1 引言

　　在即將投入運營的sz1地鐵列車上，采用了一種新型變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統。之所以稱它是“新型”系統，是因為以下三個原因：其一，采用大功率電力電子器件igbt模塊。復合型igbt是以單極型mosfet為驅動元件，雙極型gtr為主導元件的達林頓結構元件，它綜合了前者輸入阻抗高、驅動功率小（電壓型）、電路簡單、開關頻率高、熱穩定性好和后者安全工作區寬、電流密度高、導通壓降低的優點;其二，單臺牽引電機額定功率較之目前國內外已投入運營的同類產品（4m2t）大，因而使這類地鐵列車有更大的牽引功率和電制動功率;其三，vvvf逆變器采用直接轉矩控制系統，這是除矢量控制系統之外的另一種新的高動態性能的、但更簡單適用的變頻變壓調速系統。因此，這種“新型”系統體現了現代電力電子器件、電路及其控制技術方面的特點：集成度高，工作頻率高，全控化，電路控制簡單、靈活、準確，多功能化和智能化。這將大大提高地鐵列車vvvf逆變器系統的可靠性、可維修性以及經濟性等，具有廣闊的發展前景。

2 sz1地鐵列車電氣設備的構成

　　2.1 地鐵列車電氣設備布置與電路圖

　　如圖1所示，sz1地鐵列車為6輛編組（4m2t）的兩個3車單元（2m1t）對稱設計。每個3車單元都由一個帶司機室的拖車a和兩個動車（帶受電弓的動車b和不帶受電弓的動車c）組成。兩個3車單元用半自動車鉤連接。

　　每車兩個轉向架共四根軸， 一個動車的四根軸由同一臺牽引逆變器驅動， 即四臺自冷三相異步牽引電動機并聯運行。

　　（1） sz1地鐵列車的線路區段：

　　sz1地鐵1期工程1號線13站，平均站間距1.172km，最大地下深度22m;4號線5站，平均站間距1.011km，最大地下深度23.5m。

　　（2） 軌距：1435mm。

　　（3） 設計最大坡道：正線35‰，車站線路3‰，輔助線路（awo）40‰，車輛段線路0‰。

　　（4） 車輛載荷：列車總載荷（t）awo（空載）： 210t， aw1（48座/輛，288座/列）：227.4t，aw2（6人/m2，1920人/列）：342.6t;aw3（9人/m2，2502人/列）：377.5t。

　　2.2 電氣系統簡述

　　sz1地鐵列車的牽引逆變器系統全稱應該是“變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統”。圖1所示系統的主要設備包括受電弓、浪涌吸收器、隔離和接地開關、高速斷路器、線路濾波電抗器、線路接觸器和充電限流環節、接地差動電流檢測器、牽引逆變器（牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊、線路濾波電容器）、制動電阻、牽引電機（4臺）、接地和負極回流裝置。現將系統設備的功能、技術參數、工作原理按以上編號分別簡述如下（控制單元略）。

　　以動車b為中心，按編號順序描述如下設備名稱、位置、功能基本特點和概念。

　　（1）每個動車b都裝有一個受電弓1，由一個浪涌吸收器2進行過壓保護，它連到受電弓的輸出端。其供電制式為架空接觸網，額定電網電壓為dc1500v（變化范圍1000～1800v）;計算電網電壓在牽引時為dc1500v，再生制動時為dc1650～1800v。

　　（2）高壓電源（dc1500v）通過4根電纜（每根都各走一根鋼管）連接到b車的ph箱（牽引逆變器和高壓設備箱）中的隔離和接地開關3（θ1點），它有三個位置，即受電弓受電位、連接車間電源的插座位、車輛接地位。

　　（3） 經過隔離和接地開關后， 高壓電就連接到兩個高速斷路器4，

　　它們分別接到本車上ph箱中的線路濾波電抗器5和本車上ph箱外的線路濾波電抗器5，再分別接到各自的b車和c車;ph箱中和pa箱（牽引逆變器和輔助逆變器箱）中的線路接觸器6（充電限流環節）、輸入輸出差動電流接地保護7、牽引逆變器8（包括線路濾波電容器、牽引逆變器模塊、制動斬波器模塊）、制動電阻9（分別在b車ph箱外和c車pa箱外），以及b車和c車的四臺牽引電動機io。

　　（4） 隔離和接地開關θ1和θ2的2位相連接地11（接地和負極回流點）。

　　（5）高壓電經過一個輔助熔斷器和一個隔離二極管（圖1中的25和26）連接到蓄電池充電熔斷器12，再連接到a車的蓄電池充電器;連接到輔助逆變器熔斷器13、線路濾波電抗器14（在c車上）、線路接觸器（充電限流環節）15（在c車的pa箱中）、輔助逆變器16（逆變器模塊、濾波電容器）、三相變壓器、濾波器、輸出變壓器（三相交流380v，50hz）17，以及三相電壓測量裝置18。

