城轨车辆牵引逆变器的优化改造

城轨车辆牵引逆变器的优化改造

王世友

关键词：轨道车辆；牵引逆变器；IGBT

1牵引逆变器的改造范围

牵引系统相关的设备包括牵引逆变器、滤波电抗器、牵引电机、制动电阻等。本次改造全新设计牵引逆变器，用于替换原车牵引逆变器，牵引逆变器安装接口与电气接口与原车一致。滤波电抗器、牵引电机、制动电阻不做更换。

2牵引逆变器主要技术参数

牵引逆变器采用1C4M的控制方式。该方式为一套功率模块控制本节车两个转向架下的四台牵引电机，使用原车牵引电机，实现牵引逆变器的各项性能及控制指标。

3牵引逆变器说明

3.1牵引逆变器电路特点

1C4M车控方式。

接插模块化设计思路，有利于产品的组装、维护、拆卸。

热管散热器走行风冷，有利于节能降噪。

难燃型树脂无油电容器、减小逆变器的体积和重量。

主/充电接触器一体式结构，可降低维护成本，并节省安装空间。

1.13.2牵引逆变器主电路说明

VVVF主电路主要包括功率模块、预充电模块，以及其它必要电路及元器件组成，各模块包含的元器件如下所示：

1.功率模块分为：

逆变单元：逆变功率器件(IGBT)，3300V-1500A模块

制动斩波单元：制动斩波功率器件（IGBT），3300V-1500A模块

母线电压传感器：0～3000V

支撑电容：DC1850V-5400μF

慢放电电阻：50kΩ

温度传感器：PT100

2.预充电模块

网侧压传感器：0～3000V

网侧电流传感器：0～2000A

主/充电一体接触器：DC1800V-800A

3.2.1功率模块

功率模块包含1个逆变单元和1个制动斩波单元和1个慢放电电阻及相关元器件。

（1）逆变单元

逆变单元包含有大功率电力电子元件IGBT、低感母排、驱动电路板、温度传感器等电气元件。采用两电平电压型逆变形式，输出三相PWM脉冲电压，为牵引电机供电。

低感母排电感量低，可以有效减小IGBT工作时产生的电压尖峰。

散热器采用热管散热形式，具有良好的散热能力，温度传感器把散热器温度送至TCU，经处理后实现温度的监控和保护。

（2）制动斩波单元

制动斩波单元采用大功率电力电子元件IGBT,用于车辆在制动工况下，当无制动能量回馈时，网压超过一定电压值时，通过制动斩波单元将制动能量消耗制动电阻上，制动斩波的控制形式采用PWM斩波控制。

采用原车制动电阻，制动斩波单元与原车制动电阻参数匹配。

(3)慢放电电阻

如果隔离开关未打至接地位，可通过慢放电电阻将支撑电容的能量消耗掉。从额定DC1500V降至安全电压的时间不超过15分钟，保证安全。

3.2.2预充电模块

预充电模块包含2组预充电单元以及两组快放电电阻。

（1）预充电单元

当VVVF自检完成后，如果电压传感器检测到电网输入在正常范围内，TCU在接收到司机室的牵引控制指令后，会使充电接触器闭合，电网侧电压经过充电电阻后为支撑电容充电，可以防止充电电流过大对支撑电容造成冲击，延长支撑电容使用寿命。

（2）快放电电阻

当车辆回库后，VVVF停止工作，若支撑电容上还存留电压，可以通过绝缘棒将隔离开关打至接地位，通过快放电阻将支撑电容的能量消耗掉；在车辆检修的过程将隔离开关打至接地位，保证检修安全。从额定DC1500V降至安全电压的时间不超过10s。

