DC-01型地鐵車輛改交流驅(qū)動前后牽引系統(tǒng)的區(qū)別

張九高

(上海申通地鐵運營有限公司維保中心,200031,上?！坞姎饧紟?

上海軌道交通1號線自1992年開通至今,投入運營的列車由最初的16列增加到55列。這55列車是不同時期分別購置的,且車型也各不相同。其中,1～16號是最早購置的西門子直流電動列車,17～29號是后期與2號線同期購置的西門子交流驅(qū)動列車,30～39號是龐巴迪交流驅(qū)動列車,40～55號是阿爾斯通交流驅(qū)動列車。

20世紀(jì)80年代,電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是采用了大功率的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和微機模塊化控制后,使交流電機調(diào)頻調(diào)壓(VVVF)控制得以實現(xiàn),這就為具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、體積小、質(zhì)量輕、少維修等一系列優(yōu)點的三相異步電動機在軌道交通車輛上的發(fā)展,拓展了廣闊的應(yīng)用前景。交流電動機取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢修工作量大的直流電動機,是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1號線由最初的路線短、客流少,到現(xiàn)在的南延伸至莘莊,北延伸到富錦路,客流猛增。這些客觀因素導(dǎo)致列車過量損耗,故障率居高不下,提前進入報廢期。為了使直流車型的地鐵列車更好地為乘客服務(wù),上海申通集團地鐵公司聯(lián)合中國南車集團株洲西門子電力機車有限公司,在直流車車體不變的基礎(chǔ)上,共同合作改造,使列車內(nèi)部設(shè)備國產(chǎn)化,把故障率較高的直流牽引系統(tǒng)改造成結(jié)構(gòu)簡單、模塊化設(shè)計、維修率低的交流牽引系統(tǒng)。

1 改造前后牽引回路的構(gòu)成

1.1 改造前直流主回路構(gòu)成

上海軌道交通1號線DC-01型車輛(直-直)主回路是由架空線網(wǎng)通過裝在“B”車上的受電弓Q1(見圖1)而得到DC 1 500 V電源正極,由輪對通過鋼軌回到電源負極。它的構(gòu)成主要有兩部分:①線路濾波;②主回路部分。

1.1.1 線路濾波

線路濾波主要由線路電抗器L1和線路電容器C1組成(見圖1)。其中,Q3為高速開關(guān),F1為避雷器,K15是線路接觸器,F2為電容充電保險絲,R1為電容充電限流電阻,V1為隔離二極管,K16為電容接觸器,R1為過電壓保護電阻,U1為電流差動傳感器,U2為電壓傳感器,K17為放電接觸器,R2為放電電阻,Q4～Q7為接地裝置和接地碳刷。線路濾波的作用是減少外界因素和觸網(wǎng)電壓波動突跳等對主回路的影響,使主回路得到一個平穩(wěn)的電源電壓,同時也是為了減少電壓、電流波動對周圍通信、信號等設(shè)施的干擾。

1.1.2 主回路部分

主回路部分主要是由二串二并四個直流牽引電機M1～M4組成(見圖 1)。其中 K 1～K 8是方向接觸器,K9、K10是牽引接觸器,K11是制動接觸器,K12是預(yù)勵磁接觸器,K 13、K14是磁場削弱接觸器,A 2是預(yù)勵磁裝置,R4和R6是磁場削弱電阻,R7和R8是制動串聯(lián)降壓電阻,R9是主制動電阻,U3和U 4是電流傳感器,L3為平波電抗器。它的作用是建立牽引工況、制動電路工況和設(shè)定電機的轉(zhuǎn)動方向。

圖1 DC-01型地鐵車輛主回路電器配置圖

1.2 改造后交流主回路構(gòu)成

改造后交流主回路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經(jīng)受電弓接觸受流輸入的1 500 V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電,向異步電動機供電。交流主回路主要由高壓電器箱、電抗器箱、制動電阻箱和牽引逆變器箱等組成。

1.2.1 高壓電器箱

高壓電器箱是主電路的構(gòu)成部分,主要由隔離開關(guān)、電流傳感器、熔斷器和接觸器,以及浪涌吸收器、RV續(xù)流回路、快速放電回路等器件組成。

高壓電器箱接受來自高速開關(guān)(HSCB)的DC 1 500 V高壓電源。電流傳感器LH1用以檢測主回路直流側(cè)電流。浪涌吸收器FS并聯(lián)在主回路直流側(cè)用以吸收并穩(wěn)定電壓。KM1、KM 2、R2組成預(yù)充電回路,保證主電路接通時充電電流不至于太大。R1、V 1回路用于釋放電路瞬間的反電勢。KM3、R3組成的放電回路在斷電狀態(tài)5 min內(nèi)將主電容的電壓降至＜50 V。

