地铁车辆应急通风逆变器的设计_纪志坡
第２９卷第６期２００６年１１月２０日
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电力机车与城轨车辆
ＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｉｔＶｅｈｉｃｌｅｓ
Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０ｔｈ，２００６
研究开发
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地铁车辆应急通风逆变器的设计
纪志坡１，杨丹燕２，刘志刚１
（１．北京交通大学电气工程学院，北京摘
１０００４４；２．长春轨道客车股份有限公司，吉林长春
１３００６２）
介绍地铁车辆应急通风逆变器的工作原理、检测电路的硬件设计及其逆变模块ＳＶＰＷＭ的实现方法，提供了要：
相关的软件流程图，并通过实验验证了该逆变器完全能满足地铁列车的应用要求。
关键词：ＩＰＭ；逆变器；传感器；空间矢量中图分类号：Ｕ２７０．３８＋３
文献标识码：Ａ
（２００６）０６－００２９－０３文章编号：１６７２－１１８７
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｅｍｅｒｇｅｎｃｙｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｍｅｔｒｏｖｅｈｉｃｌｅ
ＪＩＺｈｉ－ｐｏ１，ＹＡＮＧＤａｎ－ｙａｎ２，ＬＩＵＺｈｉ－ｇａｎｇ１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＲａｉｌｗａｙＶｅｈｉｃｌｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｔｓｄｅｔｅｃｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇＳＶＰＷＭ，ａｎｄｓｏｆｔｆｌｏｗｃｈａｒｔｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｉｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｍｅｔｒｏｔｒａｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｅｎｓｏｒ；ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒ
０引言
在地铁车辆内设置一套合理的空调、采
暖、通风系统是提高乘坐舒适性必不可少的。这套系统从空气的温度、湿度、洁净度以及气流速度等方面对室内空气品质进行控制，从而满足空气舒适性的要求。列车正常运行时，车厢内通风换气系统可满足以上要求；但当交流动力电源失效时，空调系统应自动转入
应急通风状态，应急通风使用空调蒸发风机，由蓄电池提供１１０Ｖ电源通过应急逆变器给风机供电，向车内送入新风，以保障乘客的健康和安全。本文介绍了应急通风逆变器的工作原理、检测电路的硬件设计，以及逆变模块按此方案设计的应急通风逆变器目ＳＶＰＷＭ的实现方法。
前已成功用于伊朗北延线车辆及天津地铁车辆上。
电压可能会波动，但其波动电压不会超过１０Ｖ）。由于蓄电池的输出电压在某一个范围变动（ＤＣ７７～１３７Ｖ），所以该部分电路中的输入传感器ＬＥＭ主要功能是检测其电压的大小以实现输出４００Ｖ恒压（可根据Ｂｏｏｓｔ的原理计算脉宽）。ＩＰＭ逆变电路是将４００Ｖ的直流电压逆变成线电压为２６６Ｖ、频率为３５Ｈｚ的三相正弦电压，输出电压谐波含量＜２％，驱动风机负载。
图１
应急逆变器原理图
１工作原理
该应急逆变器的主电路主要由Ｂｏｏｓｔ升压和ＩＰＭ逆
２检测电路的设计
电流传感器ＬＥＭ２检测Ｂｏｏｓｔ的输入电流，主要是防
变两部分组成，如图１所示。其原理是Ｂｏｏｓｔ电路将
２．１直流输入电流检测
１１０Ｖ直流电压升高至４００Ｖ（由于调节参数的问题，该
收稿日期：２００６－０６－０２
作者简介：纪志坡（１９７７－），男，电力电子与电力传动专业在读硕士研究生，现从事低地板轻轨车辆辅助电源系统的研究。
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电力机车与城轨车辆・２００６年第６期