3牵引控制单元说明

3.3.1牵引控制单元特点

采用32位DSP+FPGA数字化控制。

与列车总线网络通信，实现网络控制与监视，司机室显示屏上显示VVVF的工作状态及故障情况。

VVVF采用性能优异的异步牵引电机矢量控制算法实现VVVF控制。

VVVF具有性能优异的防滑/防空转控制策略。

具有自诊断及故障数据记录功能。

3.3.2牵引控制单元保护功能

VVVF具有完备的保护功能。不仅具有过电压、欠电压、逆变驱动故障、散热器过热等基本保护功能，还具有过流、逆变输出缺相、指令错误等保护功能。

当VVVF出现故障时，会依据故障等级来判断故障并作出相应的保护动作。

4自检与诊断

VVVF具有自诊断和故障记录功能，并能在司机室显示屏上显示系统状态及故障情况，便于故障分析和维修。

14.1自检功能

VVVF工作前首先进行系统自检，主要对控制单元各控制电源、传感器、接触器、IGBT驱动电路板等，牵引控制单元根据采集的模拟和数字信号进行自检。并将检测信息通过网络传送到司机室的TCMS显示屏上。

4.2故障记录功能

TCU内部集成一块故障信息处理板，具有故障诊断和存储功能，TCU一旦检测到故障发生或遇到紧急制动，迅速的判断故障的种类和级别并作出相应的处理。并将正常记录区靠近故障点前后一段时间的记录完全复制到故障记录区，形成一条故障追踪数据。

故障信息处理板提供大于4Gb的FLASH存储空间，可保存3个月以内所有条件追踪数据，FLASH中保存的所有数据都可以通过维护接口使用PTU软件下载。

4.3便携式测试单元PTU

PTU软件通过以太网接口与TCU进行通信，可以完成变量监测，数据上传、故障下载及运行程序烧写，提高了TCU的可维护性。

4.3.1PTU故障追踪数据转储和分析

PTU提供按照故障代码、故障发生时间、故障统计等检索方式快速准确的搜索故障追踪数据，并提供单个文件或批量文件下载，可将下载的文件保存成Excel格式。

4.3.2PTU监控与控制软件更新升级

PTU软件可通过维护接口实现与TCU的通信。打开PTU软件在在线的情况下可以读取、修改参数，也可以将监控的变量绘制成波形显示。可以设定波形的保存条件也可以无条件保存波形数据。并且可以时时的让波形参与计算，生成并显示计算出的波形。计算得到的波形也可以被保存。在离线的情况下可回放保存的波形，利用放大功能可展现波形的任何细节。

PTU具有CPU软件烧写功能，可以方便的实现牵引控制软件更新升级。

4.3.3PTU参数配置及服务功能

可通过PTU软件设置的参数包括：监控参数的地址，保存数据的地址，记录数据的时长和间隔，条件追踪数据的触发条件。可通过PTU软件批量修改TCU的控制参数。

PTU软件另有服务器版本，除有上述所有功能外，还可以管理、统计条件追踪文件。可以按照车号、故障代码、时间等检索、统计条件追踪文件。

4.3.4模式转换功能

设计有模式转换功能，由模式转换开关实现。模式转换开关设计两个档位，测试位和运行位。车辆静态测试时将模式转换开关调到测试位，能够实现静态调试的各项需求。运行时需将开关拨至运行位。

结语：牵引逆变器是城市轨道交通列车牵引传动系统的核心装置。设计满足城市轨道交通要求的牵引逆变器，可以加快城市轨道交通设备的国产化进程，促进城市轨道交通产业健康快速的发展。

参考文献

[1]铁路机车车辆电气设备检测技术的发展[J].陈高华.机车电传动.2012(03)

[2]机车车辆用电力变流器特性和试验方法[J].万方.铁道技术监督.2006(09)

[3]铁路的电磁兼容通用要求[J].虞尉民.安全与电磁兼容.2007(04)

作者简介：姓名:王世友,出生年月:1986.1.15,性别:男,民族：汉族,籍贯（精确到市）:辽宁省大连市,当前职务：科长,当前职称：电气工程师中级,学历：本科.