地鐵用永磁逆變器的研制①

黃樹剛 解鵬 顧秀江

摘 ? 要：地鐵永磁牽引系統(tǒng)是未來城市軌道交通發(fā)展的方向，目前正處于產(chǎn)品驗證和批量推廣階段，與傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)相比，永磁系統(tǒng)具有效率高，維護(hù)簡單的特點。永磁逆變器是永磁牽引系統(tǒng)的核心部件，結(jié)合永磁牽引系統(tǒng)的技術(shù)動態(tài)，目前對永磁逆變器的設(shè)計開發(fā)正當(dāng)其時。本文以現(xiàn)有設(shè)計產(chǎn)品為依托，著重對永磁逆變器的主電路、電氣參數(shù)、控制策略進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：地鐵永磁 ?逆變器 ?方案設(shè)計

中圖分類號：U264.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0078-02

目前，地鐵車輛用牽引系統(tǒng)以異步牽引系統(tǒng)為主，永磁同步牽引系統(tǒng)具有效率高、功率密度高、維護(hù)量低等顯著的技術(shù)優(yōu)勢，被業(yè)界視為下一代軌道交通牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。自2015年裝配永磁牽引系統(tǒng)的地鐵在長沙載客運用考核以來，國內(nèi)多家地鐵公司相繼上線永磁牽引系統(tǒng)地鐵，通過運行情況來看，永磁牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)相比，可降低電能消耗10%能夠大幅度降低運營單位的成本開支，具有較好的節(jié)能環(huán)保效益，目前正處于大批量推廣應(yīng)用階段。

逆變器作為牽引系統(tǒng)的核心部件，通過對輸入直流電頻率、電壓的調(diào)節(jié)控制永磁電機(jī)的牽引制動，逆變器的性能決定整個系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。在永磁系統(tǒng)趨于成熟，批量推廣階段設(shè)計開發(fā)一款永磁逆變器具有較好的經(jīng)濟(jì)利益和社會價值。

1 ?地鐵逆變器的方案設(shè)計

牽引逆變器將輸入的1500V直流電轉(zhuǎn)化為頻率和電壓可調(diào)節(jié)的交流電，供給牽引電機(jī)，以實現(xiàn)車輛的牽引、制動特性。每個牽引逆變器包含四個牽引逆變單元，每個逆變單元只為一個牽引電機(jī)供電，每個牽引電機(jī)的力矩均獨立控制，可充分利用粘著條件，發(fā)揮牽引電機(jī)的最大牽引力，動力冗余性好。

逆變器主要參數(shù)：

最大控制容量 1291kVA

額定輸入電壓 DC1500V

電壓變化范圍 DC1000V～1800V

瞬時最高電壓（再生時）DC1980V

輸出電壓 三相AC 0～1130V

輸出頻率范圍0-280Hz

控制電壓 ? DC110V（77～121V）

安裝方式 ?車底安裝

2 ?地鐵逆變器的主電路設(shè)計

牽引逆變器中包含充電回路（預(yù)充電接觸器、預(yù)充電電阻）、支撐回路（支撐電容）、逆變輸出回路（逆變斬波功率模塊）等構(gòu)成。主要組成部件包括：逆變斬波功率模塊、中間直流回路、接地檢測裝置、輸入輸出接觸器、控制裝置等。

牽引逆變器輸入端與高速斷路器經(jīng)電纜相連接，通過預(yù)充電回路，將網(wǎng)側(cè)直流電經(jīng)過濾波電路輸入到中間支撐回路。中間支撐回路通過復(fù)合母排和支撐電容，將濾波電抗器和逆變功率模塊連接起來。

輸出回路由逆變斬波功率模塊經(jīng)過輸出接觸器與牽引電機(jī)相連，當(dāng)牽引電機(jī)側(cè)出現(xiàn)故障情況，通過輸出接觸器斷開將牽引電機(jī)隔離。逆變斬波功率模塊與控制單元之間采用光纖傳輸方式，牽引逆變器與機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)ATI的通訊采用RS485，牽引逆變器的主電路原理圖如1所示。

3 ?逆變器控制策略

永磁逆變器控制算法采用轉(zhuǎn)矩外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，控制框圖如圖2所示，旋轉(zhuǎn)變壓器獲得的轉(zhuǎn)子位置信息θ以及θ微分得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr作為控制的反饋量;參考轉(zhuǎn)矩通過MTPA模塊分解成參考轉(zhuǎn)矩電流和參考勵磁電流;傳感器測得的電流iu、電流iv經(jīng)過3s/2s變換得到電流、電流，電流、電流經(jīng)過2s/2r變換成勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流isq;參考轉(zhuǎn)矩電流i*sq、反饋的轉(zhuǎn)矩電流isq、參考勵磁電流 和反饋的勵磁電流通過雙PI解耦控制得到參考轉(zhuǎn)矩電壓Usq和參考勵磁電壓Usd;Usq和Usd經(jīng)過PWM（Pulse ?Width ?Modulation）發(fā)生部分產(chǎn)生6路PWM信號控制三相逆變器，從而驅(qū)動電機(jī)運行。

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)采用MTPA控制策略，保證在給定電流情況下電機(jī)能輸出最大轉(zhuǎn)矩，同時為了保證電機(jī)在電壓波動情況下也能可靠工作，增加隨著母線電壓波動而調(diào)節(jié)勵磁電流。電流環(huán)采用雙閉環(huán)電流控制策略，通過對電流的解耦，分別控制轉(zhuǎn)矩電流iq和勵磁電流id。

4 ?結(jié)語

通過公司半實物平臺對上述主電路結(jié)構(gòu)、控制算法進(jìn)行仿真分析后，各仿真波形滿足設(shè)計要求。需要后續(xù)開發(fā)成實際產(chǎn)品，進(jìn)行地面試驗驗證和載客運營以驗證和完善產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)的發(fā)展概況及應(yīng)用挑戰(zhàn)[J].大功率變流技術(shù)，2012（3）：1-7.

[2] 劉雄，陳文光，許峻峰，等.地鐵永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)優(yōu)化策略與仿真分析[J].機(jī)車電傳動，2016（3）：24-27.

[3] 黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動與控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.