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摘要：本文介绍了地铁车辆牵引系统中的滤波装置。给出了滤波装置在牵引系统中的作用，组成结构以及工作原理，并且给出参数选择的公式。
关键词：地铁车辆；线路滤波器；牵引系统；滤波装置
中图分类号： U231 文献标识码： A
Metro vehicle traction filtering device
Chen HuiZhou Guangfu
Tianjin Metro Operation Co. Ltd.Tianjin 300380
Abstract: This article introduces the traction system of the metro vehicle filter. Give the filtering device in the traction system, structure and working principle. As well gives the parameters of the formula.
Keywords: metro traction system; line filter; filter
引言
地铁车辆在运行中频繁的启动、加速﹑惰性﹑制动等工况间转换，这将导致牵引负荷在时间上出现不均衡的特性，会引起一定的电压波动，在节假日等会表现出较大的电压偏差。另一方面，由于牵引电动机，变频器等负载设备的投入会产生大量的谐波电流这些都会对电网的电能质量造成影响。可以说地铁电网中的谐波和低功率因数问题，根源在于车辆本身。因此解决上述问题可以采取在电力机车内部装设补偿和滤波装置，采用多桥段顺序控制，或采用PWM变流器等方式。本文将介绍地铁车辆的牵引系统滤波装置。
1 滤波装置组成与结构
车辆滤波装置主要包括：线路滤波电抗器，滤波电容器。地铁城市轨道交通车辆的供电系统通常是从直流供电网中获取直流电压，通常电网直流电压经过牵引逆变器VVVF和辅助逆变器SIV交换输出不同的电压值，给列车上的设备供电。其中线路（滤波）电抗器和滤波电容器，使系统稳定并将直流侧电容电压波动限制在允许范围内，同时，滤除高次谐波，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换流的要求等。
1.1 线路滤波电抗器总体结构
地铁车辆牵引回路与主电路都有线路滤波电抗器，但由于牵引回路电流大，滤波电抗器的容量大，因此在动车车底具有专门的滤波电抗器箱。其位置在受流器之后，主逆变器之前。地铁车辆具有起动、制动频繁，牵引侧主电路直流侧电流会出现较大的峰值。而空心滤波电抗器具有容量大，重量轻的优点。加上空心电抗器电感值线性好，故障率低，无维护，长寿命，性能可靠的优点，成为目前交流传动地铁车辆的首选产品。
滤波电抗器由线圈、左右支架、外罩、端子箱组成。线圈绕阻为圆柱筒式结构，线圈从头至尾连续绕制，没有接头存在。线圈采用双股铝扁线，外包绝缘层连续绕制而成。左右支架为钢板成型焊接而成，线圈绕制组装完成后进行真空压力浸漆。
电感量的计算公式如下所示：
1.2 线路滤波电容器
线路滤波电容又叫支撑电容器。其主要作用是稳定中间直流电压,提供瞬时能量交换与电源及负载交换无功,对于IGBT( IPM)牵引变流器,支撑电容器通过低感母排与IGBT ( IPM)并联,还可省掉元件两端的过电压吸收电路,使电路更加简洁。另外线路电容器还被称作“直流脉冲电容器”，因为它具有能够承受很大的谐波电流的性质。
滤波电容器是一种可以起到缓冲能量的装置，它能起到滤除直流电路电压波动，保持线路电流稳定以及对电动机电流都是很有必要的。城市轨道车辆上电容器材质为金属化薄膜电容器，金属化薄膜电容器是利用聚酯薄膜或聚丙烯薄膜作为介质，锌铝合金通过真空蒸镀方式将其附着在薄膜表面，形成电极。通过无感无极卷绕或叠片方式形成电容器。金 属 化 薄 膜 电容器特点为耐 压 高，绝 缘 电 阻值高，阻 抗 频 率 特性较好（寄 生 电感较小）等效串联电阻较低(Equivalent Series Resistance)，高容量稳定性，低损耗角正切等特点。在大 功 率牵 引 变 流 器中，对于主电路滤波电容的使用年限、可 靠 性、寄 生 电 感、容 量、体 积、重 量等方面都有比较强的设计规定。在我国通 过 与国内一些相关企业的联合研究，成功的研制除了高耐压大容量的电 力 电子 电 容 器，该电容采用的薄膜为自 愈 式 安 全 膜。该电容器能够在某个元件出现某种击穿时，防止电容器出现短路从而造成损毁，提高了电容模块的可靠性。电容器的冷却介质为硅油，其优点是不易燃烧。
电容器电容量计算公式如下：