1.2.2 電抗器箱

TXL40型線路電抗器是上海軌道交通1號線車輛改造項目主電路的構(gòu)成部分,它連接高壓箱與牽引箱,用來限制直流側(cè)的電壓、電流波動,濾除高次諧波。產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)如下:額定電流為DC 520 A;額定電壓為 DC 1 500 V;電感值為 5 MH;冷卻方式為走形風(fēng)冷卻。

1.2.3 制動電阻箱

列車電制動時,牽引逆變器將列車動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。如果電源網(wǎng)有能力吸收這些電能,則電能被回饋至電網(wǎng);如果電網(wǎng)無法吸收,電能會被制動電阻吸收并轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

1.2.4 牽引逆變器箱

牽引逆變器是整個交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分(見圖2),由2個逆變模塊單元組成。2個逆變器模塊驅(qū)動4臺牽引電動機,電阻制動斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。

采用株洲西門子電力機車有限公司研制的TGN39型牽引逆變器,它由兩個逆變器單元集成在一個逆變器柜中,采用了兩個通用的IBBM60G型IGBT變流器模塊。單個模塊的輸出容量可達600 kVA。兩套控制器傳動控制單元(DCU)合成于一個型號為60R-6U的控制箱中,便于控制和通信。

圖2 改造后牽引箱內(nèi)部逆變器圖

2 改造前后不同的牽引控制方式

2.1 改造前直流驅(qū)動方式的牽引控制

2.1.1 直流驅(qū)動方式的斬波原理

斬波器(見圖3)作為電動車輛的調(diào)速控制系統(tǒng),接在恒定電流電源和主電路之間?？梢园褦夭ㄆ骱喕梢粋€開關(guān),通過接通和關(guān)斷電路,并控制通和斷的時間,使主電路得到一個可調(diào)的平均電壓。

圖3 斬波器簡化圖

通常的直流斬波器采用可控硅,其關(guān)斷時換流比較復(fù)雜,需要一套由電容、電感、可控硅等組成的附加裝置對可控硅進行強迫關(guān)斷,稱之為換流電路。而上海軌道交通車輛直流斬波器使用較先進的可關(guān)斷晶閘管(GTO),不需要換流電路。一個正向脈沖導(dǎo)通GTO,一個反向脈沖關(guān)斷GTO,從而使斬波器電路的組件數(shù)目減少,線路簡化,外形尺寸減小,質(zhì)量減輕。

2.1.2 斬波器高壓組成部分

1號線斬波器電路(見圖1)主要以主晶閘管V 1和V2的導(dǎo)通和關(guān)斷為目的。它主要由主晶閘管V1和V 2,大功率可關(guān)斷晶閘管GTO,電阻制動晶閘管V 3、V 4,續(xù)流晶閘管 V 5,短路晶閘管V 10,短接串聯(lián)降壓電阻晶閘管V7、V8,接通串聯(lián)降壓電阻二極管V 9等組成。

2.2 改造后交流驅(qū)動牽引逆變器箱內(nèi)的VVVF控制方式

2.2.1 VVVF控制方式的原理

VVVF是變壓-變頻(Variable Voltage and Variable Frequency)的縮寫,對于變頻變壓的交流異步電機,其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為:

式中:

f——電流的頻率;

P——旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。

因此,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可通過改變磁極對數(shù)P或調(diào)節(jié)電流頻率f得以實現(xiàn)。

在變頻調(diào)速中,由于需要調(diào)節(jié)電流頻率,所以必須考慮定子繞組的反電動勢對定子電流及磁通的影響。定子繞組反電動勢有效值可以表示為:

式中:

k——比例常數(shù);

f——定子電流的頻率;

N——每相定子繞組的匝數(shù);

φ——主磁通的振幅。

當(dāng)f下降時,E也下降,則電源電壓U與E之間的差增大,定子電流變大。在交流電機中,定子電流由兩部分組成,小部分用于建立主磁場,大部分則提供給轉(zhuǎn)子側(cè)。由于轉(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加,所以勵磁電流必增大,因而磁通φ增大。而φ增大,又使E增大,達到新的平衡。如果φ不斷增加,會導(dǎo)致鐵心的飽和,進而引起勵磁電流波形的畸變。

如果能保證E/f=常數(shù),則φ可保持不變。由于電源電壓U和E近似相等,則在變頻中使U/f=常數(shù),即可保持φ不變。即在調(diào)速中同時調(diào)整電壓及頻率。

