长春轻轨改造车辆牵引逆变器设计方案研究

曲 强，张广远，李 岩，姜 涛，吴志友

（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连 116052）

长春轻轨三期车辆70%低地板轻轨车辆，采用6模块的长编组（4动2拖）模式，最大载客量为624人［1］。其主要承载着长春轨道交通3、4号线路的主要运力，牵引逆变器作为轻轨车辆的核心部件，其性能好坏直接影响到车辆运营的稳定性、安全性以及运营质量。按照三期车辆的使用情况以及维保要求，车辆各级子设备都已进入了厂修周期，现有车辆的牵引逆变器为国外进口设备，由于其设备器件更换成本高、周期长、检修功能测试复杂、故障诊断难度大等原因，已不能全面满足厂修车辆设备大修及其备件的更换需求。因此，研制1台可以替换进口设备的自主化牵引逆变器具有十分重要的意义。

针对这一问题文中主要结合业主提出对长春三期轻轨车辆牵引逆变器技术改造需求，对于自主化轻轨牵引逆变器的研制及装车试验情况进行介绍。

1 原有车辆牵引逆变器主要技术特点

长春三期轻轨车辆采用4M 2T编组方式，具体配置方式为MC+TP+M=M+TP+MC。

其中MC表示为带有司机室的动车，TP表示为带有受电弓的拖车，M表示为动车。每个动车对应1台牵引逆变器，整车共有4台牵引逆变器，车辆配置如图1所示。

图1 车辆配置图

原有车辆牵引逆变器采用1拖2动（1C2M）架控控制方式即1组牵引功率模块对应2台牵引电机，斩波模块采用双路专用斩波IGBT并联输出控制模式；同时牵引逆变器后端接有牵引滤波器用于减少逆变器输出谐波对牵引电机的影响。其半列车主电路原理如图2所示。

图2 牵引逆变器主电路原理图

原车牵引逆变器参数见表1。

表1 牵引逆变器参数

按照现有车辆的使用情况，原有车辆牵引逆变器存在以下几点问题：

（1）由于原有车辆未装有故障存储单元，车辆发生故障时，只能依赖操作人员的口述及人机接口显示信息进行故障情况的模糊分析，很难第一时间锁定故障发生位置。

（2）原有牵引逆变器采用纯电信号进行信号传输以及IGBT驱动控制，随着时间的推移，线缆及电路板老化现象的出现，车辆会偶尔触发误保护动作，进而影响车辆的正常使用。

（3）原有牵引逆变器所采用IGBT为早期产品，其器件结温参数为125℃，目前已处于停产状态，新升级后的型号无法直接替换使用。

（4）春季长春市区杨絮四处飞扬，原有牵引逆变器的滤尘装置容易被其堵塞并且不可更换，这使得柜体的冷却效率大大降低甚至会触发逆变器过温故障停车，影响车辆正常运营。

2 改造后牵引逆变器设计方案

2.1 改造方案主要技术特点

改造方案采用对原有车辆4台牵引逆变器一对一的整列替换方式，即新设计4台牵引逆变器替换原有车辆安装的牵引逆变器。该方案的牵引逆变器最大程度地保持原车柜体安装位置、重载连接器型号及空间位置、对外接口信号定义方面不做任何改变，从而减少牵引逆变器的替换造成的外部结构安装和走线的影响；在此基础上只针对牵引逆变器柜体内部布局及器件选型进行重新设计，缩短柜体设计周期，替换后的牵引逆变器在功能上能够覆盖原车牵引性能需求。

该牵引逆变器设计主要特点包括以下几个方面：

（1）为便于车辆运营期间的故障分析和处理。新设计牵引逆变器增加故障记录功能，可以记录牵引逆变器故障发生时刻的运行数据。

（2）为提高信号抗干扰能力。新设计牵引逆变器功率IGBT驱动控制全部升级为光纤传输模式，增加了控制电源的EMI滤波模块，进一步提高控制电源质量，保证牵引控制的可靠性。

（3）新设计柜体对充、放电电阻等功率器件进行结构优化布局（可散热冷却），提高器件寿命周期，减小故障率。主电路采用模块化设计思路，各子模块连接采用铜排或复合母排连接方式，优化系统布局，提高系统稳定性。使用全新一代广泛成熟应用的IGBT功率模块，结温提高到150℃，增加了IGBT使用的可靠性。

