100%低地板车牵引及辅助变流系统

刁利军 刘志刚

(北京交通大学电气工程学院 北京 100044)

1 低地板车概述

低地板车以其独特的结构，在人性化、环境匹配、建设周期与成本、噪声等方面形成突出的优势［1-3］，在世界各国得到了越来越广泛的认同和应用。目前，世界上使用较多的低地板车主要根据车内乘客空间地板面的低地板率来进行区分:使用较广泛的地板面高度是入口320 mm、客室350 mm，而根据列车两头动力转向架上乘客空间的高度是否降低分为70%和100%两种，如图1所示。为了实现100%低地板，必须将动力转向架乘客空间的高度降低，采用独立轮转向架，取消传统轮对的横向耦合轴。在国家“十一五”科技支撑重点项目“100%低地板车研制”支持下，北车长春客车股份有限公司、北京交通大学等单位合作，成功开发研制出我国首列具有完全自主知识产权的100%低地板轻轨车［4-5］。列车的动力转向架上配置2台双端输出的纵向布置电机，驱动同侧前后车轮。这既可使左右车轮之间的乘客空间设成低地板，还由于驱动装置的可接近性好，所有检修工作不必在地沟中进行，使拆卸和维修更方便。

图1 70%及100%低地板车的动力转向架结构

本文主要介绍北京交通大学负责研制的100%低地板车牵引及辅助变流系统［6］。该系统具有模块化、轻量化、电磁兼容性好、人机接口良好、控制及诊断功能完善等特点，并安装在实际列车上，已经完成了实际线路的运行试验。下面将从系统组成及设计、控制功能、系统监控及故障诊断等方面进行论述。

2 整车变流系统组成

如图2所示，整车变流系统通过受电弓从接触网获取750 V DC电源，负极连接到车轮，通过轨道回流，车顶通过一个避雷器进行浪涌吸收保护，然后经过快速熔断器给2套完全相同的变流系统TSYS1和TSYS2供电，每个变流系统包括1套牵引变流器TCU、1套辅助变流器ACU。牵引变流器主要用于将直流电转换成可变频变压的交流电，对牵引电机进行控制;辅助变流器主要用于给列车380 V/220 V AC负载和24 V DC负载供电。

每套变流系统的组成如图2中的下半部分所示。牵引系统共用1套网侧预充电电路和滤波器，由2个IGBT逆变器组成，均采用两电平的电压型逆变器，每个逆变器独立驱动1个牵引电机，并自带制动斩波电源。辅助系统包括1个35 kV·A的辅助逆变器SIV和8 kW的充电机BCC，共用网侧预充电电路和滤波器，分别通过全桥DC/DC进行电压幅值变换，然后通过高频变压器隔离，得到需要的输出直流电压。SIV还需要一套带中性线输出的电压型逆变器，以逆变得到所需的交流电压。

图2 整车变流系统

3 牵引变流系统

3.1 系统描述

牵引变流器采用变压变频的VVVF控制模式，根据需要的速度和转矩控制电机电流，电机的旋转方向(即列车的前进方向)依赖于三相逆变器输出的触发脉冲时序。牵引变流器的标称功率为300 kV·A，最大功率可达750 kV·A，用于驱动两个额定功率为110 kW的牵引电机。在制动模式下，牵引电机工作在发电模式，变流器成为一个整流器;两个斩波单元根据制动的能量进行控制，通过制动电阻热消耗的方式，吸收掉多余的制动能量，每个制动电阻的最大瞬时功率可达275 kW。

为满足100%低地板车牵引传动的要求，研制了整车共2套牵引变流系统及其控制系统，如图3所示。系统采用模块化设计，以求实现设计、安装、维修维护的最优。为了达到这一目的，采用CAD计算机辅助软件进行变流系统立体结构的设计和分析，以获得与实际系统相匹配的结构;同时，在系统电磁兼容、布局布线等方面，实现了总体的模块化和优化设计，使系统完全适用于具有紧凑的车顶空间、恶劣的工作环境等特点的低地板车。

3.2 控制系统及其功能

图3 牵引变流器实物

图4 牵引变流系统功能

牵引变流系统的控制功能包括牵引电机驱动、车辆控制、网络监控等，如图4所示。牵引变流系统接收司控台的给定指令，通过先进的矢量控制技术，将750 V直流电压变换成电压幅值及频率可变的交流电压来控制牵引电机，实现列车的牵引/制动功能。通过CANOpen网络与列车控制单元VCU配合，同时通过硬线的直接输出，实现对列车的逻辑控制，包括防滑控制、制动配合等。通过以太网络与电脑的通信，可实现对变流系统的直接监控、故障数据下载和诊断以及现场调试的功能，具有友好的人机接口。具体来看，牵引系统具有下述功能:

1)逆变器控制功能，包括电机牵引/制动控制、系统保护、充放电控制、系统自检测等功能。

2)限速功能，出库模式限速8 km/h、洗车模式限速3 km/h、故障限速30 km/h、反向运行限速10 km/h。

3)数据处理功能，包括加/减速度计算，电机、拖车速度计算，载荷计算，轮径计算。

4)电量计算功能，包括制动电阻温升计算，功率、能量计算，故障信息存储。

5)通信功能，包括以太网通信、CANOpen通信。

6)保护功能，包括过/欠压保护、输入/输出过流保护、负载短路保护、超温保护等。

4 辅助变流系统

4.1 系统描述

辅助变流系统原理如图5所示。SIV和BCC原边均采用全桥DC-DC变换，通过高频隔离变压器得到需要的直流电压。相比传统的工频隔离方式，采用高频隔离变压方式的最大优势在于能够得到更高的功率密度。

