曲 強(qiáng)，張廣遠(yuǎn)，李 巖，姜 濤，吳志友

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連 116052）

長春輕軌三期車輛70%低地板輕軌車輛，采用6模塊的長編組（4動(dòng)2拖）模式，最大載客量為624人［1］。其主要承載著長春軌道交通3、4號線路的主要運(yùn)力，牽引逆變器作為輕軌車輛的核心部件，其性能好壞直接影響到車輛運(yùn)營的穩(wěn)定性、安全性以及運(yùn)營質(zhì)量。按照三期車輛的使用情況以及維保要求，車輛各級子設(shè)備都已進(jìn)入了廠修周期，現(xiàn)有車輛的牽引逆變器為國外進(jìn)口設(shè)備，由于其設(shè)備器件更換成本高、周期長、檢修功能測試復(fù)雜、故障診斷難度大等原因，已不能全面滿足廠修車輛設(shè)備大修及其備件的更換需求。因此，研制1臺可以替換進(jìn)口設(shè)備的自主化牽引逆變器具有十分重要的意義。

針對這一問題文中主要結(jié)合業(yè)主提出對長春三期輕軌車輛牽引逆變器技術(shù)改造需求，對于自主化輕軌牽引逆變器的研制及裝車試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

1 原有車輛牽引逆變器主要技術(shù)特點(diǎn)

長春三期輕軌車輛采用4M 2T編組方式，具體配置方式為MC+TP+M=M+TP+MC。

其中MC表示為帶有司機(jī)室的動(dòng)車，TP表示為帶有受電弓的拖車，M表示為動(dòng)車。每個(gè)動(dòng)車對應(yīng)1臺牽引逆變器，整車共有4臺牽引逆變器，車輛配置如圖1所示。

圖1 車輛配置圖

原有車輛牽引逆變器采用1拖2動(dòng)（1C2M）架控控制方式即1組牽引功率模塊對應(yīng)2臺牽引電機(jī)，斬波模塊采用雙路專用斬波IGBT并聯(lián)輸出控制模式；同時(shí)牽引逆變器后端接有牽引濾波器用于減少逆變器輸出諧波對牽引電機(jī)的影響。其半列車主電路原理如圖2所示。

圖2 牽引逆變器主電路原理圖

原車牽引逆變器參數(shù)見表1。

表1 牽引逆變器參數(shù)

按照現(xiàn)有車輛的使用情況，原有車輛牽引逆變器存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）由于原有車輛未裝有故障存儲單元，車輛發(fā)生故障時(shí)，只能依賴操作人員的口述及人機(jī)接口顯示信息進(jìn)行故障情況的模糊分析，很難第一時(shí)間鎖定故障發(fā)生位置。

（2）原有牽引逆變器采用純電信號進(jìn)行信號傳輸以及IGBT驅(qū)動(dòng)控制，隨著時(shí)間的推移，線纜及電路板老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，車輛會(huì)偶爾觸發(fā)誤保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)而影響車輛的正常使用。

（3）原有牽引逆變器所采用IGBT為早期產(chǎn)品，其器件結(jié)溫參數(shù)為125℃，目前已處于停產(chǎn)狀態(tài)，新升級后的型號無法直接替換使用。

（4）春季長春市區(qū)楊絮四處飛揚(yáng)，原有牽引逆變器的濾塵裝置容易被其堵塞并且不可更換，這使得柜體的冷卻效率大大降低甚至?xí)|發(fā)逆變器過溫故障停車，影響車輛正常運(yùn)營。

2 改造后牽引逆變器設(shè)計(jì)方案

2.1 改造方案主要技術(shù)特點(diǎn)

改造方案采用對原有車輛4臺牽引逆變器一對一的整列替換方式，即新設(shè)計(jì)4臺牽引逆變器替換原有車輛安裝的牽引逆變器。該方案的牽引逆變器最大程度地保持原車柜體安裝位置、重載連接器型號及空間位置、對外接口信號定義方面不做任何改變，從而減少牽引逆變器的替換造成的外部結(jié)構(gòu)安裝和走線的影響；在此基礎(chǔ)上只針對牽引逆變器柜體內(nèi)部布局及器件選型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，縮短柜體設(shè)計(jì)周期，替換后的牽引逆變器在功能上能夠覆蓋原車牽引性能需求。

該牽引逆變器設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）為便于車輛運(yùn)營期間的故障分析和處理。新設(shè)計(jì)牽引逆變器增加故障記錄功能，可以記錄牽引逆變器故障發(fā)生時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）為提高信號抗干擾能力。新設(shè)計(jì)牽引逆變器功率IGBT驅(qū)動(dòng)控制全部升級為光纖傳輸模式，增加了控制電源的EMI濾波模塊，進(jìn)一步提高控制電源質(zhì)量，保證牽引控制的可靠性。

