高速磁悬浮列车主牵引变流器的国产化探讨(1).pdf

1028 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 高速磁悬浮列车主牵引变流器的国产化探讨 杨 超 谢维达 陶生桂 胡 兵 同济大学铁道与城市轨道交通研究院 上海 200092 【摘 要】 本文综述了上海高速磁悬浮列车主牵引变流器的结构及其工作原理，并就 GTO 吸收保护 等问题介绍了几种不同吸收回路最后，文中根据对上海地铁一号线静止辅助逆变电源国 产化的经验，就高速磁悬浮列车主牵引变流器中的主开关器件提出了一种用 HVIGBT 代替 GTO 的国产化的构想方案，为保证磁悬浮列车安全可靠持续运行提供保障 【关键词】 磁悬浮列车 牵引变流器 三电平逆变器 GTO HVIGBT Study on Domestics of Main Traction Converter of Maglev Yang Chao Xie Weida Tao Shenggui Hu Bing Tongji University，Shanghai 200092，China Abstract：The article summarizes the structure and working principle of main traction converter of maglev in Shanghai，and introduces some different kinds of snubber circuits concerning absorption and protection of GTO. Finally，domestic development of replacing GTO with HVIGBT applied to main switching devices of main traction converter of Maglev is introduced by virtue of the experience of domestic development of Shanghai Metro Line 1. Key words：maglev；traction；converter；three-level inverter；GTO；HVIGBT 1 前 言 磁悬浮列车是一种当代陆上交通的全天候、节能型、低噪声、安全、舒适和符合环保要求的先进 的绿色运输工具，也是地面高速和超高速的理想交通工具。

磁悬浮列车的研制成功及其试运行的经验 也是二十世纪交通领域里的伟大成就之一20世纪70年代世界上已有磁悬浮列车的雏形，经过不断 改进和大量实验到20世纪末，德国和日本已开发研制成功几种代表性的磁悬浮列车：有短定子长转 子低速直线异步电动机驱动型和长定子短转子高速直线同步电动机驱动型以及常导型和超导型等磁悬 浮列车从20世纪80年代开始，我国高等院校及研究院所也开始对磁悬浮列车进行研究开发，国家 科委也于90年代将对磁悬浮列车关键技术研究列入八五攻关计划进而，西南交大、铁科院与国防科 大等单位对悬浮、导向与驱动等技术进行了成功的试验高速磁浮交通技术是科技部确定的“十五” 期间国家 863 计划重大专项之一，研究的第一阶段包括“高速磁浮交通长大干线适用性研究”和“高 速磁浮交通系统技术国产化与创新研究”两个课题由国家磁浮交通工程技术研究中心、上海磁浮交 通发展有限公司共同承担，依托上海磁浮示范运营线，与中国社科院、中科院电工所、国家发改委综 作者简介：杨超（1981—） ，男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动13818202892，E-mail： dtchaoy@ 通信作者：谢维达（1947—） ，男，教授，研究方向为轨道交通电气牵引控制与网络。

电力电子与电力传动 1029 合运输研究所、西南交通大学、国防科技大学等全国20家科研院所和高校合作完成研究成果已通过 科技部组织的验收尽管我国的磁悬浮列车技术最近几十年突飞猛进，但与国外先进水平相比还是有 不小的差距 上海市政府引进的连接地铁2号线龙阳路站和浦东国际机场的德国磁悬浮列车自2002年12月31 日成功实现单线通车试运行成功以来，已经成功运营了近6年着眼于今后的发展，在能够正常运营 的时候，就应重视与考虑磁浮列车国产化研究的问题，这对我国以最快的时间，最少的代价迅速掌握 或者部分掌握磁悬浮列车最新技术是十分重要的磁悬浮技术是一个复杂庞大的系统工程，从功能上 看，磁悬浮主要由线路、车辆、供电、运行控制系统等四个部分构成其中磁悬浮车辆牵引系统的国 产化开发和创新是一个亟须克服的技术难点，而牵引变流器是磁悬浮列车牵引系统的核心和关键 2 高速磁悬浮列车牵引变流器的结构 如图 1 所示上海磁悬浮列车主牵引变流器系统由高压变压器（110 kV/20 kV） 、输入变压器、输入 变流器、逆变器及输出变压器等主要器件构成磁悬浮列车牵引供电系统从110 kV网压经高压变压器 变为 20 kV，再经输入变压器和输入变流器变为2 500 V直流电压。

从直流环节来的直流电压，由逆 变器产生可变频率（0～300 Hz） ，可变幅值（0～24.3 kV）和可调相角（0～360）电压 图 1 高速磁悬浮列车牵引变流器的结构 Fig. 1 Structure of maglev tractor converter 磁悬浮列车牵引变流器有两种工作模式：直接输出模式和变压器输出模式当频率处于0～70HZ 时，这时主牵引变流器工作在直接输出模式下，两套三点式逆变器并联，经输出变压器的初级绕组输 出，这时输出变压器初级绕组相当于平波电抗器，起滤波作用，并消除了由两套逆变器并联带来的电 压环流影响，起到了解耦的作用当频率约为 30 Hz～300 Hz时，这时主牵引变流器工作在变压器输 出模式下，两套逆变器相串联作用于输出变压器的原边，经输出变压器升压后输出输出变压器是五 铁心柱的变压器，可避免由三次谐波引起的油箱温度的上升 3 逆变器结构图及其工作原理 3.1 逆变器的结构 上海磁浮列车主牵引逆变器一相的结构如图 2 所示其电路采用两主管串联与中点带钳位二极管 的三电平逆变器方案，可使主管耐压值降低一半，每相桥臂的四个主管有三种不同的通断组合（表 1 所示） ，主管采用GTO器件，其峰值电压V＝4.5 kV，峰值电流I＝4.3 kA。