图5 辅助变流系统原理

充电机BCC采用原边全桥逆变副边全波整流的DC-DC隔离变换结构，产生的24 V DC低压直流电源主要用于给蓄电池充电和直流车载电源。蓄电池根据其Io-Uo特性进行分段式充电，即“限流充电—恒压充电—浮充温度补偿”，以此达到蓄电池的最好激活;当充电机停止工作或故障时，通过蓄电池给整车直流负载供电。充电机的输出端通过一个二极管与24 V DC车载电源母线连接，共同为整车直流负载供电(见图6)。这样，当某个系统不能提供24 V DC电源时，还可通过另外一个系统给整车直流负载供电。

图6 充电机并联原理

在SIV中，通过前级高频DC-DC变换，得到需要的中间直流电压，给后级逆变器模块提供直流电源。SIV输出恒频、恒压的三相交流电和单相交流电，通过正弦滤波器来使输出电压更平缓稳定，获得一个正弦波的电压，分别给三相负载(如冷却系统、空调系统以及电热、用电插座等)供电。考虑到非变频空调突然启动的载荷突变，要求SIV具有1.5～2倍的一定时长过载能力。为了保证在1个SIV损坏的情形下仍能给整车交流负载供电，采用扩展供电方式，如图7所示。通过1个K300接触器连接整车2个SIV的输出，如当ACU1的SIV停止工作时，ACU1中的K200断开，K300闭合，是整车获得交流电源，但此时必须减载;扩展供电逻辑采用数字控制，取代了传统的故障率更高的继电器扩展控制模式;如果采用SIV并联供电的方式，则交流负载的供电冗余性会更好［7］。

图7 SIV扩展原理

4.2 系统控制功能

整个辅助变流系统具有以下完善的控制和保护功能:充放电控制、系统自检测、辅逆扩展供电、辅逆降功运行、故障自恢复重启和重载(2倍)启动等。另外，还有通信及监控功能，通过CANOpen与车辆网络进行信号交互，通过以太网实现人机交互;保护功能，包括过/欠压保护、输入/输出过流保护、负载短路保护、超温保护等。

4.3 辅助变流器研制

为满足100%低地板车整车交直流负载供电的要求，研制了整车共2套辅助变流系统及其控制系统，每套系统实物如图8所示。由于低地板车紧凑的车顶空间，需要设计的变流系统具有更高的功率密度。为了达到这一要求，辅助变流系统摈弃了传统的工频隔离模式，采用了先进的高频隔离技术，减小了体积，提高了功率密度;同时，采用全数字控制策略，并具有故障自重启、数字逻辑扩展供电等功能，提高了系统供电的稳定性。

图8 辅助变流器模块

5 网络监控与故障诊断

低地板车独特的部件布置方式，使得变流系统只能放在车顶，给现场调试的监控带来困难。基于网络传输和虚拟仪器技术，开发研制出具有良好人机界面的现场监控软件以及故障诊断软件，可大大提高列车调试和维护维修效率。

5.1 网络监控系统

如图9所示，监控软件包括数据/状态存储、数据/状态传输(以太网)、数据/状态显示、数据/状态保存等功能。监控软件为中文界面，能够实时方便地显示各种模拟量、数字量以及报警、故障及其类型等，软件自带帮助文档，便于实时查询，也可以为工作人员静调时提供方便的调试工具。同时，基于虚拟仪器技术的示波器为现场波形的观测和存储分析提供了方便。

图9 牵引系统的监控界面

5.2 故障诊断软件

为配合变流系统的现场调试，使技术人员能对故障进行准确排查，及时恢复系统，设计了一个界面友好、容易操作的故障诊断软件来对故障进行诊断，实现了基于网络的变流系统远程实时监控方法、故障传输和下载策略，并借助故障树的方法对系统的故障进行分析，以保证系统具有更好的可视和可维性。故障诊断软件具有许多功能，其人机界面如图10所示。

图10 故障诊断软件界面

1)数据存储功能:包括在线式诊断时的实时数据存储、离线式诊断时的故障数据存储。

2)离线式故障诊断功能:根据下载存储的故障数据，进行故障诊断的算法实现。

3)故障显示功能:对在线式或离线式的诊断结果进行故障定位，并显示出故障类型、严重程度。

4)给出修复意见功能:对诊断出的故障，提出可对系统进行维修的意见。

5)绘制波形及数字量图形显示功能:在线诊断时，实时绘制波形及数字量变化图形，并可绘制历史波形;在离线式故障诊断时，绘制存储数据波形及图形。

6)故障预测功能:通过历史数据分析，找出具有故障趋势的点，给出可能造成故障的原因，并给出修理意见。

7)其他附加功能:有方便用户使用和维护的功能，如保存、打印等。

6 结语

本文介绍了为我国第一列100%低地板车研制的牵引及辅助变流系统，目前样机已经安装在列车上并稳定运行，实际运行情况说明系统设计合理，控制及保护功能完善，为我国自主创新、自主研发的低地板车技术装备的发展和竞争提供了更广泛的选择。

［1］王渤洪.现代低地板轨道车辆创新走行部［J］.机车电传动，2009(2):44-47.

［2］邹婷婷，李莉.阿尔斯通公司展示 Citadis轻轨车模型［J］.国外铁道车辆，2009(1):6.

［3］王欢，戴焕云.低地板轻轨车辆的技术分析与自主研发选型［J］.中国铁路，2009(10):56-59.

［4］刘志刚.100%低地板车牵引传动系统研究及装备研制［J］.都市快轨交通，2010，23(5):17-21.

［5］刘承绪.低地板轻轨车辅助逆变器并联研究［D］.北京:北京交通大学，2008.