城市軌道車輛輔助系統IGBT三電平逆變器研制

摘要: 利用新一代的電力電子器件IGB T 研制了適用于城市軌道車輛輔助系統的三電平逆變器裝置. 闡述了其工作原理,分析了其諧波分量較小的控制方式,并提供了在試驗機組上兩種不同控制方式的實驗結果.
關鍵詞: 城市軌道車輛;輔助系統;三電平逆變器;絕緣柵雙極型晶體管　　　　　
　　隨著電力電子器件的迅速發展,城市地鐵或輕軌車輛中的靜止輔助電源也逐步采用新一代的電力電子器件IGBT(Insulated Gate Bipolgar Transitor) 或IPM(Inteligent Power Module) 器件來構成. 城市軌道交通供電網壓有DC 600 V ,DC 750 V ,DC 1 500 V 等三種. 早期城市有軌(或無軌) 電車及地鐵采用DC 600 V 與DC 750 V 供電,DC 1 500 V 是后來發展的城市軌道交通供電網壓制. 我國北京地鐵采用的就是DC 750 V 第三軌供電制式. 對于DC 750 V 供電的地鐵車輛上靜止輔助電源,采用1 200 V 等級IGBT 構成三電平逆變器,其性能價格比好,而且對管子的電壓裕量也較大. 盡管高壓IGBT 器件在國外已系列化生產,但其價格要比已批量生產的1 200 V 等級的IGBT 昂貴得多. 三電平逆變器還具有主管耐壓低、輸出電壓諧波小、負載電機轉矩脈動小和磁噪聲低等優點. 采用IGBT 三電平逆變器對老式地鐵車輛上旋轉式電動Ο發電機組輔助系統進行技術改造是合理的,并可對引進的國外地鐵車輛上GTO(Gate turn2off) 靜止輔助電源的國產化作好準備[1 ].
1 　靜止輔助電源的三電平逆變器方案
DC 750 V 網壓制,按規定允許網壓波動范圍為-33 %～ + 20 % , 且輔助系統中用電設備,如空調、壓縮機等都希望輔助電源輸出穩定或波動小的三相對稱電壓. 以往的方案是波動范圍大的網壓先由斬波器降壓與穩壓,然后由逆變器逆變與穩頻,再經濾波或變壓器隔離供電. 采用三電平逆變器方案后,可直接完成降壓、穩壓和恒頻三種功能.
1. 1 　三電平逆變器工作原理
第2 期康勁松,等:城市軌道車輛輔助系統IGBT 三電平逆變器研制1 1 2 IGB T 三電平逆變器主電路(如圖1 所示) 采用兩個主管串聯,中點有一對二極管箝位的結構. 可以看出,各主管承受的反壓是中間回路直流電壓的一半,即主管的耐壓比二電平逆變器可降低一半[ 2 ].
電平(+ Ud/2 ,0 ,-Ud/2) .

圖1 　三電平逆變器主電路
關斷關斷導通導通-Ud/ 2 Fig. 1 　32level inverter conf iguration 　　如圖2 所示電壓波形,若以電壓空間矢量來分析,二電平逆變器只有23 即8 種通斷狀態組合,可歸納有6 種非零矢量和一種零矢量;而三電平逆變器具有33 即27 種通斷狀態組合,可歸納有18 種非零矢量和一種零矢量,如圖3 所示. 對在α= 15°的單脈沖工作時,這種準12 脈沖運行的電壓空間矢量圖即為圖3 中的外正六邊形頂點與其各邊中點所構成的12 種電壓矢量狀態. 結合運行時間來看,電壓矢量是每經1/ 12 周期(對應30°圓心角) 在上述12 種狀態位置上依次相間地跳動,跳動方向由A ,B ,C 三相序決定. 因為電壓空間矢量較二電平有更多的選擇,所以可得出其輸出波形要更好的結論[3 ].

圖2 　逆變器輸出電壓波形圖3 　電壓空間矢量圖

1. 2 　三電平逆變器的控制
本研制方案采用帶電壓控制的三角形載波錯開1/ 制波負的半個周期[4 ] 除了要錯開1/4 周期外還必須滿足nc = fT/fR =3 (2 k +1) 式中: fT 為三角形載波的頻率;fR 為正弦調制波的頻率;nc 載波頻與調制波頻率比;k= 0 ,1 ,2這種三角形載波錯開1/ 4 周期的改進SPWM 控制方法有圖4 　三角形載波錯開1/ 4 周期的脈寬調制波形如下特點:　　

