1 引言

　　在即将投入运营的sz1地铁列车上，采用了一种新型变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统。之所以称它是“新型”系统，是因为以下三个原因：其一，采用大功率电力电子器件igbt模块。复合型igbt是以单极型mosfet为驱动元件，双极型gtr为主导元件的达林顿结构元件，它综合了前者输入阻抗高、驱动功率小（电压型）、电路简单、开关频率高、热稳定性好和后者安全工作区宽、电流密度高、导通压降低的优点;其二，单台牵引电机额定功率较之目前国内外已投入运营的同类产品（4m2t）大，因而使这类地铁列车有更大的牵引功率和电制动功率;其三，vvvf逆变器采用直接转矩控制系统，这是除矢量控制系统之外的另一种新的高动态性能的、但更简单适用的变频变压调速系统。因此，这种“新型”系统体现了现代电力电子器件、电路及其控制技术方面的特点：集成度高，工作频率高，全控化，电路控制简单、灵活、准确，多功能化和智能化。这将大大提高地铁列车vvvf逆变器系统的可靠性、可维修性以及经济性等，具有广阔的发展前景。

2 sz1地铁列车电气设备的构成

　　2.1 地铁列车电气设备布置与电路图

　　如图1所示，sz1地铁列车为6辆编组（4m2t）的两个3车单元（2m1t）对称设计。每个3车单元都由一个带司机室的拖车a和两个动车（带受电弓的动车b和不带受电弓的动车c）组成。两个3车单元用半自动车钩连接。

　　每车两个转向架共四根轴， 一个动车的四根轴由同一台牵引逆变器驱动， 即四台自冷三相异步牵引电动机并联运行。

　　（1） sz1地铁列车的线路区段：

　　sz1地铁1期工程1号线13站，平均站间距1.172km，最大地下深度22m;4号线5站，平均站间距1.011km，最大地下深度23.5m。

　　（2） 轨距：1435mm。

　　（3） 设计最大坡道：正线35‰，车站线路3‰，辅助线路（awo）40‰，车辆段线路0‰。

　　（4） 车辆载荷：列车总载荷（t）awo（空载）： 210t， aw1（48座/辆，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 电气系统简述

　　sz1地铁列车的牵引逆变器系统全称应该是“变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统”。图1所示系统的主要设备包括受电弓、浪涌吸收器、隔离和接地开关、高速断路器、线路滤波电抗器、线路接触器和充电限流环节、接地差动电流检测器、牵引逆变器（牵引逆变器模块、制动斩波器模块、线路滤波电容器）、制动电阻、牵引电机（4台）、接地和负极回流装置。现将系统设备的功能、技术参数、工作原理按以上编号分别简述如下（控制单元略）。

　　以动车b为中心，按编号顺序描述如下设备名称、位置、功能基本特点和概念。

　　（1）每个动车b都装有一个受电弓1，由一个浪涌吸收器2进行过压保护，它连到受电弓的输出端。其供电制式为架空接触网，额定电网电压为dc1500v（变化范围1000～1800v）;计算电网电压在牵引时为dc1500v，再生制动时为dc1650～1800v。

　　（2）高压电源（dc1500v）通过4根电缆（每根都各走一根钢管）连接到b车的ph箱（牵引逆变器和高压设备箱）中的隔离和接地开关3（θ1点），它有三个位置，即受电弓受电位、连接车间电源的插座位、车辆接地位。

　　（3） 经过隔离和接地开关后， 高压电就连接到两个高速断路器4，

　　它们分别接到本车上ph箱中的线路滤波电抗器5和本车上ph箱外的线路滤波电抗器5，再分别接到各自的b车和c车;ph箱中和pa箱（牵引逆变器和辅助逆变器箱）中的线路接触器6（充电限流环节）、输入输出差动电流接地保护7、牵引逆变器8（包括线路滤波电容器、牵引逆变器模块、制动斩波器模块）、制动电阻9（分别在b车ph箱外和c车pa箱外），以及b车和c车的四台牵引电动机io。

　　（4） 隔离和接地开关θ1和θ2的2位相连接地11（接地和负极回流点）。

　　（5）高压电经过一个辅助熔断器和一个隔离二极管（图1中的25和26）连接到蓄电池充电熔断器12，再连接到a车的蓄电池充电器;连接到辅助逆变器熔断器13、线路滤波电抗器14（在c车上）、线路接触器（充电限流环节）15（在c车的pa箱中）、辅助逆变器16（逆变器模块、滤波电容器）、三相变压器、滤波器、输出变压器（三相交流380v，50hz）17，以及三相电压测量装置18。

