1 引言
近年来，随着我国城市人口的膨胀、国民经济的发展和环保节能理念的推进，轨道交通升温已成为不争的事实。轨道车辆按照其供给电压有DC750V、DC1500V、AC25000V等等。在电力电子技术和微电子技术的强力支持下，交流传动系统以其固有的优越性，在轨道牵引领域、尤其是在地铁等原来由直流电网供电的电动车组中的应用得到迅猛发展。本文以阿尔斯通公司的车辆为例，介绍用于地铁、轻轨等的DC1500V供电的中压牵引变频器。
2 系统构成
阿尔斯通ONIXTM驱动系统是一种标准化的驱动产品，主要包括ONIXTM IGBT变频器、AGATE控制电子装置和ONIXTM牵引电动机。如运行于上海明珠线的是阿尔斯通MetropolisTM列车。列车采用4动2拖编组方式，每辆动车装备一套牵引变频器。包括ONIXTM1500逆变器模块、ONIXTM交流电机和AGATE控制电子装置。系统结构如图1所示。
高压供电开关(HVSS):
三档位置:位置P—牵引变频器由接触网供电;
位置E—牵引变频器完全接地;
位置W—辅助变流器由车间电源供电。
高速断路器(HSCB):故障情况下，将牵引变频器与供电电源快速隔离。断开速度约15ms。断开可以由控制回路控制或当电流超过设定值时自动跳闸。当AGATE Control检测到HSCB断开时，它将断开LC和CCC，并且触发撬棒回路使滤波器放电。
●进线电抗器(LFL):与充电电容器组成一个低通滤波器，减少电流谐波，减小供电电压波动对变频器的影响。
● 电容充电接触器(CCC):对滤波电容软充电，防止大电流冲击;当滤波电压达到950V时，LC闭合，CCC断开。
●电容充电电阻(CCZ):对滤波电容软充电，防止大电流冲击;当HVSS置于接地位置时，用于对电容器放电。
●进线接触器(LC):对滤波电容软充电，防止大电流冲击;当滤波电压达到950V时，LC闭合;当牵引变频器故障时断开。
●硬撬棒回路晶闸管(TH1):对电容器快速放电;瞬间过压时对IGBT和滤波电容提供保护;当滤波电压超过2500V时，导通保护。
●高频滤波电容(HFK):减少高频电磁干扰;为高频交流电流提供一个低阻抗回路。
图1 ONIXTM系统结构图
2.1 ONIXTM牵引变频器的优点
较高的开关频率。使交流波形平滑，降低谐波电流，减少体积及重量;更好的电机波形;降低电机损耗;更易于与信号系统兼容。
●简化了功率电路。减少了器件数量，降低了成本;增加了可靠性;易于维护。
● 简化了驱动电路，易于控制。
●无需吸收回路。
●易于安装在散热器上。IGBT器件包含内部绝缘介质;散热器直接接地，对冷却空气无过滤要求;每一个IGBT器件直接安装于散热器上;器件易于替换，无需特殊工具和方法。
●节约能量。ONIX牵引所产生的近乎完美的正弦波电流输出减少了电机热量，通过改进的叠片封装提供了优良的磁性能，降低了涡流损耗。
2.2 驱动控制装置—AGATE Control
AGATE Control是一种先进的电子控制装置，专门用于控制四象限变流器及电压源变频器。大规模集成电路和双32位微处理器的使用使ALSTOM牵引变频器在可靠性及性能方面获得改进。处理器提供信号处理、快速计算和功率监视功能。其中，Intel i960CA微处理器用于总体监控，Texas IMS320C31信号处理器用于快速计算和精确的功率控制。如图2所示。
图2 AGATE结构框图
主要控制功能:异步电机的实施牵引及制动控制，采用了专利的矢量控制算法;先进的防空转、防滑行控制;用于电力电子控制的信号监测。
通讯功能:通过与Windows相兼容软件实现友好的用户界面;通过用于增强监视能力的各种网络与所有的AGATE产品通讯;在同功率车辆之间或不同功率车辆之间进行通讯。