止输入电流过流，并对逆变器起到保护作用。其硬件电路如图２所示。电流信号由ＯＵＴ１引入控制板，输入后通过
电压Ｕ＝（１３５×２．５）／８５＝３．９７Ｖ）。该电压信号与恒定电压（假设为４Ｖ）进行比较，输出信号为ＯＴ，进入ＧＡＬ的输入口以便进行逻辑控制。
Ｒ１转换为电压信号，经过Ｒ２，Ｃ１低通滤波后，输入到由（该电路设ＯＰ２７组成的电压跟随器后，再与一恒定电压
定４Ｖ）进行比较（ＬＭ１９３完成比较使输出电平翻转），输（通用阵列逻辑）的输出为ＯＩ１，最后，信号ＯＩ１进入ＧＡＬ入口进行逻辑控制。
３ＩＰＭ模块ＳＶＰＷＭ的实现
该逆变器是一个六单元智能功率模块ＩＰＭ，它是先进
的混合集成功率器件，由高速低耗的ＩＧＢＴ芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。并且由于ＩＰＭ集成了过热和该模欠压锁定保护电路，系统的可靠性得以进一步提高。块的工作原理是通过ＳＶＰＷＭ控制方式把ＤＣ４００Ｖ电压频率逆变成三相交流电，再通过滤波器滤波生成２６６Ｖ、为３５Ｈｚ的三相正弦电压。
图２电流检测电路图
２．２直流电压检测
该接口由Ｂｏｏｓｔ的输入电压和输出电压检测组成，如图３所示。
３．１ＳＶＰＷＭ的原理
典型的三相电压源逆变器的结构如图５所示，三相桥式电路按一定的规律控制３对桥臂开关管的通和断，从而将直流侧电压Ｕｄｃ变换为三相正弦电压Ｕａ，Ｕｂ和Ｕｃ。即当逆变桥上半部分的一个开关管开通时（ａ，ｂ或ｃ为（ａ＇，ｂ＇或ｃ＇为０）。１），其下半部分相对的开关管关闭
图３输入电压检测电路图
图５
三相电压源逆变器结构
电压传感器的电流输出信号由ＯＵＴ２引入控制板，该电流转换为电压信号后，经过ＲＣ低通滤波后，输入到由
ＯＰ２７组成的电压跟随器，再经过二次滤波，最后由ＬＭ１５８进过一系列变化后输出ＡＤＩ１２直接进入ＤＳＰ的ＡＤ输入口进行ＡＤ采样，其功能是对输出进行恒压控制。输出电压检测接口为ＯＵＴ３，其处理过程与ＯＵＴ２一样，输出ＡＤＩ４进入ＤＳＰ的ＡＤ输入口进行ＡＤ采样，其功能是：配合输入电压的检测信号对脉宽进行校正；防止该输出电压过压，对逆变器进行保护。
线电压矢量与相电压矢量之间的关系如下：
!
" " " " " " " " #
ＵａｂＵｃａ
Ｕｂｃ＝Ｕｄｃ０１－１
－１０
１
$%%%%%%%%&! " " " " " " " " #
１－１０
$! %" %" %" %" %" %" %" %" &#
ａｂｃ$%%%%%%%%&
（１）
在（α，β）坐标系中可变换为：
’ＵαＵβ
＝２
０
２．３温度检测
ＡＤ５９０是两端电子集成的温度传感器件，可以输出与温度成正比的电流信号，如图４所示。
! " " " " " " " " " #
１
－１－１－$! %" %" %" %" %" %" %" %" %&#
ＵａＵｂＵｃ$%%%%%%%%&
（２）
由于逆变桥中，开关管的开关状态的组合一共有８个，则对应开关变量矢量［ａ，ｂ，ｃ］Ｔ在（α，β）坐标系中Ｕα，
Ｕβ也只有有限种组合。
实现实时产生空间向量对称ＰＷＭ控制方法的关键在于如何实时控制电压矢量的大小、方位以及作用时间，图６是基本的空间矢量以及合成矢量的示意图。
在一个ＰＷＭ周期中，根据给定向量Ｕｏｕｔ所处的扇区
图４
温度检测电路图
的两相邻向量，使其合成向量与Ｕｏｕｔ相等的方法算出这两个向量分别应持续的时间。假定Ｕｏｕｔ处于１扇区中，定义Ｔ１，Ｔ２和Ｔ０分别为向量Ｕ０，Ｕ６０，Ｏ０（或Ｕ１１１）的持续作用时间，Ｔ为载波ＰＷＭ的周期，则有以下关系：
*
, , , +, , , -
Ｔ１为温度传感器输出信号接口，输入的是一个负信号，因此它与＋１５Ｖ组成的电路相当于两信号相减。通过电位器ＲＰ１可调节ＯＰ２７的输出端（考虑有－５５℃的绝对温度，假设温度为３０℃（８５Ｋ），调节该输出电压为（１３５Ｋ）时，输出２．５Ｖ，那么可大约计算出当温度为８０℃
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Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ０
ＴＴＵｏｕｔ＝１Ｕ０＋２Ｕ６０
（３）
纪志坡等・地铁车辆应急通风逆变器的设计・２００６年第６期
图６扇区和波形ＳＶＰＷＭ向量、
由上式可得：
!
