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案例頻道

中壓逆變器在軌道交通車輛上的應(yīng)用
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     行業(yè):廣播電視     領(lǐng)域:機器人    
  • 點擊數(shù):916     發(fā)布時間:2009-06-01 14:22:00
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  1、引言

  近年來,隨著我國城市人口的膨脹、國民的和環(huán)保節(jié)能理念的推進,軌道升溫已成為不爭的事實。軌道車輛按照其供給電壓有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在電力技術(shù)和微電子技術(shù)的強力支持下,交流傳動系統(tǒng)以其固有的優(yōu)越性,在軌道牽引領(lǐng)域、尤其是在地鐵等原來由直流電網(wǎng)供電的電動車組中的得到迅猛發(fā)展。本文以阿爾斯通公司的車輛為例,介紹用于地鐵、輕軌等的DC1500V供電的中壓牽引變頻器。

  2、系統(tǒng)構(gòu)成

  阿爾斯通ONIXTM驅(qū)動系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動產(chǎn)品,主要包括ONIXTM IGBT變頻器、AGATE控制電子裝置和ONIXTM牽引電動機。如運行于上海明珠線的是阿爾斯通MetropolisTM列車。列車采用4動2拖編組方式,每輛動車裝備一套牽引變頻器。包括ONIXTM1500逆變器模塊、ONIXTM交流電機和AGATE控制電子裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

  高壓供電開關(guān)(HVSS):

  三檔位置:位置P—牽引變頻器由接觸網(wǎng)供電;

  位置E—牽引變頻器完全接地;

  位置W—輔助變流器由車間電源供電。

  高速斷路器(HSCB):故障情況下,將牽引變頻器與供電電源快速隔離。斷開速度約15ms。斷開可以由控制回路控制或當(dāng)電流超過設(shè)定值時自動跳閘。當(dāng)AGATE Control檢測到HSCB斷開時,它將斷開LC和CCC,并且觸發(fā)撬棒回路使濾波器放電。

  ●進線電抗器(LFL):與充電電容器組成一個低通濾波器,減少電流諧波,減小供電電壓波動對變頻器的。

  ●電容充電接觸器(CCC):對濾波電容軟充電,防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時,LC閉合,CCC斷開。

  ●電容充電電阻(CCZ):對濾波電容軟充電,防止大電流沖擊;當(dāng)HVSS置于接地位置時,用于對電容器放電。

  ●進線接觸器(LC):對濾波電容軟充電,防止大電流沖擊;當(dāng)濾波電壓達(dá)到950V時,LC閉合;當(dāng)牽引變頻器故障時斷開。

  ●硬撬棒回路晶閘管(TH1):對電容器快速放電;瞬間過壓時對IGBT和濾波電容提供保護;當(dāng)濾波電壓超過2500V時,導(dǎo)通保護。

  ●高頻濾波電容(HFK):減少高頻電磁干擾;為高頻交流電流提供一個低阻抗回路。


圖1 ONIXTM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  2.1 ONIXTM牽引變頻器的優(yōu)點

  較高的開關(guān)頻率。使交流波形平滑,降低諧波電流,減少體積及重量;更好的電機波形;降低電機損耗;更易于與信號系統(tǒng)兼容。

  ●簡化了功率電路。減少了器件數(shù)量,降低了成本;增加了可靠性;易于維護。

  ●簡化了驅(qū)動電路,易于控制。

  ●無需吸收回路。

  ●易于安裝在散熱器上。IGBT器件包含內(nèi)部絕緣介質(zhì);散熱器直接接地,對冷卻空氣無過濾要求;每一個IGBT器件直接安裝于散熱器上;器件易于替換,無需特殊工具和。

  ●節(jié)約能量。ONIX牽引所產(chǎn)生的近乎完美的正弦波電流輸出減少了電機熱量,通過改進的疊片封裝提供了優(yōu)良的磁性能,降低了渦流損耗。

  2.2 驅(qū)動控制裝置—AGATE Control

  AGATE Control是一種先進的電子控制裝置,專門用于控制四象限變流器及電壓源變頻器。大規(guī)模集成電路和雙32位微處理器的使用使ALSTOM牽引變頻器在可靠性及性能方面獲得改進。處理器提供信號處理、快速和功率監(jiān)視功能。其中,Intel i960CA微處理器用于總體監(jiān)控,Texas IMS320C31信號處理器用于快速計算和精確的功率控制。如圖2所示。


圖2 AGATE結(jié)構(gòu)框圖

  主要控制功能:異步電機的實施牽引及制動控制,采用了專利的矢量控制算法;先進的防空轉(zhuǎn)、防滑行控制;用于電力電子控制的信號監(jiān)測。

  通訊功能:通過與Windows相兼容軟件實現(xiàn)友好的用戶界面;通過用于增強監(jiān)視能力的各種與所有的AGATE產(chǎn)品通訊;在同功率車輛之間或不同功率車輛之間進行通訊。

