城市軌道交通車輛的緊湊型牽引變流器應(yīng)用探討

李巖 吳天昊

摘要：本文研究了緊湊型牽引交流器應(yīng)用到城市軌道交通中降壓變流的功能。其不僅能夠?yàn)檐壍澜煌ㄌ峁╇娔埽€能夠?qū)﹄娋W(wǎng)實(shí)現(xiàn)車輛再生制動(dòng)能量的回饋，使直流供電電壓能夠穩(wěn)定。本文首先，對(duì)緊湊型牽引變流器優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析；之后，研究城市軌道交通車輛應(yīng)用變流器的方案，尋找最優(yōu)方案；通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)此方案性能進(jìn)行驗(yàn)證，最后驗(yàn)證此變流器的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：城市軌道交流；變流器；牽引供電

中圖分類號(hào)：u224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：HTA

我國(guó)城市交通牽引變電所都是利用降壓變壓器及多脈波不控及相控整流電路，使35kV三相交流電降壓整流成為1500V/75OV直流電方式對(duì)車輛提供電能。因?yàn)槎O管整流電路只能夠單方向通過(guò)電流，并且開通及關(guān)閉不可控，所以其輸出電壓也不可控。在啟動(dòng)軌道交通車輛的時(shí)候，從接觸網(wǎng)接收電流迅速上升，從而導(dǎo)致降低接觸網(wǎng)電壓，以此降低軌道交通車輛供電電源。研究全新的牽引供電交流器方案，能夠提高可靠性，降低開關(guān)損耗。

1 緊湊型牽引變流器的優(yōu)勢(shì)

在大部分軌道車輛項(xiàng)目中，車輛在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要問(wèn)題就是對(duì)牽引變流器、變壓器及電機(jī)尺寸造成了制約，ABB牽引變流器設(shè)備具有設(shè)備緊湊及質(zhì)量較輕的優(yōu)勢(shì)，使車輛在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠充分發(fā)揮其自由度。牽引變流器內(nèi)部的液體冷卻系統(tǒng)是通過(guò)ABB開發(fā)的技術(shù)，并且在發(fā)展過(guò)程中有了有效優(yōu)化。溫度在變流器各個(gè)部分均勻地分布，以此使功率半導(dǎo)體使用的壽命有效提高。因?yàn)槠潆娫茨K的體積較小，并且質(zhì)量較輕，所以只需要一個(gè)人就能夠自由的操作。因?yàn)闋恳兞髌骼鋮s系統(tǒng)不需要冷卻氣流進(jìn)入，控制電子單元具有良好的密封性，能夠避免周圍的濕氣、灰塵進(jìn)入到內(nèi)部，所以較為潔凈[2]。

變流器內(nèi)部的器件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了金屬板材的使用。通過(guò)合理的劃分電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為不同功能單元，并形成了具有獨(dú)立功能并且易于維護(hù)的集成模塊。模塊中的電器元件通過(guò)銅排與線纜得到了合理布置及連接，相比傳統(tǒng)分散式的電器柜，模塊化設(shè)計(jì)有效地減小了結(jié)構(gòu)的重量及體積。由于模塊間的電氣連接相對(duì)簡(jiǎn)單，線纜在柜內(nèi)沒(méi)有重復(fù)布置的情況，也進(jìn)一步減少了整個(gè)柜體的電纜用量。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小柜體的維護(hù)空間，使布局更加緊湊合理，很大程度地減小了變流器的總重量。

2 城市軌道交通車輛應(yīng)用變流器的方案

2.1 完全使用緊湊型牽引變流器

此方案可以完全使用牽引變流器代替二極管整流器，其能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)牽引供電設(shè)備模式。此方案電路因?yàn)槿繛镻WM整流電路，其主要優(yōu)勢(shì)為：

（1）輸出直流電壓紋波系數(shù)較小，電流攜波含量較低；

（2）直流電壓特性較硬，并且可控；

（3）將制動(dòng)能量回饋吸收，提高轉(zhuǎn)換效率，具有良好的節(jié)能效果。

但是此方案也存在一定的局限性，因?yàn)槠渥兞髌饕话愣际鞘褂萌匦碗娏﹄娮悠骷鳛楹诵脑O(shè)備，此產(chǎn)品的容量比二極管要小，所以其最大功率較大，投資較大[3]。

2.2 混合方案

結(jié)合二極管整流機(jī)組，其諧波等技術(shù)指標(biāo)滿足需求。保留二極管整流機(jī)組可以發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)，比如價(jià)格較低、容量較大、雙向變流器機(jī)組可以負(fù)擔(dān)相應(yīng)的整流負(fù)荷，以此使二極管整流機(jī)組的設(shè)計(jì)容量得到降低，兩者相互集合，不僅保證供電能力，還能夠回饋能量，并且整體的成本比全部使用緊湊型牽引變流器方案較低。