三点式逆变器要求主管V1 与V4不能同时导通，并且V1和V3，V2和V4的控制脉冲是互反的（如表1所示） ，此外上述主管 通断转换必须遵守先断后通的原则 1030 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 图 2 磁浮列车三电平逆变器一相结构图 Fig. 2 Structure diagram of one phase of three-level inverter 表 1 主管开关状态与相输出电压 Tab.1 Phase output voltage and switching state of main device 模式 V1 V2 V3 V4 相输出电压 1 通 通 断 断 ＋Vd 2 断 通 通 断 0 3 断 断 通 通 ――Vd 3.2 GTO 驱动电路 对于大功率GTO驱动电路，首先必须解决隔离及抗干扰等问题因为大功率GTO器件，其工作 电压较高，电流较大，在大功率 GTO 变流器中，一般都存在一些干扰源，如 GTO 开通限流电抗器， 供门极驱动器工作的高频开关电源等等，这些会对GTO驱动电路产生很大的干扰上海磁浮列车主牵 引逆变器中GTO的触发脉冲信号采用光纤电缆传输，这样隔离及抗干扰的问题就迎刃而解，从而确保 了 GTO 触发脉冲的准确性，间接地保证了磁浮列车的行车安全。

另外，对于大功率GTO驱动电路， 其能否正常工作的一个关键在于电源，并且GTO门极触发脉冲的幅值要足够高，其前沿要陡，而后沿 要求平缓些，为满足此要求，在磁浮列车主牵引逆变器中GTO门极电源为45V/27A，且GTO触发脉 冲的后检信号和电压信号均被送回到控制系统中 3.3 保护方式 上海磁浮列车主牵引逆变器采用了五种保护：有制动断路器的过电压保护，过电流保护，电流限 制，脉冲中断和接地故障检测 3.4 吸收电路 如图2所示，吸收电路必须保证GTO在工作时的di/dt、du/dt不超过规定允许值，这样GTO吸收 电路必须有电感L和电容C电感L1、L2和GTO串联，用于限制GTO的di/dt二极管D11、D12、 电阻R1与电感L1构成了电感本身的能量释放回路电容C11、C12用于限制GTO的du/dt，二极管 D12、D13 构成了电容的能量释放回路上海磁浮列车主牵引变流器中电容的非集中配置能够将由于 GTO开关而产生的du/dt减到最低程度 4 GTO 吸收电路探讨 GTO吸收电路很多，最常见的有RCD吸收电路，非对称吸收电路，三角形吸收电路三种RCD 吸收电路（图3只画出了二电平逆变器的一相，其余两相相同） ，此吸收电路简单，但对主电路的布线 电力电子与电力传动 1031 要求很严格，GTO关断时关断过电压不易抑制，吸收电路无能量反馈功能，能耗较大，在500 kVA以 下的GTO逆变器中，采用此电路。

非对称吸收电路如图 4 所示，此电路简单，用的元器件少，正、负组关断吸收电路共用一个电容 Cs2，Cs1作为GTO的电压钳位电容，使得 GTO 上的关断过电压得到很好的抑制，而且此电路通过电 阻R把部分能量反馈至电网上，所以此电路的损耗远小于 RCD 吸收电路的损耗另外，采用此吸收 电路，对主电路的布线要求不那么严格，容易实现 图 3 RCD 吸收电路 图 4 非对称吸收电路 Fig 3 RCD snubber circuit Fig 4 Non-symmetry snubber circuit 三角形吸收电路如图5所示，此吸收电路相对RCD吸收 电路，增加了一个大电容Cs3，因两个关断吸收电容Cs1、 Cs2为RCD吸收电路电容值的一半，所以损耗也减小了一 半，电容Cs3起电压嵌位作用，用于抑制GTO的关断过电 压，对于1 500 kVA逆变器，此吸收电路的损耗和非对称吸收 电路的损耗大体相同吸收电路的作用直接关系到GTO的工 作情况RCD吸收电路适用于中、小功率GTO变流器，而非 对称吸收电路和三角形吸收电路则适用于大功率变流器电 路。

在应用中，应根据实际情况和实验的基础上，选用不同 的吸收电路，以保证GTO的正常工作 5 主牵引变流器主开关器件的国产化构想 在高速磁浮列车上采用由GTO器件构成的三电平（三点式）的大功率主牵引变流器，其技术也是 属于当时世界上先进水平但是随着科技进步，性能优良的新一代的电力电子器件IGBT模块迅速发 展并系列化和商品化，不断淘汰与替代老的电力电子器件最先淘汰了大功率晶体管（GTR或 BJT） ，随着IGBT阻断电压不断提高从1700V到3300V，而且模块的电流等级也从600A提高到 1 200 A，因而IGBT也开始进入到GTO的应用场合，并且于1997年下半年，一些生产GTO的外国 公司也宣布停止生产这种容量范围内的如2 500 V等级的GTO，同时高阻断电压4 500 V的GTO，如 600 A或 800 A 这种电流等级的也逐步停产，今后生产的也都是大电流等级的在引进磁悬浮高速列 车后必须考虑到由于这类规格或等级的GTO停产而造成无此类GTO备品替换损坏器件的可能性，同 时也应看到随科技的进步，新一代电力电子器件替代老的产品的必然趋势 自 2000 年以来在牵引领域应用的高压大电流IGBT模块（HVIGBT）获得迅速发展。

干线机车、 动车及城市地铁轻轨车辆的电气。