（3）新設(shè)計(jì)柜體對充、放電電阻等功率器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局（可散熱冷卻），提高器件壽命周期，減小故障率。主電路采用模塊化設(shè)計(jì)思路，各子模塊連接采用銅排或復(fù)合母排連接方式，優(yōu)化系統(tǒng)布局，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。使用全新一代廣泛成熟應(yīng)用的IGBT功率模塊，結(jié)溫提高到150℃，增加了IGBT使用的可靠性。

（4）改造方案牽引逆變器采用1C1M軸控控制方式，當(dāng)牽引逆變器中一組牽引逆變單元發(fā)生故障無法工作時(shí)，不影響另一組牽引逆變單元工作，每臺電機(jī)控制都互不影響，具有良好的獨(dú)立性，有效提升了牽引系統(tǒng)的可利用性。

另外，由于改造方案的牽引逆變器與原有車輛控制方式存在軸控與架控的差異，考慮到2種牽引逆變器在控制算法、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、對外接線方式的不同，改造方案的牽引逆變器在使用上應(yīng)保持全車整列替換，不與原有車輛設(shè)備交叉使用。

2.2 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該方案牽引逆變器采用2組容量120 kW功率模塊平面對稱布局方式，其結(jié)構(gòu)基本相似，確保了電氣性能的相似性，有效地降低了2組功率模塊因結(jié)構(gòu)性差異而出現(xiàn)故障的概率，從而提高了牽引逆變器的可靠性。

柜內(nèi)各子單元采用模塊化設(shè)計(jì)方式，功率模塊組件、控制電路組件、接觸器組件、電抗器組件、風(fēng)機(jī)組件均形成模塊，方便裝配、檢修、更換等處理，模塊化設(shè)計(jì)集成度高，維護(hù)、裝配空間充裕，如圖3所示。

圖3 牽引逆變器結(jié)構(gòu)圖

冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。采用以離心式風(fēng)機(jī)為主體而形成的Ⅱ型風(fēng)道結(jié)構(gòu)，牽引及斬波功率模塊安裝在風(fēng)道上壁兩側(cè)，由牽引逆變器一側(cè)的側(cè)板格柵網(wǎng)進(jìn)風(fēng)，牽引及斬波功率模塊產(chǎn)生的熱量被帶走，然后經(jīng)過離心式風(fēng)機(jī)，從牽引逆變器另一側(cè)板將風(fēng)排出，在整個(gè)過程中還冷卻了直流電抗器，將其產(chǎn)生的熱量也一道排出，風(fēng)道結(jié)構(gòu)緊湊、合理，柜體散熱效率和能力得到了提升。另外，進(jìn)風(fēng)口增加可更換式濾網(wǎng)設(shè)計(jì)，簡單有效地解決了由于楊絮堵塞而造成的牽引逆變器冷卻效率低的問題。

2.3 主電路器件參數(shù)設(shè)計(jì)

該方案牽引逆變器主電路采用雙路兩電平、電壓型三相全橋電路結(jié)構(gòu)，控制方式為軸控模式，牽引逆變器的主電路主要包含以下幾部分：主充電模塊、直流平波電抗器、功率模塊，如圖4所示。圖中各部分器件含義見表2。

圖4 改造后牽引逆變器主電路原理圖

表2 器件描述

其主要工作原理為：逆變器首先完成自檢功能測試，而后司機(jī)操縱方向手柄，給出“向前”指令信號，柜內(nèi)散熱風(fēng)機(jī)開始工作，同時(shí)逆變器根據(jù)其檢測到電網(wǎng)電壓值是否在正常范圍內(nèi)，來判斷主充電電路是否可以正常工作；若正常，則充電接觸器先閉合，主接觸器在充電完成后再閉合，同時(shí)充電接觸器斷開，達(dá)到為母線提供直流電壓的目的；接下來，逆變器根據(jù)司控器級位手柄的“牽引”、“制動(dòng)”及“檔位”指令信號來控制牽引電機(jī)在“牽引”或“制動(dòng)”工況下運(yùn)行；當(dāng)一路逆變斬波模塊發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)使其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)向架失去全部動(dòng)力而進(jìn)入到車輛限速模式中。

該方案主電路關(guān)鍵器件參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算如下。

2.3.1 母線支撐電容參數(shù)設(shè)計(jì)

