6835（2021）24－0066－03北京地铁9号线永磁牵引系统直流电压稳定控制邬春晖1，张世海2，谭雅翊2，谢浩3，张祺1（1.北京市地铁运营有限公司运营二分公司，北京100043；2.湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭102208；3.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京411101）摘要：地铁永磁牵引变流器在控制永磁同步电机工作过程中，会出现直流电压不稳定、波动的现象。

利用比例谐振控制器分离出电压的波动量，前馈补偿到转矩指令，以此稳定电压抑制波动。

该方法通过北京地铁9号线运行测试，证明能有效抑制电压波动，确保永磁电机稳定运行。

关键词：永磁牵引；电压稳定；比例谐振；稳定控制中图分类号：U231文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2021.24.026作为新一代轨道交通牵引系统，永磁同步电气牵引系统具备绿色、节能、高效等亮点。

自长沙地铁1号线装载运营永磁牵引系统，彻底开启了“永磁列车”高速发展的时代，许多城市也陆续开始推广应用。

北京地铁9号线09038车也试点装载永磁同步电气牵引系统，该系统是由湘潭电机开发研制，系统整体运行稳定。

地铁车辆牵引变流器在运行时容易出现直流侧振荡[1-3]，永磁牵引变流器也会出现这种现象，这不仅影响整个电传动系统的功能及稳定性，有时甚至可能会涉及地铁电源网络及乘客安全。

本文结合实验中出现的直流电压波动现象，利用比例谐振控制器提取波动分量前馈补偿，抑制电压波动，稳定整个传动系统。

1永磁牵引变流器北京地铁9号线列车编组形式为：Tc1—M2—T3—M4—M5—Tc6，是3动3拖结构，其中1动1拖为一个牵引单元。

针对一列车的永磁电气牵引传动系统，研制了12台永磁牵引同步电机、3台永磁VVVF逆变器装置来替换038车中的原异步系统电机和VVVF逆变器，其他设备均采用原车产品。

城市轨道交通交流传动逆变器系统国产化方案来源：岁月联盟作者：郑琼林张奕黄郝荣时间：2010-08-24摘要比较了交流传动系统和直流传动系统的性能,分析了我国城市轨道的现状与趋势,结合北京地铁复八线建设提出了城市轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案.关键词轨道交通交流传动逆变器调压调频分类号1 交流传动系统与直流传动系统的比较随着电力器件、控制理论和技术的发展,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。

交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1 所示[ 1 ].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─ 直流电机斩波调压电气传动系统相比,调压调频(VVVF) 逆变器─ 交流电机的系统主电路变得十分简单. 主要由高速断路器、表1 交流传动机车与直流传动机车的性能比较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 900 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DC 750 V 的牵引供电电压制式显然要得多. 高耐压电力电子变流器件的不断发展,如4 500 V 的GTO 、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─ 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.3. 1 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/1700 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～1 800 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─ 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180 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35～40km/ 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─ 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) 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(1) 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.(2) 额定容量 2 ×500 kVA ; 最大输出容量为2 ×600 kVA (牵引时).(3) 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 V(50 Hz)1 min , 无闪络.3. 6 VVVF 逆变器系统保护功能VVVF 逆变器内设监控装置用于故障分析和维修. 逆变器系统具有各项保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位.(1) 控制电路欠电压保护控制电路的110 V 电源电压低于72 V 时封锁IGBT 脉冲,并切断主电路电压;电压高于77 V 时恢复正常.(2) 主电路欠电压保护电压低于450 V , 持续0. 2 s , 切断主电路,封锁IGB T 脉冲;电压低于325 V , 切断主电路,封锁IGB T 脉冲;电压高于500 V时恢复正常.(3) 主电路过电压保护电压高于1 050 V , 持续1 s , 切断主电路,封锁IGB T 脉冲,开放放电电阻;电压高于1 100 V , 切断主电路;电压高于900 V时恢复正常.(4) 输出过电流保护当逆变器输出电流超过设定值后封锁IGB T 脉冲;过流消失0. 5 s 后,恢复正常. 若释放脉冲后仍过流,则再次封锁IGB T 脉冲,并切断主电路.(5) 输出缺相保护三相检测电流整流后,电流波动大于设定值,则封锁IGB T脉冲,切断主电路.(6) 轮对空转或滑行保护减少电机输出电流,依照预定曲线实行再粘着控制.(7) 散热器过热保护散热器温度超过80 ℃ 时,封锁IGB T 脉冲,切断主电路.(8) IGB T 短路保护一旦IGB T 短路,依照短路保护程序,封锁IGB T 脉冲,不可恢复.(9) 电流传感器故障保护三相电流之和的绝对值大于设定值时,封锁IGB T脉冲,切断主电路.4 辅助电源系统辅助电源是给客室照明、客室通风机、司机室空调机、蓄电池组浮充电电源及系统控制设备供电的电源,其容量为40 kW.该辅助电源由IGB T 升降压DC/ DC 变换器(即斩波器) 把直流500～900 V 的电网电压变为直流750 V 的稳定电压,再由IGB T 静止逆变器把直流750 V 的电压逆变为380 V 、50 Hz 的交流电压,再由工频变压器变压并整流以得到所需的电压. 由于采用IGB T 作为开关器件, 故在DC/ DC 变换器结构上毋需二重化,交流输出端也不需交流滤波器.(1) 输出电压及容量三相交流负载为电压380 ×(1 ±0105) ,频率(50 ±1) Hz ,24 kW ; 直流负载一为电压110 ×(1 ±0101) ,15 kW ; 直流负载二为电压24 ×(1 ±0101) 1(2) 逆变器效率> 90 %1(3) 逆变器过载能力150 % 过载,10 s 后自动停机; 200 % 过载,立即停机1(4) 使用温度-20 ℃～+ 40 ℃1(5) 保护功能静止逆变器与VVVF 逆变器相同. DC/ DC 变换器输出电压大于800 V 时,停机保护.5 交流传动系统逆变器国产化的可能性对于城市轨道列车所需的交流传动VVVF 逆变器、辅助电源的DC/ DC 变换器(即斩波器) 和静止逆变器的研制与产品化,从目前的技术水平看,我国完全能够自力更生来实现. 我国铁路系统于1996 年研制成功了AC 4000 型交流传动电力机车原型车. 目前正在开展200 km/ h 交流传动高速动车组研制.笔者提出了基于北京地铁的轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案,认为采用1 700 V 电压等级的IGB T 构成二电平VVVF 逆变器用于直流750 V 供电的交流传动系统是合适的,也是可行的. 对于辅助电源,我国已有在8 K 电力机车上成功应用的经验,可供轨道交通列车辅助电源设计的.参考1 柏华. 基于双微机结构的异步牵引电机直接力矩控制系统的研制: [ 学位] . 北京:铁道研究院机车车辆研究所, 1998.2 铁道科学研究院机车车辆研究所. 城市轨道交通列车国产化论证报告. 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.3 西门子交通技术部. 牵引变流器战略. 1997.4 奥地利政府交通部. 铁路机车和动车用的牵引变流器. 中—奥铁路技术研讨会上的报告,1996.5 三菱电机株式会社. 交流电机传动控制技术交流会资料. 1996.6 郑树选主编. 8 K 型电力机车. 北京:铁道出版社,1994.7 连级三主编. 电力牵引控制系统. 北京:中国铁道出版社,1994.8 鲍斯. 电力学与交流传动. 朱仁初等译 1 西安:西安交通大学出版社,1990.。