　　（6）電磁兼容emi電容器19，分別連接在b車ph箱中的牽引逆變器輸入電壓負極對地之間，c車pa箱中的牽引逆變器、輔助逆變器輸入電源負極對地之間。

　　（7） 高壓經過輔助熔斷器25和隔離二極管26后，還連接到母線重聯裝置的熔斷器、接觸器20、重聯插座21，給列車的另一個3車單元供電。

　　（8） 23是組容保護電路，防止隔離二極管反向擊穿。

　　（9） 24是網壓測量裝置。

　　由此可見，sz1地鐵列車有四臺完全相同的牽引逆變器系統，其中兩臺裝在b車的ph箱中，另外兩臺裝在c車的pa箱中（但是它們的告訴斷路中4裝在b車的ph箱中，線路濾波電抗器5裝在b車的ph箱外）;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺輔助逆變器系統，分別裝在兩個3車單元的動車c的pa箱中，但是，它們沒有高速斷路器，只通過裝在動車b的ph箱外的輔助逆變器熔斷器供電，且線路濾波電抗器14在動車c的pa箱外;sz1地鐵列車有完全相同的兩臺直流電源系統，分別裝在兩個3車單元的拖車a上，但是，蓄電池充電器熔斷器12裝在動車b的ph箱中，由此得到dc1500v高壓電源。

2.3 主要電氣設備簡介

　　（1） 受電弓

　　sz1地鐵列車有兩臺受電弓，分別裝在兩個3車電源的b車頂上，將dc1500v電源連接到ph箱中的隔離和接地開關上。

　　受電弓的主要技術參數：額定電壓：dc1500v; 最大/暫態系統電壓：dc1800v/dc2000v;

　　額定/最大電流：1400a/2400a;最大靜態電流：460a; 最大速度：90km/h;

　　最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 靜態接觸壓力：120n±10n; 升弓/降弓時間：≯8s/≯7s。

　　（2） 浪涌吸收器（避雷器）

　　浪涌吸收器的功能是防止車輛外部的大氣過電壓（如雷擊過電壓）和車輛內部的操作過電壓對車輛電氣設備的破壞。其保護整定值應與變電所過電壓保護整定值相協調。

　　（3） 隔離和接地開關

　　在運行時，連接受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統，隔離車間電源;在車間時，連接輔助電源系統、車間電源，隔離受電弓、牽引逆變器系統;關斷時，隔離受電弓、輔助電源系統、牽引逆變器系統、車間電源，并把受電弓和輔助設備電源端接地。#p#分頁標題#e#

　　隔離和接地開關的輔助觸點用于監控和安全聯鎖，它有足夠的間隔甚至在觸點開閉過程中也不拉弧;短路電流由變電站的高速斷路器限流。

　　（4） 高速斷路器（hscb）

　　sz1地鐵列車的4臺牽引逆變器都是由高速斷路器來接通或斷開dc1500v高壓電源的。高速斷路器是電磁控制和自然冷卻的單極直流斷路器。它可以因過流自動跳閘，也可以由dc110v電源控制跳閘，且可在兩個電流方向過流自動跳閘，這正好滿足地鐵列車牽引和再生制動運行的需要。

　　高速斷路器的主要技術參數：額定電壓：dc2000v;額定電流：1000a;允許短時工作電流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;穩態短路電流：30ka（短路時間常數1sms）;機械響應時間：約3ms（電流初始上升率di/dt=2ka/ms時）;總開斷時間：約15ms;控制電源電壓：dc110v。

　　（5） 線路濾波器（線路濾波電抗器和線路濾波電容器）

　　因為感抗（xl=ωl）和容抗（xc=1/ωc）的原因，使它們具有抑制電流沖擊（di/dt）和抑制電壓沖擊（du/dt）的功能。它們在地鐵列車變頻變壓（vvvf）逆變器牽引和制動系統中起著至關重要的作用。如抑制電網側傳輸到逆變器直流側的諧波電流和過電壓，抑制逆變器產生的諧波電流和換流引起的過電壓的不利影響，限制逆變器的故障電流和濾平輸入電壓等。線路濾波電抗器電感量一般為5～8mh（900a時5mh），額定電流為475a，最大電流為900a。

　　線路濾波電容器電容量與其額定電壓有關，且應與線路濾波電抗器的電感量相匹配，約在數千μf左右。線路濾波電容器的主要技術參數：

　　額定電壓：最高達6kv;最大電流：最高達600a;自感量：≤40nh;額定能量：最高達18kj;介質損耗因數：tanδ0=2×10-4;最大峰值電流：最高達10ka;最大浪涌電流：最高達100ka。

　　（6） 線路接觸器

　　線路接觸器的功能常被人們忽視，不熟悉其閉合斷開過程，以及它與高速斷路器和線路濾波電容器充放電之間的關系。在受電弓升起、高速斷路器閉合后，為防止過大的充電電流使線路濾波電容器受損，首先閉合充電限流環節的接觸器，接入限流電阻，待電容電壓達到一定值后（由與電容器固定并聯的放電電阻上取電壓傳感器信號），閉合線路接觸器6，將限流電阻短接。當高速斷路器斷開時，線路濾波電容器應在5min內自動放電至低于50v（由其固定并聯放電電阻值決定），且可得到放電時間常數值。

　　線路接觸器的通斷能力應滿足下列要求：

　　·電壓：1.2un（un為dc 1500v）;

　　·電流：1.1in（in為電磁接觸器的額定電流）;

　　·兩次間隔時間：2min。

　　（7） 接地差動電流檢測裝置（差動電流保護器）

　　當牽引逆變器正端輸入電流和負端回流的差值超過50a時，表明牽引逆變器主電路發生接地故障，差動電流保護器動作，封鎖igbt門極脈沖，斷開高速斷路器和線路接觸器，并故障顯示，報警。