母線支撐電容作為儲能元件，在牽引逆變器直流母線中扮演著至關(guān)重要的作用。根據(jù)其工作原理，我們通常綜合輸出負(fù)載的無功功率、流過電容的瞬態(tài)電流、直流主回路的濾波能力等因素對其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算［2］，具體計(jì)算公式為式（1）：

式中：Cd為母線支撐電容容值；Pd為輸出功率的額定值；ω為角頻率；Ud為直流母線電壓。

根據(jù)式（1）可以求得母線支撐電容計(jì)算值。按照公式計(jì)算出的電容值可以滿足濾波要求。但由于在車輛運(yùn)行時(shí)，需要經(jīng)過短暫的無電區(qū)，為保證牽引逆變器在過無電區(qū)后可以迅速恢復(fù)工作，需要支撐電容應(yīng)能儲存足夠能量；而且也為了盡可能使母線電壓平穩(wěn)，減小波動(dòng)，需選擇容值較大的電容器。另外，為了滿足母線支撐電容選型所限制的尺寸及相應(yīng)技術(shù)條件，電容器選擇5 000μF。

2.3.2 IGBT參數(shù)設(shè)計(jì)

IGBT作為牽引逆變器中功率模塊的重要組成元件，其參數(shù)直接影響牽引逆變器的性能好壞，通常在保證其能發(fā)揮正常的輸出特性及可靠性的前提下，按照其耐高壓及耐高溫能力進(jìn)行分析計(jì)算：

IGBT兩端UCE最大耐壓值為式（2）：

式中：k1為過電壓系數(shù)；k2為安全系數(shù)；Udm為直流電壓最高值；Up為關(guān)斷時(shí)刻的尖峰電壓［3］。

流過IGBT最大電流的峰值為式（3）：

式中：α0為電流尖峰系數(shù)；α1為溫度降額系數(shù)；α2為系統(tǒng)過載系數(shù)；I為額定負(fù)載輸出電流最大值，需根據(jù)電機(jī)負(fù)載參數(shù)進(jìn)行折算。

通過式（2）和式（3）的公式計(jì)算可以得出IGBT電壓及電流計(jì)算值分別為：1 560 V，450 A。結(jié)合根據(jù)IGBT的產(chǎn)品參數(shù)手冊，可以選定牽引逆變器所需要的IGBT，同時(shí)為保證柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致性，斬波IGBT選為同一參數(shù)。牽引逆變器選用1 700 V/800 A的IGBT器件。

2.3.3 線路平波電抗器參數(shù)設(shè)計(jì)

線路平波電抗器主要作用是抑制供電電網(wǎng)的干擾以及減少線路基波的諧波含量對于逆變器的影響；提高輸入電網(wǎng)的功率因數(shù)；限制逆變側(cè)短路電流，使?fàn)恳孀兤鞣€(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)其工作特點(diǎn)以及輕軌車輛項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，按照截止頻率為60 Hz可滿足要求。

式中：ω為截止角頻率；C為母線支撐電容容值；根據(jù)輕軌車輛項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，濾波電抗器實(shí)際為2 mH。

2.3.4 功率電阻參數(shù)設(shè)計(jì)

慢放電阻的工作原理是在牽引逆變器停機(jī)并斷開主接觸器以后，母線支撐電容所儲存的電能能夠通過慢放電阻得到釋放，一般要求降至人體安全電壓36 V以下。另外，輕軌車輛對慢放電阻的放電時(shí)間也有要求，一般會(huì)要求在5 min內(nèi)慢放電阻必須將母線支撐電容兩端電壓降低至36 V人體安全電壓以下。

根據(jù)實(shí)際的放電時(shí)間要求，得到放電電阻計(jì)算公式為式（5）：

式中：u0為放電初始直流電壓；ut為放電完成時(shí)直流電壓；τ為放電時(shí)間；C為母線支撐電容值。

為增加系統(tǒng)的可靠性，牽引逆變器采用2個(gè)電阻并聯(lián)方式，同時(shí)結(jié)合電阻廠商既有型號選出慢放電阻為12.5 kΩ。每個(gè)電阻的阻值為25 kΩ。

而放電電阻功率計(jì)算公式為式（6）：

式中，Udcmax為直流母線電壓最大值。

考慮4～5倍系數(shù)可得慢放電電阻額定功率為200 W。

2.4 牽引控制單元設(shè)計(jì)

牽引控制單元作為牽引逆變器的控制核心部分，采用模塊化功能設(shè)計(jì)，即每種電路板集中實(shí)現(xiàn)同一類功能，7U64Te標(biāo)準(zhǔn)插件箱，前面板布線，機(jī)箱內(nèi)部通過背板總線連接。主要由電源板、數(shù)字量輸入輸出板、中央控制板、信息管理板、模擬量信號板、網(wǎng)關(guān)板所構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框如圖5所示。

