軌道車輛牽引逆變器的最優(yōu)化設(shè)計

陳林，王衛(wèi)安

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

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軌道車輛牽引逆變器的最優(yōu)化設(shè)計

陳林1，王衛(wèi)安2

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

摘要：本文從實際情況出發(fā)簡單分析了三種拓撲結(jié)構(gòu)的車輛牽引逆變器的主電路，提出牽引逆變器最優(yōu)化設(shè)計思想。從電路拓撲結(jié)構(gòu)、參數(shù)和散熱系統(tǒng)3個方面選擇出一套適用于牽引逆變器實際工況下的最優(yōu)化設(shè)計。采用最優(yōu)化設(shè)計的逆變器無論在容量、重量、效率等方面均能很好滿足不同的實際情況。最優(yōu)化方案的提出為牽引逆變器的設(shè)計提供了有效的參考。

關(guān)鍵詞：電力電子；逆變器；電路拓撲；散熱系統(tǒng)；最優(yōu)化設(shè)計；軌道交通車輛

0　引言

牽引逆變器作為地鐵車輛的核心部件，在整個地鐵系統(tǒng)中承擔著能量轉(zhuǎn)換和傳遞，它的性能好壞直接關(guān)系到車輛運行中的安全、節(jié)能和效率［1］。本文結(jié)合國內(nèi)外在地鐵類車輛逆變器設(shè)計中的主要研究思路和實際工況提出了最優(yōu)化設(shè)計，主要包括電路拓撲、參數(shù)和散熱系統(tǒng)3個部分，詳細地分析了三種拓撲的實際工作原理和應(yīng)用，為今后其它人員進一步研究提供了有價值的數(shù)據(jù)。

1　電路拓撲

逆變器的任務(wù)是將直流電壓轉(zhuǎn)換成負載電機所需的三相交流電壓向電機供電，其輸出方式既可以選擇變壓變頻（VVVF）方式，也可以選擇恒壓恒頻（CVCF）方式，以滿足不同負載的需要。

現(xiàn)代逆變器的特點是采用IGBT及無吸收電路。逆變器過去采用的功率器件有晶閘管、GTO、晶體管等，IGBT技術(shù)是近年來逐漸發(fā)展成熟起來的，由于IGBT具有工作頻率高、自我保護能力強、控制較簡單的優(yōu)點，現(xiàn)在逆變器采用的功率器件主要是IGBT。同時也由于采用了IGBT，逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，這主要體現(xiàn)在功率器件的過壓保護方面，在這方面由最早的采用有較高損耗的R-C-D阻容型過壓吸收電路，發(fā)展到后來的采用有較低損耗的不對稱型過壓吸收電路及Δ型過壓吸收電路，再到現(xiàn)在的無吸收電路型。無吸收電路型通過采用無感復(fù)合母排技術(shù)、低感電容技術(shù)來盡可能消除產(chǎn)生過電壓的因素，從而盡可能避免過電壓情況的發(fā)生，同時也消除了吸收電路所產(chǎn)生的損耗。這樣，既簡化了電路結(jié)構(gòu)，又降低了逆變器的損耗，提高了效率，同時還因逆變器發(fā)熱量的降低而使得逆變器的體積重量也得以減小。

就實際運行情況而言我國城市軌道交通車輛主要有兩種制式：第一種是以香港、武漢為代表的DC750V供電制式；第2種是以長沙、無錫為代表的DC1500V供電制式。供電等級的不同影響著電氣絕緣設(shè)計和器件的電壓等級，而絕緣設(shè)計通過按DC1500V的供電等級統(tǒng)一要求，即可實現(xiàn)兩種供電等級的兼容；電路器件可通過安裝通用接口現(xiàn)兩種供電等級的合理對接［2-3］。目前，地鐵牽引系統(tǒng)的控制方式主要有3種：第1種是架控方式；第2種是軸控方式；第3種是車控方式。我們根據(jù)實際工況（如列車編組和動拖比）選擇合適的控制方式。同時考慮到逆變器的兼容性以及最優(yōu)化設(shè)計，以架控方式、軸控方式、車控方式的主電路分別進行設(shè)計。