① 在正弦調制波的幅值小于1 / 2 ,0 , -Ud/ 2 三種電壓脈沖波組成; ② 在正弦調制波的幅值大于1/
/ 2 ,0 , -Ud/ 2 , -Ud 五種電壓脈沖波組成; ③ 通過對冗余電壓空間矢量的選擇優化,可以有效地控制電容分壓的中點電位偏移. 對這種控制方式所獲得的線電壓的脈沖波(如圖4 中UAB) 進行傅立葉級數展開,可用下式表示:
f(ωt) =α0 + ∑αn cos(nωt) + bnsin (nωt)
n=1
　　因為這種線電壓脈沖波關于1/ 4 周期對稱,所以上式中a0= 0 ,an = 0 ,bn 當且僅當n為奇數時才不為0 ,可表示為
K
max
2 Ud bn= (-1)k cos(nθk)

∑
nπ
k= K
min
式中: Kmin = 2 ; Kmax = (nc+ 1)/2 (當i為奇數) ,(nc+ 1)/2 + 1 (當i為偶數);nc= 3 (i+ 1) ,i= 0 ,1 ,2 ,?; θk 為圖4 中三角波與正弦波交點在π/2 周期內所對應的相位,它可根據實際情況進行計算,其最大值為π/2.
圖5 是i為奇數時對線電壓UAB 諧波分析的結果.可以看出,在三角形載波錯開1/4 周期改進的SPWM 控制方式下,三電平逆變器輸出的電壓波形比傳統的兩電平逆變器的諧波分量(見圖6)明顯減少[5 ].

圖5 　用新SPWM 法時線電壓諧波分量
整個系統控制采用MCS96 系列中8097BH 微處理器來實現. 控制軟件由起動與電壓控制兩套功能構成,使三電平逆變器既能軟起動,又能實現降壓、穩壓與恒頻的組合功能. 電壓控制環節有兩種方案:一是實測逆變器的輸出量,經坐標變換得電壓空間矢量模與給定的電壓幅值比較后進行控制;另一種方案是實測中間回路電壓,根據數學模型算出下一時刻開關模式,經過脈沖分配與驅動電路,按要求通斷三電平逆變器各主管,獲得所需的輸出電壓.
2 　實驗裝置與實驗結果
研制的IGBT 三電平逆變器,主管采用400 A/1 200 V 等級的器件,其容量可達70～85 kW. 每相橋臂的四個主管構成模塊式結構,使裝置結構簡單,易于裝拆. 在55 kW 異步電動機與80 kW 直流發電機組上進行負載實驗. 發電機負載為水電阻. 驅動電路中采用內帶短路保護電路的集成驅動模塊HR065. 為使結構緊湊和工作可靠,控制電路中采用邏輯單元陣列來實現復雜的邏輯功能. 有關試驗中的電機電壓與電流波形及主管兩端VCE 開關波形如圖7～9 所示. 由圖9 看出,關斷時主管的VCE 電壓波形,其過沖峰值約100 V.
3 　結論　　

(1) 所研制的IGB T 三電平逆變器,對DC 750 V 供電網壓下運營的北京地鐵原有車輛的旋轉式電動

　　

圖6　三角波錯開1/ 4 周期的SPWM 控制方式下電壓與電流波形

圖7　α= 15°單脈沖工作時的電壓與電流波形and current in α= 15°method
發電機組所構成的輔助系統進行技術改造是合適的,并可加裝空調以改善乘坐環境.

(2) 用已批量生產且性能穩定的1 200 V 等級IGB T 構成三電平逆變器,性能價格比較好. 三電平逆變器輸出波形好、噪聲低等優點也符合城市軌道車輛要求.

(3) 對DC 1 500 V 網壓下,可采用電壓等級1 700 V HV IGB T 器件來構成三電平逆變器,用于城市軌道車輛輔助系統.

(4) 用電壓等級600 V 的IGB T 器件構成三電平逆變器可改善通用變頻器的輸出波形.

圖8 　IGBT 主管的關斷波形
參考文獻:
[ 1 ] 　陶生桂,康勁松. 城市軌道交通電動車組電力電子器件與變流器發展[J ] . 城市軌道交通研究,1999 ,2(2) :20 -24.
[ 2 ] 　陶生桂,烏正康,邵丙衡. 三點式逆變器控制[J ] . 鐵道學報,1995 ,17(3) :50 -54.
[ 3 ] 　Maruyama T , Kumano M. New PWM Control Method for a three2level inverter[ A ] . Proc IPEC(2)[ C] . Japan : IPEC ,1990.
[ 4 ] 　陶生桂,康勁松,莊紅元. 用于三點式逆變器的脈寬調制控制方法[J ] . 機車電傳動,1997(1) :47 -49.
[ 5 ] 　Steinke K. Swithching frequency optimal PWM control of a three2level inverter[J ] . IEEE Transactions on Power Electronics ,1992 ,7(3) :487 -496.