2 滤波器的工作原理与参数选择
城市轨道列车牵引系统直流环节中，滤波电抗器与滤波电容器共同组成了主电路滤波器。中学物理知识中就有介绍，电容器具有“通交流，阻直流”的作用，电抗器具有“通直流，阻交流”的作用。线路中如果把伴有许多干扰信号的直流电通过主电路滤波器时，那么较低频的交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉，变为比较纯净的直流电。这些电流流过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以滤掉较高频率的干扰信号。因此，主电路滤波器可以减弱电网电压波动对逆变器的影响，同时限制负载谐波电流向电网的流动，降低谐波电流对电子仪器的干扰。在出现短路时可以限制电流的上升速度，但是如果滤波参数值选择不合理很容易造成线路电流谐振，产生较大的脉动电流。谐振电路的谐振频率可以通过以下公式求得：
城市轨道车辆主要采用大功率变频器对电机进行调速，车辆主电路中电机与变流器属于非线性元件从而造成直流环节电流的波动，因此负载侧谐波电流的影响是选择主电路滤波参数需要考虑的主要因素。滤波线路设计时还需注意电感与电容构成一个谐振电路，在确定这两个参数时，必须验算他们的谐振频率，要求谐振频率与信号系统的调制频率有一定的差值，从而避免造成对信号系统的影响。
滤波器的参数选则，可根据文献【1】得出：
总结
地鐵车辆电力牵引系统，主要组成包括受流器、线路滤波器、变频器、牵引电动机等部分，是一个复杂的，大型的系统，是地铁主要用电部分。线路滤波器具有：消去输入电压尖峰，使输入电压平滑；抑制电网侧发生的过电压对逆变器的影响；抑制逆变器因环流引起的尖峰过电压；抑制负载侧产生的谐波电流对电网的影响四个方面的作用，对牵引系统的电流、电压的稳定具有关系重大。本文对地铁主电路牵引系统滤波器结构与组成做了介绍，并介绍了滤波器的工作原理给出了滤波器参数选择的计算公式。
参考文献：
[1] 陈辉 刘文生 项伯阳 王翀. 城市轨道车辆主电路滤波器参数选择的探索。变频器世界，2013,6
[2] 吴茂杉．国内城轨车辆电传动系统主要问题分析[J]．变流技术与电力牵引，2007，1(1)：44-47
[3] 林渭勋．现代电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2005：4．7-12.
作者简介：
陈辉（1987-11），男，籍贯山东。
关键词：地铁车辆；线路滤波器；牵引系统；滤波装置
中图分类号： U231 文献标识码： A
Metro vehicle traction filtering device
Chen HuiZhou Guangfu
Tianjin Metro Operation Co. Ltd.Tianjin 300380
Abstract: This article introduces the traction system of the metro vehicle filter. Give the filtering device in the traction system, structure and working principle. As well gives the parameters of the formula.
Keywords: metro traction system; line filter; filter
引言
地铁车辆在运行中频繁的启动、加速﹑惰性﹑制动等工况间转换，这将导致牵引负荷在时间上出现不均衡的特性，会引起一定的电压波动，在节假日等会表现出较大的电压偏差。另一方面，由于牵引电动机，变频器等负载设备的投入会产生大量的谐波电流这些都会对电网的电能质量造成影响。可以说地铁电网中的谐波和低功率因数问题，根源在于车辆本身。因此解决上述问题可以采取在电力机车内部装设补偿和滤波装置，采用多桥段顺序控制，或采用PWM变流器等方式。本文将介绍地铁车辆的牵引系统滤波装置。
1 滤波装置组成与结构
车辆滤波装置主要包括：线路滤波电抗器，滤波电容器。地铁城市轨道交通车辆的供电系统通常是从直流供电网中获取直流电压，通常电网直流电压经过牵引逆变器VVVF和辅助逆变器SIV交换输出不同的电压值，给列车上的设备供电。其中线路（滤波）电抗器和滤波电容器，使系统稳定并将直流侧电容电压波动限制在允许范围内，同时，滤除高次谐波，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换流的要求等。
1.1 线路滤波电抗器总体结构
