城市轨道车辆辅助系统IGBT三电平逆变器研制
摘要: 利用新一代的电力电子器件IGB T 研制了适用于城市轨道车辆辅助系统的三电平逆变器装置. 阐述了其工作原理,分析了其谐波分量较小的控制方式,并提供了在试验机组上两种不同控制方式的实验结果.
关键词: 城市轨道车辆;辅助系统;三电平逆变器;绝缘栅双极型晶体管
随着电力电子器件的迅速发展,城市地铁或轻轨车辆中的静止辅助电源也逐步采用新一代的电力电子器件IGBT(Insulated Gate Bipolgar Transitor) 或IPM(Inteligent Power Module) 器件来构成. 城市轨道交通供电网压有DC 600 V ,DC 750 V ,DC 1 500 V 等三种. 早期城市有轨(或无轨) 电车及地铁采用DC 600 V 与DC 750 V 供电,DC 1 500 V 是后来发展的城市轨道交通供电网压制. 我国北京地铁采用的就是DC 750 V 第三轨供电制式. 对于DC 750 V 供电的地铁车辆上静止辅助电源,采用1 200 V 等级IGBT 构成三电平逆变器,其性能价格比好,而且对管子的电压裕量也较大. 尽管高压IGBT 器件在国外已系列化生产,但其价格要比已批量生产的1 200 V 等级的IGBT 昂贵得多. 三电平逆变器还具有主管耐压低、输出电压谐波小、负载电机转矩脉动小和磁噪声低等优点. 采用IGBT 三电平逆变器对老式地铁车辆上旋转式电动Ο发电机组辅助系统进行技术改造是合理的,并可对引进的国外地铁车辆上GTO(Gate turn2off) 静止辅助电源的国产化作好准备[1 ].
1 静止辅助电源的三电平逆变器方案
DC 750 V 网压制,按规定允许网压波动范围为-33 %～ + 20 % , 且辅助系统中用电设备,如空调、压缩机等都希望辅助电源输出稳定或波动小的三相对称电压. 以往的方案是波动范围大的网压先由斩波器降压与稳压,然后由逆变器逆变与稳频,再经滤波或变压器隔离供电. 采用三电平逆变器方案后,可直接完成降压、稳压和恒频三种功能.
1. 1 三电平逆变器工作原理
第2 期康劲松,等:城市轨道车辆辅助系统IGBT 三电平逆变器研制1 1 2 IGB T 三电平逆变器主电路(如图1 所示) 采用两个主管串联,中点有一对二极管箝位的结构. 可以看出,各主管承受的反压是中间回路直流电压的一半,即主管的耐压比二电平逆变器可降低一半[ 2 ].
电平(+ Ud/2 ,0 ,-Ud/2) .
图1 三电平逆变器主电路
关断关断导通导通-Ud/ 2 Fig. 1 32level inverter conf iguration 如图2 所示电压波形,若以电压空间矢量来分析,二电平逆变器只有23 即8 种通断状态组合,可归纳有6 种非零矢量和一种零矢量;而三电平逆变器具有33 即27 种通断状态组合,可归纳有18 种非零矢量和一种零矢量,如图3 所示. 对在α= 15°的单脉冲工作时,这种准12 脉冲运行的电压空间矢量图即为图3 中的外正六边形顶点与其各边中点所构成的12 种电压矢量状态. 结合运行时间来看,电压矢量是每经1/ 12 周期(对应30°圆心角) 在上述12 种状态位置上依次相间地跳动,跳动方向由A ,B ,C 三相序决定. 因为电压空间矢量较二电平有更多的选择,所以可得出其输出波形要更好的结论[3 ].