#####" #####$
Ｕｑ＝Ｔ２Ｕ６０ｓｉｎ６０°
Ｕｄ＝ＴＵ０＋ＴＵ６０ｃｏｓ６０°
（４）
如果取相对于最大的相电压Ｕｄｃ／%的标幺值，则空间矢量的幅值变成２／%，所以有：
图７
主程序和Ｔ１中断子程序流程图
ｔ１＝Ｔ１＝１%Ｕｄ－Ｕｑ）ｔ２＝Ｔ＝Ｕｑ
（５）
，β轴的分量Ｕｑ如果已知参考电压矢量Ｕｏｕｔ或其在α
和Ｕｄ，就可以根据上面的推导计算出与Ｕｏｕｔ对应的两个基本空间矢量的作用时间相对于ＳＶＰＷＭ调制周期Ｔ的比例ｔ１，ｔ２。就可以确定空间矢量的作用时间Ｔ１，Ｔ２，再加上一些简单的推导，就可以利用ＤＳＰ很方便的实现空间矢量脉宽调制算法了。
图８
输入电压为１２７Ｖ时电压波形
３．２ＳＶＰＷＭ的软件实现
应急通风逆变器以ＤＳＰ为控制核心，其控制功能包括Ｂｏｏｓｔ升压的实现、ＩＰＭ逆变器ＳＶＰＷＭ的实现以及控制整个系统的能量走向。该系统的控制程序用Ｃ语言实电机低压现，其整个程序分为：主程序、Ｔ１中断子程序、补偿子程序、正弦查表子程序、直流电压检测子程序、电压调节和过欠压保护子程序、过温保护子程序。下面列出主程序和Ｔ１中断子程序流程图，如图７所示。
图９
输入电压为９０Ｖ时电压波形
５结论
应急通风逆变器允许直流输入电压在７７～１３７Ｖ范
４实验
对应急通风逆变器进行实验考核，其实验条件为：环
围内变化，直流侧电压随着负载及输出电流的变化而改变，因此为了保持输出基波电压为一预设值，必须加上一个电压调节电路或机制。为了保证在一定的输出频率范围内逆变器的输出电压与风机要求的Ｕ／Ｆ曲线保持一致，保证整机效率和风机的输出转矩。逆变器采用
境温度＋３０℃；输入直流电压范围为７７～１３７Ｖ；逆变器输出接两个额定功率为２．３ｋＷ的三相异步电动机。其试验波形如图８，图９所示（输出正弦波形是经过滤波器滤波后所测的电压波形）。实验表明在直流输入电压变化的情况下，输出电压基本保持恒定。
ＳＶＰＷＭ调制技术使输出电压和风机线圈电流中的谐波通过实含量更少，有利于提高直流供电电源的利用效率。
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第２９卷第６期２００６年１１月２０日
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电力机车与城轨车辆
ＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｉｔＶｅｈｉｃｌｅｓ
Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０ｔｈ，２００６
制造技术
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Ｏ′ＺＢＥＫＩＳＴＯＮ型机车轮芯低温材料的
试验开发
龙喜宝
（中国南车集团株洲电力机车有限公司，湖南株洲４１２００１）
摘
针对Ｏ′要：ＺＢＥＫＩＳＴＯＮ型机车车轮轮芯低温性能的要求，对比分析了几种相关材料的机械性能，并通过试验选
取ＺＧ２０ＳｉＭｎ作为机车车轮轮芯的设计材料。
电力机车；轮芯；低温材料；试验；选用关键词：
中图分类号：Ｕ２７０．４文献标识码：Ａ（２００６）０６－００３２－０２文章编号：１６７２－１１８７
Ｓｔｕｄｙｏｆｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｗｈｅｅｌｃｅｎｔｅｒｏｆｔｙｐｅＯ′ＺＢＥＫＩＳＴＯＮｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ
ＬＯＮＧＸｉ－ｂａｏ