（4）改造方案牵引逆变器采用1C1M轴控控制方式，当牵引逆变器中一组牵引逆变单元发生故障无法工作时，不影响另一组牵引逆变单元工作，每台电机控制都互不影响，具有良好的独立性，有效提升了牵引系统的可利用性。

另外，由于改造方案的牵引逆变器与原有车辆控制方式存在轴控与架控的差异，考虑到2种牵引逆变器在控制算法、网络数据传输、对外接线方式的不同，改造方案的牵引逆变器在使用上应保持全车整列替换，不与原有车辆设备交叉使用。

2.2 柜体结构设计

该方案牵引逆变器采用2组容量120 kW功率模块平面对称布局方式，其结构基本相似，确保了电气性能的相似性，有效地降低了2组功率模块因结构性差异而出现故障的概率，从而提高了牵引逆变器的可靠性。

柜内各子单元采用模块化设计方式，功率模块组件、控制电路组件、接触器组件、电抗器组件、风机组件均形成模块，方便装配、检修、更换等处理，模块化设计集成度高，维护、装配空间充裕，如图3所示。

图3 牵引逆变器结构图

冷却系统采用强迫风冷方式。采用以离心式风机为主体而形成的Ⅱ型风道结构，牵引及斩波功率模块安装在风道上壁两侧，由牵引逆变器一侧的侧板格栅网进风，牵引及斩波功率模块产生的热量被带走，然后经过离心式风机，从牵引逆变器另一侧板将风排出，在整个过程中还冷却了直流电抗器，将其产生的热量也一道排出，风道结构紧凑、合理，柜体散热效率和能力得到了提升。另外，进风口增加可更换式滤网设计，简单有效地解决了由于杨絮堵塞而造成的牵引逆变器冷却效率低的问题。

2.3 主电路器件参数设计

该方案牵引逆变器主电路采用双路两电平、电压型三相全桥电路结构，控制方式为轴控模式，牵引逆变器的主电路主要包含以下几部分：主充电模块、直流平波电抗器、功率模块，如图4所示。图中各部分器件含义见表2。

图4 改造后牵引逆变器主电路原理图

表2 器件描述

其主要工作原理为：逆变器首先完成自检功能测试，而后司机操纵方向手柄，给出“向前”指令信号，柜内散热风机开始工作，同时逆变器根据其检测到电网电压值是否在正常范围内，来判断主充电电路是否可以正常工作；若正常，则充电接触器先闭合，主接触器在充电完成后再闭合，同时充电接触器断开，达到为母线提供直流电压的目的；接下来，逆变器根据司控器级位手柄的“牵引”、“制动”及“档位”指令信号来控制牵引电机在“牵引”或“制动”工况下运行；当一路逆变斩波模块发生故障时，不会使其所对应的转向架失去全部动力而进入到车辆限速模式中。

该方案主电路关键器件参数设计计算如下。

2.3.1 母线支撑电容参数设计

母线支撑电容作为储能元件，在牵引逆变器直流母线中扮演着至关重要的作用。根据其工作原理，我们通常综合输出负载的无功功率、流过电容的瞬态电流、直流主回路的滤波能力等因素对其参数进行计算［2］，具体计算公式为式（1）：

式中：Cd为母线支撑电容容值；Pd为输出功率的额定值；ω为角频率；Ud为直流母线电压。

根据式（1）可以求得母线支撑电容计算值。按照公式计算出的电容值可以满足滤波要求。但由于在车辆运行时，需要经过短暂的无电区，为保证牵引逆变器在过无电区后可以迅速恢复工作，需要支撑电容应能储存足够能量；而且也为了尽可能使母线电压平稳，减小波动，需选择容值较大的电容器。另外，为了满足母线支撑电容选型所限制的尺寸及相应技术条件，电容器选择5 000μF。

2.3.2 IGBT参数设计

IGBT作为牵引逆变器中功率模块的重要组成元件，其参数直接影响牵引逆变器的性能好坏，通常在保证其能发挥正常的输出特性及可靠性的前提下，按照其耐高压及耐高温能力进行分析计算：

IGBT两端UCE最大耐压值为式（2）：

式中：k1为过电压系数；k2为安全系数；Udm为直流电压最高值；Up为关断时刻的尖峰电压［3］。

流过IGBT最大电流的峰值为式（3）：

式中：α0为电流尖峰系数；α1为温度降额系数；α2为系统过载系数；I为额定负载输出电流最大值，需根据电机负载参数进行折算。

通过式（2）和式（3）的公式计算可以得出IGBT电压及电流计算值分别为：1 560 V，450 A。结合根据IGBT的产品参数手册，可以选定牵引逆变器所需要的IGBT，同时为保证柜体结构设计一致性，斩波IGBT选为同一参数。牵引逆变器选用1 700 V/800 A的IGBT器件。