在三相逆變器中IGBT逐相導(dǎo)通,在輸出端形成三相電壓系統(tǒng),將中間連接電壓供給牽引電機。逆變器輸出的頻率及電壓幅值是可以調(diào)整的。相電壓的最大幅值取決于中間電路電壓。輸出電壓的幅值可以通過改變IGBT開通的寬度來調(diào)整。輸出電壓波形的頻率與逆變器的輸出頻率一致。一個逆變單元由6個開關(guān)型半導(dǎo)體元件組成,在改造后的逆變器系統(tǒng)中采用IGBT。每個IGBT兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管,用來維持電機電流的流動。對于交流電機的三個相,每2個IGBT和2個二極管組成逆變器相。每一逆變相都連接著直流連接電路的正、負極,中間的引出端連接電機的一相。將IGBT看做一個能高頻工作的開關(guān),可畫出逆變電路的等效圖(見圖4),并分析R、S兩端的電壓變化情況。

圖4 R、S線電壓及相電壓

在每一逆變相中,兩個IGBT(開關(guān))由牽引控制單元控制循環(huán)觸發(fā),將相應(yīng)電機輸入端與直流連接電路正、負極相連。管子的工作周期為360°,導(dǎo)通與截止周期分別為180°。在同一橋臂上的兩個IGBT不可能同時導(dǎo)通。當(dāng)IGBT導(dǎo)通后,電機輸入端上的電壓應(yīng)等于直流連接電路的電壓U d或為0。圖5反映了電機R、S兩端的線電壓以及二相相減后得到的相電壓U 1-2。

U 1-2=U R-S=U R-U S。由圖 5可以看出,兩個正電壓之間和兩個負電壓之間的相位差為120°,中間有60°是沒有電壓的。

同理,可以計算出其他二相的電壓:

一個對稱的三相系統(tǒng)不同相位之間的相位差為120°。相位的方向是建立在電機電壓相位次序上(順時針或逆時針),這也決定了電機轉(zhuǎn)動的方向。

圖5 R、S線電壓及相電壓

2.2.2 牽引逆變器的高壓回路

TGN39型牽引逆變器箱內(nèi)的中間回路用于穩(wěn)定中間回路電壓。把無功功率供應(yīng)給感應(yīng)電動機吸收交流分量是線路濾波器的一部分(和線路電抗器一起)。逆變器由二組三相模塊組成(見圖2)。每個逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂及制動相橋臂,驅(qū)動2臺異步牽引電動機。模塊還包括了熱管散熱器、溫度傳感器、門控單元、門控電源、脈沖分配、支持電容器等,在一定程度上達到了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。模塊上IGBT元件之間及與支持電容的連接使用了低感母排,減少了線路上的雜感電感,省掉了吸收電路,使電路更為簡單、可靠。模塊上散熱器采用了熱管散熱技術(shù),靠走行風(fēng)自然冷卻,使系統(tǒng)更簡潔,且無環(huán)境污染。

2.2.3 牽引逆變器傳動控制單元

傳動控制單元(DCU)采用異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制、粘著控制軟件和交流傳動模塊化設(shè)計硬件,主要完成對IGBT逆變器交流異步牽引電機的實時控制、粘著控制、制動斬波控制,同時具備完整的牽引變流系統(tǒng)故障保護功能、模塊級的故障自診斷和一定程度的故障自復(fù)位功能。株洲西門子電力機車有限公司自主研發(fā)的DCU模塊化硬件,采用標(biāo)準(zhǔn)的6U機箱式結(jié)構(gòu),模塊化插件插裝在機箱內(nèi)(見圖6)。

圖6 DCU布局接口圖

設(shè)備得電時,DCU會執(zhí)行一次自檢,檢查高壓電器箱中的KM 1、KM2接觸器是否能正常吸合與斷開,并判斷牽引回路是否能達到牽引條件。DCU接收到司機室發(fā)出的向前或向后方向控制指令后,斷開放電接觸器,閉合主電路充電接觸器,當(dāng)支撐電容電壓在一定的時間(約4 s)內(nèi)上升到一定值(約為網(wǎng)壓的95%)后,閉合線路接觸器,充電完成,形成牽引回路。DCU根據(jù)本車載荷信號發(fā)出觸發(fā)脈沖,控制牽引逆變器根據(jù)牽引及電制動特性輸出一定頻率和電壓的三相交流電給牽引電機,產(chǎn)生列車的輪緣牽引力(電制動力),同時檢測電機的轉(zhuǎn)速信號,對列車進行防空轉(zhuǎn)及防滑控制。當(dāng)列車運行時,DCU監(jiān)測主電路及逆變器的各種狀態(tài)及故障信息,對主電路及逆變器實施完善的安全保護措施。DCU主要實現(xiàn)的保護項目有:網(wǎng)壓過高、過低,支撐電容直流過壓、欠壓,直流側(cè)總電流過流,主電路接地(差動電流保護),IGBT模塊故障等。

