地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的研究

【摘要】想要加深對地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的了解，首先要對牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流及其諧波等進行分析推導(dǎo)，在國內(nèi)城市軌道交通逐漸完善的大背景下，本文簡單概述了地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)后，又對牽引逆變器直流側(cè)電流諧波進行了深入估算分析。

【關(guān)鍵詞】直流側(cè)電流 牽引逆變器 諧波分析

現(xiàn)階段，國家城市軌道建設(shè)已經(jīng)步入正軌，國內(nèi)大部分軌道交通普遍采用直流供電為主要能源，同時積極展開隊牽引逆變器的研究，開發(fā)出以牽引逆變器產(chǎn)生的直流側(cè)電流諧波為主要能源的電氣牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從目前城市地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的現(xiàn)狀入手，分析牽引逆變器的主要特點以及對直流側(cè)電流諧波的作用。

一、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)簡述

直流供電作為地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的典型供電結(jié)構(gòu)，目前國家城市軌道上進行運輸作業(yè)地鐵車輛廣泛應(yīng)用。地鐵車輛運行是通過應(yīng)用逆變器向牽引電機供電的基本原理，給運行車輛提供動力，保障車輛安全行駛。通常使用兩電平電壓型的逆變器同時給四臺牽引電機進行動力傳輸，而牽引電機的類型一般選取三相交流牽引電動機。以一般車輛運行所需的1500V直流電往為例，首先由二極管布控整流電路進行傳輸，在確保電網(wǎng)網(wǎng)壓始終在1000-1800V的數(shù)據(jù)上下浮動后，直流電會被電弓引入低通濾波器，自動變成較為恒久穩(wěn)定的直流電壓。然后接收直流電壓的三相交流牽引電動機，通過脈寬調(diào)制控制內(nèi)部的大功率導(dǎo)體部件的開通和關(guān)斷來將接收到的電壓變成牽引電動機真正所需的變壓變頻的交流電，最后將交流電通過機械傳動機構(gòu)輸送能量給地鐵軌道車輛的動輪上，驅(qū)動車輛行駛前進。

在牽引系統(tǒng)中還要安裝預(yù)充電電阻、預(yù)充電接觸器等零部件，預(yù)充電電阻是用來限制直流電傳輸過程中產(chǎn)生的電容，而接觸器則是使預(yù)充電電阻真正應(yīng)用到電路中的存在。在牽引系統(tǒng)中最為重要的存在是由濾波電感和支撐電容所構(gòu)成的低通濾波器，這種濾波裝置不僅作為一個承載過渡運輸部件，電網(wǎng)電流在通過此部件后，可以有效降低電壓波動在后期對逆變器可能產(chǎn)生不良影響的概率，還能夠最大程度的限制負載諧波電流進入電網(wǎng)，從而減使鐵車輛上其他電子儀器不被負載諧波電流所干擾。除此之外，濾波電感可以降低電流的速度，防止上升過快出現(xiàn)短路，而支撐電容還為牽引電機提供無功功率。當(dāng)系統(tǒng)傳輸動力過程一旦網(wǎng)壓超過1800V時，牽引系統(tǒng)會自動對電阻能耗還是制動，讓網(wǎng)壓重新回到穩(wěn)定值的范圍。

二、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的分析

地鐵車輛行駛過程中，所謂牽引系統(tǒng)的直流側(cè)電流諧波分析主要就是對牽引逆變器的研究?，F(xiàn)階段國家地鐵車輛上所使用的牽引逆變器大多數(shù)是兩電平電壓型逆變器，這種逆變器的主要電路由兩個不同的逆變器單元組成。每個單元對應(yīng)兩臺牽引電動機，就可以做到上文中所說兩電平電壓型的逆變器同時給四臺牽引電機進行動力傳輸這一過程，逆變器的主要模塊采用冷卻熱管散熱器運作過程中形成的風(fēng)的獨特冷卻方式進行運作。國家目前所使用的TGN51J型號的逆變器是在原有的牽引逆變器的基礎(chǔ)上改造而成，將原有逆變器中的兩個單元組合一個逆變器單元，在輸出過程中進行分流，通過安裝兩個交流器模塊分散傳輸給四個牽引電機，新型逆變器的創(chuàng)新改造使得原有的輸出容量增加到530KVA，而合成后的逆變器單元極大地減輕了在控制和通訊上的難度。在新型逆變器中安裝的交流器模塊中包含了熱管散熱器、門控單元等機械化零件，最大程度的改善了電壓傳輸過程中可能會出現(xiàn)的問題，做到了傳輸標(biāo)準化、模塊細致化。新型逆變器獨具特色的模塊化的處理方式，使得逆變器安裝過程簡化，拆卸和維修技術(shù)也相對簡單，同時，新型逆變器還合理應(yīng)用了電子信息技術(shù)和無污染的再生制動等其他新興技術(shù)，積極響應(yīng)國家現(xiàn)階段推行的科學(xué)發(fā)展觀政策，做到了系統(tǒng)控制信息化、網(wǎng)絡(luò)化。

然而，新型逆變器本身的保護特性，導(dǎo)致逆變器元件故障時，逆變器自動讓輸出的直流電壓超過或者低于限定范圍來防止主電路由于電機過熱造成的故障或者短路現(xiàn)象。國家科研人員發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)在實際應(yīng)用的過程中，逆變器輸出的直流側(cè)電流中帶有大量的諧波電壓，這種諧波電壓運輸?shù)綘恳姍C中不會被消除，反而會造成牽引電機負載，最終輸送到地鐵車輛時嚴重影響地鐵車輛行駛的安全性。科研人員對這種現(xiàn)象進行了一系列的實驗，最終得出就是逆變器在正常運作的過程中，傳輸交流電壓通過牽引電機時，也一定會在逆變器的輸出口產(chǎn)生不同容量的諧波電流成分。即使是最低成分的直流電流也會產(chǎn)生六倍的諧波電流，這樣的比例，就要求在逆變器的輸送端口安裝濾波器，來過濾掉逆變器所產(chǎn)生的諧波電流。如果不對諧波電流的輸送加以控制，導(dǎo)致大量諧波電流進入牽引電機，并且蔓延到各個傳輸電路中去，在雜散電容和電感的相互作用下，產(chǎn)生大量的電磁對系統(tǒng)進行干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障，也有可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，震蕩過程中產(chǎn)生的高頻成分，破壞系統(tǒng)自身的保護功能。系統(tǒng)在被破壞的情況下，無法保證地鐵車輛繼續(xù)行駛，地鐵車輛的安全性極大地降低。因此，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)必須安裝可以過濾諧波電流的低通濾波器裝置，防止因為諧波電流過量產(chǎn)生的電磁干擾和振蕩現(xiàn)象。

三、總結(jié)

通過對地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的分析，得出當(dāng)牽引電機消耗了一定量的有功功率時，電網(wǎng)會自動提供牽引電機所需要的直流電流，牽引逆變器被控制了變壓變頻的同時也會把豐富的諧波帶走，形成的穩(wěn)定狀態(tài)的分量。因此在牽引系統(tǒng)中，短暫狀態(tài)的諧波電流可以維持的時間長短會被濾波器的參數(shù)所影響等結(jié)論。

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作者簡介：凌廣福（1986-），男，漢族，廣西北流市人，南寧軌道交通集團運營分公司，電力系統(tǒng)，本科，助理工程師。endprint