图2 逆变器输出电压波形图3 电压空间矢量图
1. 2 三电平逆变器的控制
本研制方案采用带电压控制的三角形载波错开1/ 制波负的半个周期[4 ] 除了要错开1/4 周期外还必须满足nc = fT/fR =3 (2 k +1) 式中: fT 为三角形载波的频率;fR 为正弦调制波的频率;nc 载波频与调制波频率比;k= 0 ,1 ,2这种三角形载波错开1/ 4 周期的改进SPWM 控制方法有图4 三角形载波错开1/ 4 周期的脉宽调制波形如下特点:
① 在正弦调制波的幅值小于1 / 2 ,0 , -Ud/ 2 三种电压脉冲波组成; ② 在正弦调制波的幅值大于1/
/ 2 ,0 , -Ud/ 2 , -Ud 五种电压脉冲波组成; ③ 通过对冗余电压空间矢量的选择优化,可以有效地控制电容分压的中点电位偏移. 对这种控制方式所获得的线电压的脉冲波(如图4 中UAB) 进行傅立叶级数展开,可用下式表示:
f(ωt) =α0 + ∑αn cos(nωt) + bnsin (nωt)
n=1
因为这种线电压脉冲波关于1/ 4 周期对称,所以上式中a0= 0 ,an = 0 ,bn 当且仅当n为奇数时才不为0 ,可表示为
K
max
2 Ud bn= (-1)k cos(nθk)
∑
nπ
k= K
min
式中: Kmin = 2 ; Kmax = (nc+ 1)/2 (当i为奇数) ,(nc+ 1)/2 + 1 (当i为偶数);nc= 3 (i+ 1) ,i= 0 ,1 ,2 ,?; θk 为图4 中三角波与正弦波交点在π/2 周期内所对应的相位,它可根据实际情况进行计算,其最大值为π/2.
图5 是i为奇数时对线电压UAB 谐波分析的结果.可以看出,在三角形载波错开1/4 周期改进的SPWM 控制方式下,三电平逆变器输出的电压波形比传统的两电平逆变器的谐波分量(见图6)明显减少[5 ].
图5 用新SPWM 法时线电压谐波分量
整个系统控制采用MCS96 系列中8097BH 微处理器来实现. 控制软件由起动与电压控制两套功能构成,使三电平逆变器既能软起动,又能实现降压、稳压与恒频的组合功能. 电压控制环节有两种方案:一是实测逆变器的输出量,经坐标变换得电压空间矢量模与给定的电压幅值比较后进行控制;另一种方案是实测中间回路电压,根据数学模型算出下一时刻开关模式,经过脉冲分配与驱动电路,按要求通断三电平逆变器各主管,获得所需的输出电压.
2 实验装置与实验结果
研制的IGBT 三电平逆变器,主管采用400 A/1 200 V 等级的器件,其容量可达70～85 kW. 每相桥臂的四个主管构成模块式结构,使装置结构简单,易于装拆. 在55 kW 异步电动机与80 kW 直流发电机组上进行负载实验. 发电机负载为水电阻. 驱动电路中采用内带短路保护电路的集成驱动模块HR065. 为使结构紧凑和工作可靠,控制电路中采用逻辑单元阵列来实现复杂的逻辑功能. 有关试验中的电机电压与电流波形及主管两端VCE 开关波形如图7～9 所示. 由图9 看出,关断时主管的VCE 电压波形,其过冲峰值约100 V.
3 结论
(1) 所研制的IGB T 三电平逆变器,对DC 750 V 供电网压下运营的北京地铁原有车辆的旋转式电动
图6 三角波错开1/ 4 周期的SPWM 控制方式下电压与电流波形
图7 α= 15°单脉冲工作时的电压与电流波形and current in α= 15°method
发电机组所构成的辅助系统进行技术改造是合适的,并可加装空调以改善乘坐环境.
(2) 用已批量生产且性能稳定的1 200 V 等级IGB T 构成三电平逆变器,性能价格比较好. 三电平逆变器输出波形好、噪声低等优点也符合城市轨道车辆要求.
(3) 对DC 1 500 V 网压下,可采用电压等级1 700 V HV IGB T 器件来构成三电平逆变器,用于城市轨道车辆辅助系统.
(4) 用电压等级600 V 的IGB T 器件构成三电平逆变器可改善通用变频器的输出波形.
图8 IGBT 主管的关断波形
参考文献:
[ 1 ] 陶生桂,康劲松. 城市轨道交通电动车组电力电子器件与变流器发展[J ] . 城市轨道交通研究,1999 ,2(2) :20 -24.
[ 2 ] 陶生桂,乌正康,邵丙衡. 三点式逆变器控制[J ] . 铁道学报,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,康劲松,庄红元. 用于三点式逆变器的脉宽调制控制方法[J ] . 机车电传动,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.
