地铁用永磁逆变器的研制①

黄树刚 解鹏 顾秀江

摘   要：地铁永磁牵引系统是未来城市轨道交通发展的方向，目前正处于产品验证和批量推广阶段，与传统异步牵引系统相比，永磁系统具有效率高，维护简单的特点。永磁逆变器是永磁牵引系统的核心部件，结合永磁牵引系统的技术动态，目前对永磁逆变器的设计开发正当其时。本文以现有设计产品为依托，着重对永磁逆变器的主电路、电气参数、控制策略进行了介绍。

关键词：地铁永磁  逆变器  方案设计

中图分类号：U264.3                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0078-02

目前，地鐵车辆用牵引系统以异步牵引系统为主，永磁同步牵引系统具有效率高、功率密度高、维护量低等显著的技术优势，被业界视为下一代轨道交通牵引系统的发展方向[1]。自2015年装配永磁牵引系统的地铁在长沙载客运用考核以来，国内多家地铁公司相继上线永磁牵引系统地铁，通过运行情况来看，永磁牵引系统与传统异步牵引系统相比，可降低电能消耗10%能够大幅度降低运营单位的成本开支，具有较好的节能环保效益，目前正处于大批量推广应用阶段。

逆变器作为牵引系统的核心部件，通过对输入直流电频率、电压的调节控制永磁电机的牵引制动，逆变器的性能决定整个系统的性能优劣。在永磁系统趋于成熟，批量推广阶段设计开发一款永磁逆变器具有较好的经济利益和社会价值。

1  地铁逆变器的方案设计

牵引逆变器将输入的1500V直流电转化为频率和电压可调节的交流电，供给牵引电机，以实现车辆的牵引、制动特性。每个牵引逆变器包含四个牵引逆变单元，每个逆变单元只为一个牵引电机供电，每个牵引电机的力矩均独立控制，可充分利用粘着条件，发挥牵引电机的最大牵引力，动力冗余性好。

逆变器主要参数：

最大控制容量 1291kVA

额定输入电压 DC1500V

电压变化范围 DC1000V～1800V

瞬时最高电压（再生时）DC1980V

输出电压 三相AC 0～1130V

输出频率范围0-280Hz

控制电压   DC110V（77～121V）

安装方式  车底安装

2  地铁逆变器的主电路设计

牵引逆变器中包含充电回路（预充电接触器、预充电电阻）、支撑回路（支撑电容）、逆变输出回路（逆变斩波功率模块）等构成。主要组成部件包括：逆变斩波功率模块、中间直流回路、接地检测装置、输入输出接触器、控制装置等。

牵引逆变器输入端与高速断路器经电缆相连接，通过预充电回路，将网侧直流电经过滤波电路输入到中间支撑回路。中间支撑回路通过复合母排和支撑电容，将滤波电抗器和逆变功率模块连接起来。

输出回路由逆变斩波功率模块经过输出接触器与牵引电机相连，当牵引电机侧出现故障情况，通过输出接触器断开将牵引电机隔离。逆变斩波功率模块与控制单元之间采用光纤传输方式，牵引逆变器与机车微机网络控制系统ATI的通讯采用RS485，牵引逆变器的主电路原理图如1所示。

3  逆变器控制策略

永磁逆变器控制算法采用转矩外环的控制结构，控制框图如图2所示，旋转变压器获得的转子位置信息θ以及θ微分得到的电机转速ωr作为控制的反馈量;参考转矩通过MTPA模块分解成参考转矩电流和参考励磁电流;传感器测得的电流iu、电流iv经过3s/2s变换得到电流、电流，电流、电流经过2s/2r变换成励磁电流和转矩电流isq;参考转矩电流i*sq、反馈的转矩电流isq、参考励磁电流 和反馈的励磁电流通过双PI解耦控制得到参考转矩电压Usq和参考励磁电压Usd;Usq和Usd经过PWM（Pulse  Width  Modulation）发生部分产生6路PWM信号控制三相逆变器，从而驱动电机运行。

电机在额定转速内采用MTPA控制策略，保证在给定电流情况下电机能输出最大转矩，同时为了保证电机在电压波动情况下也能可靠工作，增加随着母线电压波动而调节励磁电流。电流环采用双闭环电流控制策略，通过对电流的解耦，分别控制转矩电流iq和励磁电流id。

4  结语

通过公司半实物平台对上述主电路结构、控制算法进行仿真分析后，各仿真波形满足设计要求。需要后续开发成实际产品，进行地面试验验证和载客运营以验证和完善产品的可靠性。

参考文献

[1] 冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统的发展概况及应用挑战[J].大功率变流技术，2012（3）：1-7.

[2] 刘雄，陈文光，许峻峰，等.地铁永磁直驱牵引系统优化策略与仿真分析[J].机车电传动，2016（3）：24-27.

[3] 黄济荣.电力牵引交流传动与控制技术[M].北京：机械工业出版社，1998.