2.3 無(wú)功補(bǔ)償方案

因?yàn)榫o湊型牽引變流器的結(jié)構(gòu)和SVG基本相同，并且交流側(cè)直接接入到中壓系統(tǒng)中，所以不需要對(duì)電力硬件及倒閘作業(yè)進(jìn)行調(diào)整，在控制程序中就能夠?qū)y(cè)量參數(shù)和算法進(jìn)行改變，從而對(duì)裝備進(jìn)行轉(zhuǎn)變。在不同地點(diǎn)分布的交流器形成此種就地補(bǔ)償模式，能夠降低主變電氣中所集成的補(bǔ)償壓力，夜間線路停運(yùn)的時(shí)間也是此地鐵供電系統(tǒng)中最需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，緊湊型牽引交流器能夠在無(wú)功補(bǔ)償模式中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)中無(wú)功的補(bǔ)償。其轉(zhuǎn)換的過(guò)程較為便捷，并且具有較高的質(zhì)量，使設(shè)備價(jià)值得到了有效地提高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)現(xiàn)牽引供電變流器小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，控制電路是以TMS320為基礎(chǔ)，并且使用FPGA實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道。其中的額定功率設(shè)置為3kVA，三相額定交流輸入電壓設(shè)置為380V。圖1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其中（a）表示變流器在3kW整流情況中的電網(wǎng)相電壓、電網(wǎng)輸入電流的波形及頻譜，（b）指的是變流器在逆變情況下的電網(wǎng)相電壓、電網(wǎng)輸入電流的波形和頻譜。以此表示，電網(wǎng)輸入電流和電網(wǎng)相電壓相位相同，從而能夠表現(xiàn)出單位輸入功率因數(shù)。電網(wǎng)輸入電流波形正弦度良好，所以輸入電網(wǎng)不理想的因素和波形，都會(huì)具有一定的低次諧波電流。模擬軌道交通車輛從再生制動(dòng)到加速啟動(dòng)和從加速啟動(dòng)轉(zhuǎn)變到再生制動(dòng)狀態(tài)切換過(guò)程中的工作波形，也就是在滿載整流及逆變過(guò)程中負(fù)載的切換，直流電壓和6.4%不符合，調(diào)節(jié)時(shí)間較短?；诜€(wěn)態(tài)的時(shí)候，此牽引供電交流器輸出的電壓紋波較小，并且輸入的電壓較為穩(wěn)定。

和電阻消耗、逆變吸收等相應(yīng)的制動(dòng)能量吸收方式進(jìn)行對(duì)比，緊湊型牽引變流器通過(guò)相同的電路能夠有效實(shí)現(xiàn)逆變及整流功能，不需要單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng)能量吸收電路的設(shè)置，從而有效降低了設(shè)備數(shù)量及設(shè)備的安裝空間，所以在建筑、設(shè)備兩個(gè)方面共同節(jié)約了工程投資。另外，使用緊湊型牽引變流器還能夠在城軌工程等方面具有連帶的影響，從而提高自身的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)全新城市交通牽引供電緊湊型牽引變流器進(jìn)行了全面的分析，對(duì)相關(guān)的策略進(jìn)行分析。表示使用緊湊型牽引變流器具有較低的開關(guān)頻率、較小的電流諧波含量及簡(jiǎn)單的諧波等各種優(yōu)勢(shì)，以此創(chuàng)建成為牽引供電系統(tǒng)的小損耗及工作過(guò)程中的可靠性，還能夠降低對(duì)交流電網(wǎng)造成的諧波污染。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，緊湊型牽引變流器具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，并且動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)程比較快，不僅能夠?qū)χ绷麟娋W(wǎng)供電質(zhì)量進(jìn)行有效改善，還能夠?qū)崿F(xiàn)電能的節(jié)約。

參考文獻(xiàn)

[1]尹力明，劉俊艷，馮國(guó)強(qiáng)，交流變頻控制系統(tǒng)在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用[J].裝備機(jī)械，2010（2）：44-50.

[2]李小波，吳浩，翁曉韜，等.地鐵列車可關(guān)斷晶閘管牽引變流器綜合測(cè)試技術(shù)研究[J].城市軌道交通研究，2010，13（9）：17-20.

[3]許愛(ài)國(guó)，謝少軍.城市軌道交通牽引供電PWM變流器的研究[J].電力電子技術(shù)，2009，43（12）：7-9.