地铁车辆牵引回路与主电路都有线路滤波电抗器，但由于牵引回路电流大，滤波电抗器的容量大，因此在动车车底具有专门的滤波电抗器箱。其位置在受流器之后，主逆变器之前。地铁车辆具有起动、制动频繁，牵引侧主电路直流侧电流会出现较大的峰值。而空心滤波电抗器具有容量大，重量轻的优点。加上空心电抗器电感值线性好，故障率低，无维护，长寿命，性能可靠的优点，成为目前交流传动地铁车辆的首选产品。
滤波电抗器由线圈、左右支架、外罩、端子箱组成。线圈绕阻为圆柱筒式结构，线圈从头至尾连续绕制，没有接头存在。线圈采用双股铝扁线，外包绝缘层连续绕制而成。左右支架为钢板成型焊接而成，线圈绕制组装完成后进行真空压力浸漆。
电感量的计算公式如下所示：
1.2 线路滤波电容器
线路滤波电容又叫支撑电容器。其主要作用是稳定中间直流电压,提供瞬时能量交换与电源及负载交换无功,对于IGBT( IPM)牵引变流器,支撑电容器通过低感母排与IGBT ( IPM)并联,还可省掉元件两端的过电压吸收电路,使电路更加简洁。另外线路电容器还被称作“直流脉冲电容器”，因为它具有能够承受很大的谐波电流的性质。
滤波电容器是一种可以起到缓冲能量的装置，它能起到滤除直流电路电压波动，保持线路电流稳定以及对电动机电流都是很有必要的。城市轨道车辆上电容器材质为金属化薄膜电容器，金属化薄膜电容器是利用聚酯薄膜或聚丙烯薄膜作为介质，锌铝合金通过真空蒸镀方式将其附着在薄膜表面，形成电极。通过无感无极卷绕或叠片方式形成电容器。金 属 化 薄 膜 电容器特点为耐 压 高，绝 缘 电 阻值高，阻 抗 频 率 特性较好（寄 生 电感较小）等效串联电阻较低(Equivalent Series Resistance)，高容量稳定性，低损耗角正切等特点。在大 功 率牵 引 变 流 器中，对于主电路滤波电容的使用年限、可 靠 性、寄 生 电 感、容 量、体 积、重 量等方面都有比较强的设计规定。在我国通 过 与国内一些相关企业的联合研究，成功的研制除了高耐压大容量的电 力 电子 电 容 器，该电容采用的薄膜为自 愈 式 安 全 膜。该电容器能够在某个元件出现某种击穿时，防止电容器出现短路从而造成损毁，提高了电容模块的可靠性。电容器的冷却介质为硅油，其优点是不易燃烧。
电容器电容量计算公式如下：
2 滤波器的工作原理与参数选择
城市轨道列车牵引系统直流环节中，滤波电抗器与滤波电容器共同组成了主电路滤波器。中学物理知识中就有介绍，电容器具有“通交流，阻直流”的作用，电抗器具有“通直流，阻交流”的作用。线路中如果把伴有许多干扰信号的直流电通过主电路滤波器时，那么较低频的交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉，变为比较纯净的直流电。这些电流流过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以滤掉较高频率的干扰信号。因此，主电路滤波器可以减弱电网电压波动对逆变器的影响，同时限制负载谐波电流向电网的流动，降低谐波电流对电子仪器的干扰。在出现短路时可以限制电流的上升速度，但是如果滤波参数值选择不合理很容易造成线路电流谐振，产生较大的脉动电流。谐振电路的谐振频率可以通过以下公式求得：
城市轨道车辆主要采用大功率变频器对电机进行调速，车辆主电路中电机与变流器属于非线性元件从而造成直流环节电流的波动，因此负载侧谐波电流的影响是选择主电路滤波参数需要考虑的主要因素。滤波线路设计时还需注意电感与电容构成一个谐振电路，在确定这两个参数时，必须验算他们的谐振频率，要求谐振频率与信号系统的调制频率有一定的差值，从而避免造成对信号系统的影响。
滤波器的参数选则，可根据文献【1】得出：
总结
地鐵车辆电力牵引系统，主要组成包括受流器、线路滤波器、变频器、牵引电动机等部分，是一个复杂的，大型的系统，是地铁主要用电部分。线路滤波器具有：消去输入电压尖峰，使输入电压平滑；抑制电网侧发生的过电压对逆变器的影响；抑制逆变器因环流引起的尖峰过电压；抑制负载侧产生的谐波电流对电网的影响四个方面的作用，对牵引系统的电流、电压的稳定具有关系重大。本文对地铁主电路牵引系统滤波器结构与组成做了介绍，并介绍了滤波器的工作原理给出了滤波器参数选择的计算公式。
参考文献：
[1] 陈辉 刘文生 项伯阳 王翀. 城市轨道车辆主电路滤波器参数选择的探索。变频器世界，2013,6
[2] 吴茂杉．国内城轨车辆电传动系统主要问题分析[J]．变流技术与电力牵引，2007，1(1)：44-47
[3] 林渭勋．现代电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2005：4．7-12.
作者简介：
陈辉（1987-11），男，籍贯山东。