维护功能:用于诊断和参数设置的人机界面;高等级的自测能力;使用微机与之通讯，下载事件及错误记录及以前的维护数据。
2.3 牵引系统控制策略
由电压源变频器供电电机运行在脉宽调制模式(PWM)，PWM使它可能施加一个平衡的三相电压给电机，其幅值和频率可调。如图3所示。
图3 逆变控制框图
使用专利技术的矢量控制策略，输出力矩常接近力矩指令，且改进了低速运行性能。速度在10公里/小时以上力矩精度为±5%。在10公里/小时以下力矩精度为±10%。这些精度是假设所有相互之间轮径差在1%(即8mm)以内。
带有电机电流最佳控制的矢量控制给出了快速磁通和力矩响应(对非激励电机<1秒)，矢量控制使力能能够跟随逆变器短时关断时重新建立。无需等待电机磁通消失，这是因为逆变器是按电机反电势调节输出电压的。力矩控制用宽通带(0至36Hz)调节器完成磁通建立，而不管电机的旋转速度。力矩由电流环控制，减少当电源系统不规则时用常规控制技术可能发生的过流可能性。矢量控制原理如图4所示。
2.4 控制参数的测量
电机并联连接的策略基于:
在逆变器输出端公用的电流和电压测量取代电机各自的测量;对每个电机单独进行速度测量;在说明的容差范围内，总的力矩调节与轮径差无关;设计电机参数时，允许1%轮径差，通过对所引起的电机电流差等补偿来实现的。
矢量控制在测量方面对电机而言本质上是外部的，它不要求测量电机内部，如电机定子和转子的温度测量、电机内部的磁通测量。
关于加速度变化率/负载补偿:主令控制器产生的牵引力(或制动力)指令连接到AGATE单元并由其分析。为了控制车辆加速度，按照车辆重量作出校正。车辆载重量是由控制单元使用来自转向架上的传感器上的信号进行计算的。在电动或制动时，产生一个加/减速度变化率限止指令，内部保证车辆的平滑行驶。
2.5 ONIX交流牵引电机
ALSTOM研制的独特的轻质、紧凑的、型号为4LCA2138的交流牵引电机为全封闭结构，其特点是:
●高可靠性。200级绝缘系统及真空加压浸渍技术为定子绕组提供了高等级温升裕量，这意味着功率的提高及体积和重量的降低。
● 低维护性。转子和定子绕组与外部完全隔离，无需定期拆卸清洁。
●低噪音。特别设计的冷却风扇使噪音降低至IEC 60349-2标准。
3 主要性能
3.1 变频器的额定参数
额定工作电压: 1500V
最大工作电压: 1800V
最小工作电压: 1000V
持续有效输出功率: 800kW
峰值输出视在功率: 1850kVA
持续线电流有效值: 520A
IGBT开关频率: 600Hz(最大值)
逆变器输出频率: 106Hz(额定值)
逆变器IGBT器件额定值: 3300V，1200A
图4 矢量控制原理图
3.2 列车性能
上海明珠线地铁车辆采用四动两拖六节编组，每个动车装配一个ONIX1500牵引变频器，驱动四个并联的ONIX交流牵引电机，变频器强迫风冷，采用再生和电阻混合制动方式，当架空电网不能接受再生能量时，进行全功率电阻制动。列车主要数据如下:
最大运营速度: 80km/h
最大设计速度: 90km/h
最大瞬间加速度: 0.9m/s2
最大运营减速度: 1.0 m/s2
冲击限制: 0.7-1.0 m/s3
额定工作电压: 1500V
最大牵引力: 21.3kN/电机
牵引转矩: 1273Nm/电机
最大制动力: 23.5kN/电机
制动转矩: 1322kN/电机
3.3 性能曲线
图5和图6分别为驱动和制动特性曲线。
图5 驱动特性曲线
图6 制动特性曲线
采用矢量控制的IGBT的变频器和交流异步牵引电动机，配以完善的监控和自诊断系统，是我国地铁、轻轨等车辆开发、制造和使用交流传动系统的正确方向。发达国家在电动机车组中应用交流传动技术已进入实用化阶段。这是轨道牵引技术的革命，它结束了直流传动的统治，具有划时代的意义。