　　（6）电磁兼容emi电容器19，分别连接在b车ph箱中的牵引逆变器输入电压负极对地之间，c车pa箱中的牵引逆变器、辅助逆变器输入电源负极对地之间。

　　（7） 高压经过辅助熔断器25和隔离二极管26后，还连接到母线重联装置的熔断器、接触器20、重联插座21，给列车的另一个3车单元供电。

　　（8） 23是组容保护电路，防止隔离二极管反向击穿。

　　（9） 24是网压测量装置。

　　由此可见，sz1地铁列车有四台完全相同的牵引逆变器系统，其中两台装在b车的ph箱中，另外两台装在c车的pa箱中（但是它们的告诉断路中4装在b车的ph箱中，线路滤波电抗器5装在b车的ph箱外）;sz1地铁列车有完全相同的两台辅助逆变器系统，分别装在两个3车单元的动车c的pa箱中，但是，它们没有高速断路器，只通过装在动车b的ph箱外的辅助逆变器熔断器供电，且线路滤波电抗器14在动车c的pa箱外;sz1地铁列车有完全相同的两台直流电源系统，分别装在两个3车单元的拖车a上，但是，蓄电池充电器熔断器12装在动车b的ph箱中，由此得到dc1500v高压电源。

2.3 主要电气设备简介

　　（1） 受电弓

　　sz1地铁列车有两台受电弓，分别装在两个3车电源的b车顶上，将dc1500v电源连接到ph箱中的隔离和接地开关上。

　　受电弓的主要技术参数：额定电压：dc1500v; 最大/暂态系统电压：dc1800v/dc2000v;

　　额定/最大电流：1400a/2400a;最大静态电流：460a; 最大速度：90km/h;

　　最大/最小工作高度：1600mm/175mm; 静态接触压力：120n±10n; 升弓/降弓时间：≯8s/≯7s。

　　（2） 浪涌吸收器（避雷器）

　　浪涌吸收器的功能是防止车辆外部的大气过电压（如雷击过电压）和车辆内部的操作过电压对车辆电气设备的破坏。其保护整定值应与变电所过电压保护整定值相协调。

　　（3） 隔离和接地开关

　　在运行时，连接受电弓、辅助电源系统、牵引逆变器系统，隔离车间电源;在车间时，连接辅助电源系统、车间电源，隔离受电弓、牵引逆变器系统;关断时，隔离受电弓、辅助电源系统、牵引逆变器系统、车间电源，并把受电弓和辅助设备电源端接地。#p#分页标题#e#

　　隔离和接地开关的辅助触点用于监控和安全联锁，它有足够的间隔甚至在触点开闭过程中也不拉弧;短路电流由变电站的高速断路器限流。

　　（4） 高速断路器（hscb）

　　sz1地铁列车的4台牵引逆变器都是由高速断路器来接通或断开dc1500v高压电源的。高速断路器是电磁控制和自然冷却的单极直流断路器。它可以因过流自动跳闸，也可以由dc110v电源控制跳闸，且可在两个电流方向过流自动跳闸，这正好满足地铁列车牵引和再生制动运行的需要。

　　高速断路器的主要技术参数：额定电压：dc2000v;额定电流：1000a;允许短时工作电流：1400a/5min，1500a/2min，1600a/1min，2000a/20s;稳态短路电流：30ka（短路时间常数1sms）;机械响应时间：约3ms（电流初始上升率di/dt=2ka/ms时）;总开断时间：约15ms;控制电源电压：dc110v。

　　（5） 线路滤波器（线路滤波电抗器和线路滤波电容器）

　　因为感抗（xl=ωl）和容抗（xc=1/ωc）的原因，使它们具有抑制电流冲击（di/dt）和抑制电压冲击（du/dt）的功能。它们在地铁列车变频变压（vvvf）逆变器牵引和制动系统中起着至关重要的作用。如抑制电网侧传输到逆变器直流侧的谐波电流和过电压，抑制逆变器产生的谐波电流和换流引起的过电压的不利影响，限制逆变器的故障电流和滤平输入电压等。线路滤波电抗器电感量一般为5～8mh（900a时5mh），额定电流为475a，最大电流为900a。

　　线路滤波电容器电容量与其额定电压有关，且应与线路滤波电抗器的电感量相匹配，约在数千μf左右。线路滤波电容器的主要技术参数：

　　额定电压：最高达6kv;最大电流：最高达600a;自感量：≤40nh;额定能量：最高达18kj;介质损耗因数：tanδ0=2×10-4;最大峰值电流：最高达10ka;最大浪涌电流：最高达100ka。

　　（6） 线路接触器

　　线路接触器的功能常被人们忽视，不熟悉其闭合断开过程，以及它与高速断路器和线路滤波电容器充放电之间的关系。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流使线路滤波电容器受损，首先闭合充电限流环节的接触器，接入限流电阻，待电容电压达到一定值后（由与电容器固定并联的放电电阻上取电压传感器信号），闭合线路接触器6，将限流电阻短接。当高速断路器断开时，线路滤波电容器应在5min内自动放电至低于50v（由其固定并联放电电阻值决定），且可得到放电时间常数值。

　　线路接触器的通断能力应满足下列要求：

　　·电压：1.2un（un为dc 1500v）;

　　·电流：1.1in（in为电磁接触器的额定电流）;

　　·两次间隔时间：2min。

　　（7） 接地差动电流检测装置（差动电流保护器）

　　当牵引逆变器正端输入电流和负端回流的差值超过50a时，表明牵引逆变器主电路发生接地故障，差动电流保护器动作，封锁igbt门极脉冲，断开高速断路器和线路接触器，并故障显示，报警。