牵引逆变器在乌鲁木齐地铁一号线中的应用

马燕 刘洋

摘要：本文主要针对新疆乌鲁木齐地铁一号线，介绍了牵引逆变器的基本结构、工作原理和关键技术，进而提高车辆运行地可靠性，也更好地保障地铁顺利运行。

关键词：地铁;牵引逆变器;保障

0  引言

乌鲁木齐城市轨道交通1号线工程，是乌鲁木齐地铁建设的第一条地铁线路，2019年6月28日全线开通运营，标志颜色为科技蓝。地铁1号线南起三屯碑站，北至国际机场站，线路全程27.615km，全为地下段，共设有21座车站，采用六辆编组，四动两拖受电弓受流的A型电动客车，列车最高设计速度达到80km/h。地铁1号线列车的外观如图1所示。

一般在铁路轨道运输设备中，牵引逆变器就像是列车的心脏，为列车提供能量来源;机械传动系统就像是列车的肌肉，负担列车的运行和动力输出;信号控制系统就像是列车的大脑，发布各种运行和监控指令。乌鲁木齐城市轨道交通1号线车辆选用的是新誉庞巴迪生产的牵引逆变器，每节动车装有1台变压变频调速（VVVF）牵引逆变器，每个牵引逆变器向每节动车的4台并联的牵引电机提供电能，并可根据网压现实再生制动。

1  牵引逆变器的主要介绍

1.1 牵引逆变器主电路

牵引逆变器的核心控制部件是驱动控制单元（DCU），核心逆变部件是绝缘栅双极晶体管（IGBT），IGBT是由门极驱动单元（GDU）控制。驱动控制单元与门极驱动单元间的通信采用的是光纤传输，光纤传输既可以提高信号的抗干扰能力和传播速度，也具有隔离作用。图2为牵引逆变器的实物图。

牵引逆变器的主要功能是为牵引电机提供三相交流电，把接触网直流电压经过逆变器转化成对称的振幅和频率可调的三相交流电，从而实现DC/AC转化，由驱动控制单元控制。电制动期间，能量反向，把三相交流电转换为直流电。图3为牵引逆变器主电路。

图3中的充电单元是给牵引逆变器充电，放电电阻与直流环节电容并联，对直流环节电容进行放电，滤波电容是一个能量缓冲器，它具有足够容量，从而保持直流环节中的电压纹波在允许范围内并且能够实现精确的变流器控制，牵引逆变器出来的三相电驱动四个电机运转。

要使牵引逆变器运行起来，首要的是必须要有个充电单元给它充电。充电单元由一个充电接触器、分离接触器和一个充电电阻组成。驱动控制单元通过分离接触器和充电接触器启动牵引逆变器。当开始充电时，充电接触器闭合，分离接触器保持打开。此时滤波电容缓慢充电，充电电阻限制冲击电流。当电压达到接触网网压时，分离接触器闭合，充电接触器打开，牵引逆变器可以开始工作。

1.2 IGBT技术

1.2.1 IGBT原理

牵引逆变器的核心技术就是IGBT技术，IGBT模块有三个相似的相，每相并联至直流环节，每相IGBT通过开通和关断把稳定的直流电转换为三相可变压变频的交流电，逆变器出来的三相电由三个桥臂组成。每一个相桥臂有两个IGBT模块。模块内有一个带有反并联续流二极管的IGBT，续流二极管在关断的时候提供电流的可选路径，避免由于过压引起的IGBT故障。IGBT由门极驱动单元控制开启和关闭，并向栅极引出线发出电压信号。图4为牵引逆变器的三个桥臂。

图4中，牵引逆变器可以看成一个三相电压型桥式逆变电路。当上桥臂IGBT开通时，下桥臂关断，当上桥臂输出低时，关断命令发送至上IGBT，开通命令发送到下IGBT。相电流流经下IGBT得续流二极管。每一桥臂导电180°，同一相上下两桥臂交替导电，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两桥臂之间进行，故也称为纵向换流。工作波形图见图5所示。

对于U相：当上桥臂导通时，uU=UDC/2，当下桥臂导通时，uU=-UDC/2;

