地铁列车的新型逆变器系统

地铁列车的新型逆变器系统

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1 引言

在即将投入运营的sz1地铁列车上，采用了一种新型变频变压(vvvf)逆变器牵引和制动系统。之所以称它是“新型”系统，是因为以下三个原因:其一，采用大功率电力电子器件igbt模块。复合型igbt是以单极型mosfet为驱动元件，双极型gtr为主导元件的达林顿结构元件，它综合了前者输入阻抗高、驱动功率小(电压型)、电路简单、开关频率高、热稳定性好和后者安全工作区宽、电流密度高、导通压降低的优点;其二，单台牵引电机额定功率较之目前国内外已投入运营的同类产品(4m2t)大，因而使这类地铁列车有更大的牵引功率和电制动功率;其三，vvvf逆变器采用直接转矩控制系统，这是除矢量控制系统之外的另一种新的高动态性能的、但更简单适用的变频变压调速系统。因此，这种“新型”系统体现了现代电力电子器件、电路及其控制技术方面的特点:集成度高，工作频率高，全控化，电路控制简单、灵活、准确，多功能化和智能化。这将大大提高地铁列车vvvf逆变器系统的可靠性、可维修性以及经济性等，具有广阔的发展前景。

2 sz1地铁列车电气设备的构成

2.1 地铁列车电气设备布置与电路图

如图1所示，sz1地铁列车为6辆编组(4m2t)的两个3车单元(2m1t)对称设计。每个3车单元都由一个带司机室的拖车a和两个动车(带受电弓的动车b和不带受电弓的动车c)组成。两个3车单元用半自动车钩连接。

图1 sz1地铁列车设备构成图

每车两个转向架共四根轴, 一个动车的四根轴由同一台牵引逆变器驱动, 即四台自冷三相异步牵引电动机并联运行。

(1) sz1地铁列车的线路区段: sz1地铁1期工程1号线13站，平均站间距1.172km，最大地下深度22m;4号线5站，平均站间距1.011km，最大地下深度23.5m。

(2) 轨距:1435mm。

(3) 设计最大坡道:正线35‰，车站线路3‰，辅助线路(awo)40‰，车辆段线路0‰。

(4) 车辆载荷:列车总载荷(t)

awo(空载): 210t, aw1(48座/辆, 288座/列):227.4t，aw2(6人/m2，1920人/列):342.6t;aw 3(9人/m2，2502人/列):377.5t。

2.2 电气系统简述

sz1地铁列车的牵引逆变器系统全称应该是“变频变压(vvvf)逆变器牵引和制动系统”。图1所示系统的主要设备包括受电弓、浪涌吸收器、隔离和接地开关、高速断路器、线路滤波电

抗器、线路接触器和充电限流环节、接地差动电流检测器、牵引逆变器(牵引逆变器模块、制动斩波器模块、线路滤波电容器)、制动电阻、牵引电机(4台)、接地和负极回流装置。现将系统设备的功能、技术参数、工作原理按以上编号分别简述如下(控制单元略)。

以动车b为中心，按编号顺序描述如下设备名称、位置、功能基本特点和概念。

(1) 每个动车b都装有一个受电弓1，由一个浪涌吸收器2进行过压保护，它连到受电弓的输出端。其供电制式为架空接触网，额定电网电压为dc1500v(变化范围1000～1800v);计算电网电压在牵引时为dc1500v，再生制动时为dc1650～1800v。

(2) 高压电源(dc1500v)通过4根电缆(每根都各走一根钢管)连接到b车的ph箱(牵引逆变器和高压设备箱)中的隔离和接地开关3(θ1点)，它有三个位置，即受电弓受电位、连接车间电源的插座位、车辆接地位。

(3) 经过隔离和接地开关后, 高压电就连接到两个高速断路器4, 它们分别接到本车上ph箱中的线路滤波电抗器5和本车上ph箱外的线路滤波电抗器5, 再分别接到各自的b车和c 车;ph箱中和pa箱(牵引逆变器和辅助逆变器箱)中的线路接触器6(充电限流环节)、输入输出差动电流接地保护7、牵引逆变器8(包括线路滤波电容器、牵引逆变器模块、制动斩波器模块)、制动电阻9(分别在b车ph箱外和c车pa箱外)，以及b车和c车的四台牵引电动机io。

(4) 隔离和接地开关θ1和θ2的2位相连接地11(接地和负极回流点)。

(5) 高压电经过一个辅助熔断器和一个隔离二极管(图1中的25和26)连接到蓄电池充电熔断器12，再连接到a车的蓄电池充电器;连接到辅助逆变器熔断器13、线路滤波电抗器14(在c车上)、线路接触器(充电限流环节)15(在c车的pa箱中)、辅助逆变器16(逆变器模块、滤波电容器)、三相变压器、滤波器、输出变压器(三相交流380v，50hz)17，以及三相电压测

量装置18。

(5) 电磁兼容emi电容器19，分别连接在b车ph箱中的牵引逆变器输入电压负极对地之间，c车pa箱中的牵引逆变器、辅助逆变器输入电源负极对地之间。

(6) 高压经过辅助熔断器25和隔离二极管26后，还连接到母线重联装置的熔断器、接触器20、重联插座21，给列车的另一个3车单元供电。

(7) 23是组容保护电路，防止隔离二极管反向击穿。

(8) 24是网压测量装置。

由此可见，sz1地铁列车有四台完全相同的牵引逆变器系统，其中两台装在b车的ph箱中，另外两台装在c车的pa箱中(但是它们的告诉断路中4装在b车的ph箱中，线路滤波电抗器5装在b车的ph箱外);sz1地铁列车有完全相同的两台辅助逆变器系统，分别装在两个3车单元的动车c的pa箱中，但是，它们没有高速断路器，只通过装在动车b的ph箱外的辅助逆变器熔断器供电，且线路滤波电抗器14在动车c的pa箱外;sz1地铁列车有完全相同的两台直流电源系统，分别装在两个3车单元的拖车a上，但是，蓄电池充电器熔断器1 2装在动车b的ph箱中，由此得到dc1500v高压电源。

2.3 主要电气设备简介

(1) 受电弓

sz1地铁列车有两台受电弓，分别装在两个3车电源的b车顶上，将dc1500v电源连接到p h箱中的隔离和接地开关上。

受电弓的主要技术参数:额定电压:dc1500v; 最大/暂态系统电压:dc1800v/dc2000v; 额定/

最大电流:1400a/2400a;最大静态电流:460a; 最大速度:90km/h; 最大/最小工作高度:1600