2.3.3 线路平波电抗器参数设计

线路平波电抗器主要作用是抑制供电电网的干扰以及减少线路基波的谐波含量对于逆变器的影响；提高输入电网的功率因数；限制逆变侧短路电流，使牵引逆变器稳定运行。

根据其工作特点以及轻轨车辆项目应用经验，按照截止频率为60 Hz可满足要求。

式中：ω为截止角频率；C为母线支撑电容容值；根据轻轨车辆项目经验，滤波电抗器实际为2 mH。

2.3.4 功率电阻参数设计

慢放电阻的工作原理是在牵引逆变器停机并断开主接触器以后，母线支撑电容所储存的电能能够通过慢放电阻得到释放，一般要求降至人体安全电压36 V以下。另外，轻轨车辆对慢放电阻的放电时间也有要求，一般会要求在5 min内慢放电阻必须将母线支撑电容两端电压降低至36 V人体安全电压以下。

根据实际的放电时间要求，得到放电电阻计算公式为式（5）：

式中：u0为放电初始直流电压；ut为放电完成时直流电压；τ为放电时间；C为母线支撑电容值。

为增加系统的可靠性，牵引逆变器采用2个电阻并联方式，同时结合电阻厂商既有型号选出慢放电阻为12.5 kΩ。每个电阻的阻值为25 kΩ。

而放电电阻功率计算公式为式（6）：

式中，Udcmax为直流母线电压最大值。

考虑4～5倍系数可得慢放电电阻额定功率为200 W。

2.4 牵引控制单元设计

牵引控制单元作为牵引逆变器的控制核心部分，采用模块化功能设计，即每种电路板集中实现同一类功能，7U64Te标准插件箱，前面板布线，机箱内部通过背板总线连接。主要由电源板、数字量输入输出板、中央控制板、信息管理板、模拟量信号板、网关板所构成，其结构框如图5所示。

图5 牵引控制单元结构图

其中，中央控制板实现牵引逆变器逻辑保护控制，控制算法实现，脉冲信号交互，车辆网络数据交互功能；模拟量信号板实现电压和电流模拟量信号采集、处理功能，速度信号采集、处理功能，温度信号采集、处理功能；数字量输入输出板实现采集数字量输入信号（DI信号），控制数字量输出信号（DO信号）功能；信息管理板实现记录和存储运行数据和故障信息记录功能；网关板实现与车辆网络系统通信功能；电源板为各电路板、功率模块驱动板以及各类传感器供电。

牵引控制单元具有完备的保护功能。牵引逆变器出现故障时，中央控制板会依据故障严重等级来进行判断并做出相应的保护动作；一类故障为最高级别需进行硬件复位；二类故障为次高级别需操控司控器复位指令；三类故障为最低级别可以自动复位。另外，中央控制板在上报故障的同时会将故障信息传递给信息管理板，信息管理板将正常记录区靠近故障点前后一段时间的记录完全复制到故障记录区，形成一条故障数据存储于FLASH中，保存的所有数据都可以通过维护接口进行下载。信息管理板可以提供大于4 GB的FLASH存储空间，可保存3个月以内所有故障数据。

2.5 牵引、制动特性控制策略

改造方案牵引逆变器首先接收硬线以及网络控制单元发出的方向、牵引/制动、级位、限速值等指令信号，再经过牵引控制单元自检判断，最终实现PWM逆变输出，从而驱动牵引电机运行工作，以满足车辆运行的各项技术要求，牵引逆变器主要控制算法如下：

（1）基于间接磁场定向的转差型矢量控制

基于间接磁场定向的转差型矢量控制相对于直接磁场定向控制取消了磁链环，避免了磁链反馈不精确对电机控制造成的负面影响［4］。其输入指令信号是转矩给定值T*e和励磁磁链ψ*r。矢量控制模型根据输出三相反馈电流进行磁场定向转换，将三相电流Isa、Isb、Isc转换为dq坐标系下转矩电流分量Isq和励磁电流分量Isd。而后根据输入指令值计算转差频率，进而通过转子频率和转差频率得到定子频率，并计算出矢量控制角，接着利用前馈电压计算模型计算得到电压调节量和频率调节量。最后，依据调制策略模型计算出PWM输出的占空比，输出6路PWM脉冲，实际框图如图6所示。