圖5 牽引控制單元結(jié)構(gòu)圖

其中，中央控制板實(shí)現(xiàn)牽引逆變器邏輯保護(hù)控制，控制算法實(shí)現(xiàn)，脈沖信號交互，車輛網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互功能；模擬量信號板實(shí)現(xiàn)電壓和電流模擬量信號采集、處理功能，速度信號采集、處理功能，溫度信號采集、處理功能；數(shù)字量輸入輸出板實(shí)現(xiàn)采集數(shù)字量輸入信號（DI信號），控制數(shù)字量輸出信號（DO信號）功能；信息管理板實(shí)現(xiàn)記錄和存儲運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息記錄功能；網(wǎng)關(guān)板實(shí)現(xiàn)與車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信功能；電源板為各電路板、功率模塊驅(qū)動(dòng)板以及各類傳感器供電。

牽引控制單元具有完備的保護(hù)功能。牽引逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，中央控制板會(huì)依據(jù)故障嚴(yán)重等級來進(jìn)行判斷并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作；一類故障為最高級別需進(jìn)行硬件復(fù)位；二類故障為次高級別需操控司控器復(fù)位指令；三類故障為最低級別可以自動(dòng)復(fù)位。另外，中央控制板在上報(bào)故障的同時(shí)會(huì)將故障信息傳遞給信息管理板，信息管理板將正常記錄區(qū)靠近故障點(diǎn)前后一段時(shí)間的記錄完全復(fù)制到故障記錄區(qū)，形成一條故障數(shù)據(jù)存儲于FLASH中，保存的所有數(shù)據(jù)都可以通過維護(hù)接口進(jìn)行下載。信息管理板可以提供大于4 GB的FLASH存儲空間，可保存3個(gè)月以內(nèi)所有故障數(shù)據(jù)。

2.5 牽引、制動(dòng)特性控制策略

改造方案牽引逆變器首先接收硬線以及網(wǎng)絡(luò)控制單元發(fā)出的方向、牽引/制動(dòng)、級位、限速值等指令信號，再經(jīng)過牽引控制單元自檢判斷，最終實(shí)現(xiàn)PWM逆變輸出，從而驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行工作，以滿足車輛運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)要求，牽引逆變器主要控制算法如下：

（1）基于間接磁場定向的轉(zhuǎn)差型矢量控制

基于間接磁場定向的轉(zhuǎn)差型矢量控制相對于直接磁場定向控制取消了磁鏈環(huán)，避免了磁鏈反饋不精確對電機(jī)控制造成的負(fù)面影響［4］。其輸入指令信號是轉(zhuǎn)矩給定值T*e和勵(lì)磁磁鏈ψ*r。矢量控制模型根據(jù)輸出三相反饋電流進(jìn)行磁場定向轉(zhuǎn)換，將三相電流Isa、Isb、Isc轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩電流分量Isq和勵(lì)磁電流分量Isd。而后根據(jù)輸入指令值計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)而通過轉(zhuǎn)子頻率和轉(zhuǎn)差頻率得到定子頻率，并計(jì)算出矢量控制角，接著利用前饋電壓計(jì)算模型計(jì)算得到電壓調(diào)節(jié)量和頻率調(diào)節(jié)量。最后，依據(jù)調(diào)制策略模型計(jì)算出PWM輸出的占空比，輸出6路PWM脈沖，實(shí)際框圖如圖6所示。

圖6 基于間接磁場定向轉(zhuǎn)差型矢量控制原理框圖

（2）車輛4級制動(dòng)響應(yīng)模式

長春三期輕軌車輛按照制動(dòng)功能和制動(dòng)力大小劃分為共有4級制動(dòng)響應(yīng)模式。

常用制動(dòng)：根據(jù)司機(jī)控制器的級位（B1～B7）指令信號，車輛會(huì)逐級施加由電制動(dòng)和拖車盤型制動(dòng)組成的聯(lián)合制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的第一級制動(dòng)相應(yīng)措施。

強(qiáng)迫制動(dòng)（EB1）：當(dāng)車輛在行駛中牽引逆變器收到車門已打開、司機(jī)控制器無人警惕按鈕生效、車輛已超速等指令時(shí)，牽引逆變器會(huì)使?fàn)恳姍C(jī)自動(dòng)施加最大電制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的第二級制動(dòng)響應(yīng)措施。