  維護功能:用于診斷和參數(shù)設(shè)置的人機界面;高等級的自測能力;使用微機與之通訊,下載事件及錯誤記錄及以前的維護數(shù)據(jù)。

  2.3 牽引系統(tǒng)控制策略

  由電壓源變頻器供電電機運行在脈寬調(diào)制模式(PWM),PWM使它可能施加一個平衡的三相電壓給電機,其幅值和頻率可調(diào)。如圖3所示。


圖3 逆變控制框圖

  使用專利技術(shù)的矢量控制策略,輸出力矩常接近力矩指令,且改進了低速運行性能。速度在10公里/小時以上力矩精度為±5%。在10公里/小時以下力矩精度為±10%。這些精度是假設(shè)所有相互之間輪徑差在1%(即8mm)以內(nèi)。

  帶有電機電流最佳控制的矢量控制給出了快速磁通和力矩響應(yīng)(對非激勵電機<1秒),矢量控制使力能能夠跟隨逆變器短時關(guān)斷時重新建立。無需等待電機磁通消失,這是因為逆變器是按電機反電勢調(diào)節(jié)輸出電壓的。力矩控制用寬通帶(0至36Hz)調(diào)節(jié)器完成磁通建立,而不管電機的旋轉(zhuǎn)速度。力矩由電流環(huán)控制,減少當(dāng)電源系統(tǒng)不規(guī)則時用常規(guī)控制技術(shù)可能發(fā)生的過流可能性。矢量控制原理如圖4所示。

  2.4 控制參數(shù)的測量

  電機并聯(lián)連接的策略基于:

  在逆變器輸出端公用的電流和電壓測量取代電機各自的測量;對每個電機單獨進行速度測量;在說明的容差范圍內(nèi),總的力矩調(diào)節(jié)與輪徑差無關(guān);設(shè)計電機參數(shù)時,允許1%輪徑差,通過對所引起的電機電流差等補償來實現(xiàn)的。

  矢量控制在測量方面對電機而言本質(zhì)上是外部的,它不要求測量電機內(nèi)部,如電機定子和轉(zhuǎn)子的溫度測量、電機內(nèi)部的磁通測量。

  關(guān)于加速度變化率/負(fù)載補償:主令控制器產(chǎn)生的牽引力(或制動力)指令連接到AGATE單元并由其。為了控制車輛加速度,按照車輛重量作出校正。車輛載重量是由控制單元使用來自轉(zhuǎn)向架上的傳感器上的信號進行計算的。在電動或制動時,產(chǎn)生一個加/減速度變化率限止指令,內(nèi)部保證車輛的平滑行駛。

  2.5 ONIX交流牽引電機

  ALSTOM研制的獨特的輕質(zhì)、緊湊的、型號為4LCA2138的交流牽引電機為全封閉結(jié)構(gòu),其特點是:

  ●高可靠性。200級絕緣系統(tǒng)及真空加壓浸漬技術(shù)為定子繞組提供了高等級溫升裕量,這意味著功率的提高及體積和重量的降低。

  ● 低維護性。轉(zhuǎn)子和定子繞組與外部完全隔離,無需定期拆卸清潔。

  ●低噪音。特別設(shè)計的冷卻風(fēng)扇使噪音降低至IEC 60349-2標(biāo)準(zhǔn)。

  3、主要性能

  3.1 變頻器的額定參數(shù)

  額定工作電壓: 1500V

  最大工作電壓: 1800V

  最小工作電壓: 1000V

  持續(xù)有效輸出功率: 800kW

  峰值輸出視在功率: 1850kVA

  持續(xù)線電流有效值: 520A

  IGBT開關(guān)頻率: 600Hz(最大值)

  逆變器輸出頻率: 106Hz(額定值)

  逆變器IGBT器件額定值: 3300V,1200A


圖4 矢量控制原理圖

  3.2 列車性能

  上海明珠線地鐵車輛采用四動兩拖六節(jié)編組,每個動車裝配一個ONIX1500牽引變頻器,驅(qū)動四個并聯(lián)的ONIX交流牽引電機,變頻器強迫風(fēng)冷,采用再生和電阻混合制動方式,當(dāng)架空電網(wǎng)不能接受再生能量時,進行全功率電阻制動。列車主要數(shù)據(jù)如下:

  最大運營速度: 80km/h

  最大設(shè)計速度: 90km/h

  最大瞬間加速度: 0.9m/s2

  最大運營減速度: 1.0 m/s2

  沖擊限制: 0.7-1.0 m/s3

  額定工作電壓: 1500V

  最大牽引力: 21.3kN/電機

  牽引轉(zhuǎn)矩: 1273Nm/電機

  最大制動力: 23.5kN/電機

  制動轉(zhuǎn)矩: 1322kN/電機

  3.3 性能曲線

  圖5和圖6分別為驅(qū)動和制動特性曲線。


圖5 驅(qū)動特性曲線


圖6 制動特性曲線

  采用矢量控制的IGBT的變頻器和交流異步牽引電動機,配以完善的監(jiān)控和自診斷系統(tǒng),是我國地鐵、輕軌等車輛開發(fā)、制造和使用交流傳動系統(tǒng)的正確方向。發(fā)達(dá)國家在電動機車組中交流傳動技術(shù)已進入實用化階段。這是軌道牽引技術(shù)的革命,它結(jié)束了直流傳動的統(tǒng)治,具有劃的意義。

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