图6 基于间接磁场定向转差型矢量控制原理框图

（2）车辆4级制动响应模式

长春三期轻轨车辆按照制动功能和制动力大小划分为共有4级制动响应模式。

常用制动：根据司机控制器的级位（B1～B7）指令信号，车辆会逐级施加由电制动和拖车盘型制动组成的联合制动力，实现车辆的第一级制动相应措施。

强迫制动（EB1）：当车辆在行驶中牵引逆变器收到车门已打开、司机控制器无人警惕按钮生效、车辆已超速等指令时，牵引逆变器会使牵引电机自动施加最大电制动力，实现车辆的第二级制动响应措施。

安全制动（EB2）：当车辆安全制动按钮被触发时，牵引逆变器内部使能信号失效，同时立即切断主接触器，车辆在撒沙的同时会自动施加由动车液压制动与磁轨制动组成的联合制动力，实现车辆的第三级制动响应措施［5］。

紧急制动（EB3）：当司机控制器处于EB位时，车辆在撒沙的同时会自动施加由最大电制动、机械摩擦制动和磁轨制动组成的联合制动力，实现车辆的最后一级制动响应措施。

3 改造方案效果验证

改造后的牵引逆变器在设计研制完成后，需进行一系列的静态与动态型式试验，以验证改造后的轻轨车辆牵引性能是否满足原有车辆的设计指标，进而保证改造后轻轨车辆在运用过程中安全可靠。

根据原有车辆关于加减速度的相关要求在不同载重负荷模式下，分别进行了车辆牵引、制动性能考核试验，各项试验数据结果均符合原有车辆的设计要求。其中AW3载荷模式（即超员模式，车内乘客站位按8人/m2，共计622人，乘客质量按60 kg/人）试验结果如图7～图10所示。

最大常用制动工况下，初速度为70.074 km/h，末速度为5.008 km/h，初速度时刻（452.0 m处）和末速度时刻（631.2 m处）的距离为179.2 m，得出减速度为1.101 m/s2，速度变化曲线如图7所示。

图7 最大常用制动工况下速度变化曲线

紧急制动工况下，初速度为70.001 km/h，末速度为0，初速度时刻（468.2 m处）和末速度时刻（568.6 m处）的距离为100.4 m，得出减速度为1.883 m/s2，速度变化曲线如图8所示。

图8 紧急制动工况下速度变化曲线

加速度试验0～70 km/h工况下，初速度为0，末速度为70.124 km/h，初速度时刻（0.0 m处）和末速度时刻（347.7 m处）的距离为347.7 m，得出加速度为0.656 m/s2，速度变化曲线如图9所示。

图9 满级牵引工况下0~70 km/h速度变化曲线

加速度试验0～32 km/h工况下，初速度为0，末速度为32.034 km/h，初速度时刻（0.0 m处）和末速度时刻（42.1 m处）的距离为42.1 m，得出加速度0.994 m/s2，速度变化曲线如图10所示。

图10 满级牵引工况下0~32 km/h速度变化曲线

改造车辆于长春轨道交通3号线伊通河站至职业学院站间进行了AW3载荷试验，AW3载荷试验标准值为：

（1）在AW3载荷情况下，在平直线路上，车轮参照半磨耗状态：

从0加速到32 km/h时，车辆运行的加速度≥0.96 m/s2；

从0加速到70 km/h时，车辆运行的加速度≥0.5 m/s2。

（2）在AW3载荷情况下，在平直线路上，车轮参照半磨耗状态，车辆在最高运行速度70 km/h时，从制动指令发出到轻轨车辆停止需满足下列指标：

紧急制动从70 km/h减速到0，减速度需≥1.8 m/s2；

最大常用制动从70 km/h减速到5 km/h，减速度需≥1.1 m/s2。

4 结束语

改造方案研制的牵引逆变器在我公司研制完成后，先于长春中车轨道车辆有限公司进行整车组装，而后在长春轻轨公司湖光分部完成了库内静态调试、夜间线路动态调试以及各项型式试验，取得了良好的效果。目前，改造后的轻轨列车已投入到长春轨道交通3号线车辆载客运营当中，该车的成功运营为公司的牵引逆变器检修技术的创新增效发展提供了新方案。