对于V相：当上桥臂导通时，uV=UDC/2，当下桥臂导通时，uV=-UDC/2;

对于W相：当上桥臂导通时，uW=UDC/2，当下桥臂导通时，uW=-UDC/2;

线电压：uuv=uU-uV，uVW=uV-Uw，uWU=uW-uU。

1.2.2 IGBT实际选型

作为牵引逆变器的核心部件，IGBT的选型很是重要。IGBT是选型主要依据是启动电流和最大接触网电压。乌鲁木齐城市轨道交通1号线工程所使用的列车的启动电流为670A，可以计算启动电流的峰值670A，即947A，接触网最大电压为2000V。因此，以启动电流为依据，选取IGBT的参数为VCEM=3300V，INOM=1500A。图6所示为IGBT实物模块。

1.3 脉冲宽度调制（PWM）

在牵引逆变器中，经常使用的PWM方法被为空间矢量调制（SVM）。SVM利用逆变器中的IGBT开通和关闭，将直流电转换成可调压调频的交流电，从而实现了有效的电机控制，并且相关的高开关频率将电机纹波的损耗维持在很低的水平。IGBT的开关频率反映PWM产生理想的电机电流的能力。频率越高，电机电流中的纹波就越低，电机损耗就越少。

1.4 牵引逆变器保护机制

牵引逆变器中有两个过压斩波器，主要作用是防止牵引逆变器过压。当直流电压超过1950V时，过压斩波器被激活，当过压保护激活时，电压通过过压斩波器进行放电，当电压低于1850V时，过压保护停止。

牵引逆变器中配有过电流保护。相间短路过程中，可能发生相过电流。保护基于U相和V相中的电流测量，保护功能在计算机硬件中进行，以快速做出过过流响应。

空转和滑行保护，空转和滑行控制能够最大地利用粘着力。控制使用所有动力轴的速度以检测滑动。发生滑动时，转矩参考可以立刻降低。这种控制在牵引和制动模式下均启用。

无电区保护，利用列车的动能，在过无电区的时候可以通过直流环节电容以维持电压。当检测到无电区时，转矩参考立即被轻微制动代替。制动模式，3相变流器能量反向，反馈到直流环节电容。当检测到电压后，施加原先的转矩。通过这种方式，变流器不需要过断电区重新激活。

1.5 牵引逆变器传感器

牵引逆变器内置有三种类型的传感器。

电流传感器：有两个电流传感器，分别用于测量U相和V相的电流。W相电流通过计算得出。3相电流和为0;电压传感器：测量直流电容器的电压;温度传感器：有两个温度传感器，一个在散热装置中（散热装置温度），另一个在门极驱动单元安裝板上（内部温度）。温度传感器测量的温度值发送驱动控制单元。当温度值超过预设的温度值时，会降低牵引逆变器的功率值，直到牵引逆变器停止工作。

1.6 冷却方式

牵引逆变器的冷却方式为风冷。通过内部风扇和外部风扇来冷却。当蓄电池给牵引逆变器供电时，内部风机就开始工作，内部风机流通变流器模块内部空气，平均分布热，因此，内部冷却系统为闭环系统。当牵引逆变器激活开始运行时，外部风机开始工作。这样通过内部风机和外部风机的共同散热，能够有效的将牵引逆变器产生的热量带着，保证温度不超过限定值。

2  总结

牵引逆变器是地铁车辆结构中很重要的组成部分，为车辆提供能量来源，与地铁车辆的稳定运行存在很大关系。但同时，牵引逆变器具有结构复杂，涉及广泛的特点，因此这就要求相关人员具备丰富的知识，熟练的操作。新誉庞巴迪产的牵引逆变器在乌鲁木齐城市轨道交通1号线工程投入使用以来，运行稳定有序，增强了车辆的安全性和可靠性，为人们的出行提供了重要保障。

参考文献：

[1]孙博宇.地铁牵引逆变器的故障诊断研究[D].东南大学，2017.

[2]徐彦.城市轨道交通牵引逆变器控制方法的应用分析[D].西南交通大学，2010.

[3]理文翔，葛莲.基于SVPWM的三电平牵引逆变器方针研究[J].自动化与仪器仪表，2014（04）.