DCU模塊化插件的功能如下:

(1)開關(guān)電源板,主要提供+5 V、+15 V、-15 V、+24 V、-24 V電源,為機箱內(nèi)各插件、風(fēng)扇冷卻裝置、電流電壓傳感器、速度傳感器等提供直流電源。

(2)數(shù)字入出板,包含16路110 V數(shù)字輸入(110 V/5 V)、8路110 V 輸出(5 V/110 V)。110 V輸出采用繼電器輸出電路。

(3)通信接口板,主要完成DCU與列車通訊網(wǎng)MVB總線的數(shù)據(jù)通信及與單板機的數(shù)據(jù)通信。

(4)電機控制板(MCC),是一塊微機板,采用三個數(shù)字信號處理器(DSP)來進行實時計算,主要實現(xiàn)異步電動機的直接力矩控制、速度的處理、電機溫度的計算及過壓斬波的處理。

(5)電機信號板,是電機側(cè)控制的一塊外圍板,它對4臺電機的4路速度信號進行濾波處理、二選一、方向判斷;具有逆變器的過流保護、中間直流電壓過壓保護、斬波過流保護;對逆變器輸出電流、電壓信號進行濾波、整流、放大等以形成有效值。

(6)模擬輸入,其采樣的信號有電機1溫度、電機2溫度、電機 3溫度、電機 4溫度、網(wǎng)壓、直流電壓、直流電流、載荷信號等。

(7)脈沖轉(zhuǎn)換,它對電機控制板發(fā)出的逆變器型號、斬波信號進行脈沖轉(zhuǎn)換,即將+5 V幅值的脈寬調(diào)制(PWM)信號轉(zhuǎn)換成+24 V幅值的信號送至逆變器機組;同時,它接收元件故障狀態(tài)信號反饋,并進行+24 V到+5 V的信號幅值轉(zhuǎn)換,送電機信號板匯總并用于故障保護。

(8)解調(diào)器,將輸入的司機指令(PWM信號)轉(zhuǎn)換成0～10 V的模擬信號,送至MCC采集。

3 改造前和改造后的電機區(qū)別

3.1 改造前直流牽引電動機的主要參數(shù)

型號:CUS5668H;功率:207 kW;

額定電壓:1 500/2 V;

額定電流:305 A;

額定轉(zhuǎn)速:1 470 r/min(相當(dāng)于車速35.5 km/h);

最大轉(zhuǎn)速:3 140 r/min(相當(dāng)于車速80 km/h);勵磁方式:串勵;

磁場削弱系數(shù):93%和50%;傳動比:5.95。

3.2 改造后交流異步牽引電動機的主要參數(shù)

型號:JD118A;

功率:190 k W;

定子頻率:60.87 Hz;

電壓(基波):1 050 V;

電流(基波):131 A;

轉(zhuǎn)矩:1 008 Nm;

轉(zhuǎn)速:1 800 r/min;

效率:0.927;

功率因數(shù):0.867;

級數(shù):4;

最大轉(zhuǎn)速:3 280 r/min;

傳動比:5.95。

4 結(jié)語

改造前和改造后的列車最大的區(qū)別就是在設(shè)計理念上有了很大的進步。直流換向的諸多接觸器被全部摒棄,變成了現(xiàn)在的軟件控制,這就減少了由于接觸器的問題而導(dǎo)致的故障,也減少了維護接觸器的工作量;斬波器中的分立元件被逆變器模塊化元件取代,直流牽引電機改為交流異步牽引電機,使故障率和維護的工作量進一步下降。

上海軌道交通直流列車改交流列車的試點已經(jīng)在102#車上完成。經(jīng)過一年多的運營,該列車車況良好,故障率明顯下降。目前,直流列車的改造與“6改8”項目正在一并進行。到時我們看到的將是殼體沒有變化但內(nèi)部器件嶄新且國產(chǎn)化的8節(jié)編組列車。

[1]成競立,余強,朱小娟,等.車輛電器與控制[R].上海:上海地鐵維保中心車輛分公司,2002.

[2]余強,朱小娟,周俊龍,等.AC 01/01型地鐵列車電氣部分[R].上海:上海地鐵維保中心車輛分公司,2006.

[3]徐征,陳晨.102#車使用維護說明書[R].中國南車集團株洲西門子電力機車有限公司,2007.