（ＣＳＲＺｈｕｚｈｏｕＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｏｍｅｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｍａｔｅｒｉａｌｕｓｅｄｆｏｒｔｙｐｅＯ＇ＺＢＥＫＩＳＴＯＮｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｗｈｅｅｌｃｅｎｔｅｒ．ＢｙｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅＺＧ２０ＳｉＭｎｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｂｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｗｈｅｅｌｃｅｎｔｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ；ｗｈｅｅｌｃｅｎｔｅｒ；ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｔｅｓｔ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ
０引言
中国南车集团株洲电力机车有限公司为乌兹别克斯
准规定的要求。
１低温对碳钢机械性能的影响
目前我国机车车轮轮芯材料一般为碳钢。而具有体
坦生产的Ｏ′ＺＢＥＫＩＳＴＯＮ型机车要求能适应低温运行，需符合俄罗斯标准ГОСТ４４９１－１９８６《轨距１５２０铁路活动车辆用的轮芯一般技术条件》的规定，其轮芯在
心立方晶体结构的碳钢，随着温度的下降，会有脆性断裂的倾向，即在低温下无明显塑性变形而产生脆性断裂突变现象的倾向。脆性断裂倾向经常是突然发生，迅速扩展，常常使机械结构件产生破坏性损坏。金属材料的低温冲击值在很大程度上反映了材料抵抗冷脆倾向的能力。车轮轮芯是机车安全运行的重要零件，对于在低温下长期受冲击载荷作用的车轮轮芯，提高其低温冲击性能对
－６０℃低温下的冲击值ＡＫＶ要求达到２４．５Ｊ。而我国现有机车轮芯材料为ＺＧ２３０－４５０，没有低温性能的要求，且这种材料不属于低温材料的范畴，不能满足低温运行环境的要求。因此必须对机车轮芯材料及热处理状态进行分析研究，进行冲击性能试验，以确定其能否满足俄罗斯标
收稿日期：２００６－０８－１５
作者简介：龙喜宝（１９６５－），男，高级工程师，１９８７年毕业于长沙铁道学院（现中南大学）内燃机车专业，长期从事轨道车辆的制造工艺研究工作。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
际的运行检验，显示了良好的性能。
［３］刘和平，王维俊．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰＣ语言开发应用［Ｍ］．北京：北
京航空航天大学出版社，２００３．
参考文献：
［１］王聪．软开关功率变换器及其应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１．［２］ＲａｓｈｉｄＭＨ．电力电子技术手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．
［４］许强，贾正春．空间矢量ＰＷＭ的快速算法［Ｊ］．电力电子技术，２０００
（３）．
［５］张纯江，漆汉宏．空间矢量ＰＷＭ与正弦ＰＷＭ的比较研究［Ｊ］．信息
技术，２０００（５）．
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