安全制動(dòng)（EB2）：當(dāng)車輛安全制動(dòng)按鈕被觸發(fā)時(shí)，牽引逆變器內(nèi)部使能信號失效，同時(shí)立即切斷主接觸器，車輛在撒沙的同時(shí)會(huì)自動(dòng)施加由動(dòng)車液壓制動(dòng)與磁軌制動(dòng)組成的聯(lián)合制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的第三級制動(dòng)響應(yīng)措施［5］。

緊急制動(dòng)（EB3）：當(dāng)司機(jī)控制器處于EB位時(shí)，車輛在撒沙的同時(shí)會(huì)自動(dòng)施加由最大電制動(dòng)、機(jī)械摩擦制動(dòng)和磁軌制動(dòng)組成的聯(lián)合制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的最后一級制動(dòng)響應(yīng)措施。

3 改造方案效果驗(yàn)證

改造后的牽引逆變器在設(shè)計(jì)研制完成后，需進(jìn)行一系列的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)型式試驗(yàn)，以驗(yàn)證改造后的輕軌車輛牽引性能是否滿足原有車輛的設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而保證改造后輕軌車輛在運(yùn)用過程中安全可靠。

根據(jù)原有車輛關(guān)于加減速度的相關(guān)要求在不同載重負(fù)荷模式下，分別進(jìn)行了車輛牽引、制動(dòng)性能考核試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均符合原有車輛的設(shè)計(jì)要求。其中AW3載荷模式（即超員模式，車內(nèi)乘客站位按8人/m2，共計(jì)622人，乘客質(zhì)量按60 kg/人）試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖10所示。

最大常用制動(dòng)工況下，初速度為70.074 km/h，末速度為5.008 km/h，初速度時(shí)刻（452.0 m處）和末速度時(shí)刻（631.2 m處）的距離為179.2 m，得出減速度為1.101 m/s2，速度變化曲線如圖7所示。

圖7 最大常用制動(dòng)工況下速度變化曲線

緊急制動(dòng)工況下，初速度為70.001 km/h，末速度為0，初速度時(shí)刻（468.2 m處）和末速度時(shí)刻（568.6 m處）的距離為100.4 m，得出減速度為1.883 m/s2，速度變化曲線如圖8所示。

圖8 緊急制動(dòng)工況下速度變化曲線

加速度試驗(yàn)0～70 km/h工況下，初速度為0，末速度為70.124 km/h，初速度時(shí)刻（0.0 m處）和末速度時(shí)刻（347.7 m處）的距離為347.7 m，得出加速度為0.656 m/s2，速度變化曲線如圖9所示。

圖9 滿級牽引工況下0~70 km/h速度變化曲線

加速度試驗(yàn)0～32 km/h工況下，初速度為0，末速度為32.034 km/h，初速度時(shí)刻（0.0 m處）和末速度時(shí)刻（42.1 m處）的距離為42.1 m，得出加速度0.994 m/s2，速度變化曲線如圖10所示。

圖10 滿級牽引工況下0~32 km/h速度變化曲線

改造車輛于長春軌道交通3號線伊通河站至職業(yè)學(xué)院站間進(jìn)行了AW3載荷試驗(yàn)，AW3載荷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值為：

（1）在AW3載荷情況下，在平直線路上，車輪參照半磨耗狀態(tài)：

從0加速到32 km/h時(shí)，車輛運(yùn)行的加速度≥0.96 m/s2；

從0加速到70 km/h時(shí)，車輛運(yùn)行的加速度≥0.5 m/s2。

（2）在AW3載荷情況下，在平直線路上，車輪參照半磨耗狀態(tài)，車輛在最高運(yùn)行速度70 km/h時(shí)，從制動(dòng)指令發(fā)出到輕軌車輛停止需滿足下列指標(biāo)：

緊急制動(dòng)從70 km/h減速到0，減速度需≥1.8 m/s2；

最大常用制動(dòng)從70 km/h減速到5 km/h，減速度需≥1.1 m/s2。

4 結(jié)束語

改造方案研制的牽引逆變器在我公司研制完成后，先于長春中車軌道車輛有限公司進(jìn)行整車組裝，而后在長春輕軌公司湖光分部完成了庫內(nèi)靜態(tài)調(diào)試、夜間線路動(dòng)態(tài)調(diào)試以及各項(xiàng)型式試驗(yàn)，取得了良好的效果。目前，改造后的輕軌列車已投入到長春軌道交通3號線車輛載客運(yùn)營當(dāng)中，該車的成功運(yùn)營為公司的牽引逆變器檢修技術(shù)的創(chuàng)新增效發(fā)展提供了新方案。