1.1架控方式的主電路

采用架控方式的主電路設(shè)計如圖1［2-5］。圖1有一套獨立輸入電器（充電短接電路、電抗器等），該主電路中逆變器主要包括2個部分（包含電容器C1和C2、母排、IGBT模塊、IGBT驅(qū)動板、脈沖板）、電壓傳感器、電流傳感器、控制單元（MCU）、斬波電阻。單個逆變器驅(qū)動兩臺異步電機。

圖1　架控方式的主電路圖Fig. 1 Control way of the main circuit diagram

MQS、MQS1-隔離開關(guān)；LH1-差分電流傳感器；HB-高速斷路器；KM1-短接接觸器；KM2-充電接觸器；R1-充放電電阻；L-電抗器；VH1、VH2-電壓傳感器；LH2-LH8 -電流傳感器；Rch1、Rch2-制動電阻

1.2軸控方式的主電路

采用軸控方式的主電路設(shè)計如圖2［2-5］。

圖2　軸控方式的主電路圖Fig. 2 Axis control way of the main circuit diagram

圖2有一個集成接觸器箱（永磁同步電機與牽引逆變器之間增加隔離接觸器，避免當系統(tǒng)發(fā)生故障時由于永磁同步電機的反電勢造成故障進一步擴大）。該主電路中牽引逆變器主要包括2個逆變器單元（包含箝位電容器、IGBT元件、IGBT驅(qū)動板、脈沖板）、電壓傳感器、電流傳感器、控制單元（MCU）、斬波電阻。單個逆變器模塊獨立驅(qū)動兩臺永磁同步電機。

1.3車控方式的主電路

圖3　車控方式的主電路圖Fig.3 Car control way of the main circuit diagram

采用車控方式的主電路設(shè)計如圖3［2-5］。該主電路中牽引逆變器主要包括2個逆變器模塊（包含支撐電容器、低感母排、IGBT元件、驅(qū)動板、脈沖分配板）、電壓傳感器、電流傳感器、傳動控制單元（DCU）、放電電阻。單個逆變器模塊驅(qū)動兩臺異步電機。

從上述3種設(shè)計的主電路分析可以看出，牽引逆變器的主電路基本一致，因此可以進行最優(yōu)化設(shè)計，即將牽引逆變器拆分為柜體、逆變器模塊、DCU、放電電阻單元、傳感器單元等，設(shè)計時考慮各個單元功能、接口的標準化和規(guī)范化。通過簡統(tǒng)設(shè)計、預(yù)留設(shè)計，可將牽引逆變器進行最優(yōu)化設(shè)計，即該牽引逆變器不僅可滿足車控、架控、軸控的不同需求，還可以滿足不同供電制式的需求，大大減少了設(shè)計開發(fā)的工作量。

2　參數(shù)設(shè)計

根據(jù)實際工況要求（如車輛的功率、加速度、減速度、牽引力、車速、功率密度等）并通過線路進行模擬，確定牽引電機的功率，其牽引逆變器電路參數(shù)計算如下［4-6］：

IGBT元件電壓定額：

式中：K1為過電壓系數(shù)；K2為安全系數(shù)；Ud max為額定直流電壓最大值；Usp為關(guān)斷即將結(jié)束時的尖峰電壓。

IGBT元件電流定額：

式中：α1為電流尖峰系數(shù)；α2為溫度降額系數(shù)；α3為過載系數(shù)。

式中：P為電機總功率；η1為電機效率；η2為逆變器效率。

牽引逆變器的額定輸入電流：

式中：Uin為牽引逆變器額定輸入直流電壓。

牽引逆變器的最大輸入電流：

式中：Uin min為牽引逆變器最低輸入直流電壓。

牽引逆變器的額定輸出電流：

式中：U1為電機電壓；η3為電機功率因數(shù)。

直流支撐電容器估算［5-7］：

式中：K為經(jīng)驗系數(shù)；ω為頻率系數(shù)。

中間電容器的電容值計算主要考慮負載的無功、瞬態(tài)電流和直流電路的濾波，通過上述估算公式進行估算后，還需驗證與直流濾波電感L的諧振頻率，最后根據(jù)實際工況采用Matlab主電路仿真對電容值進行修正。

放電電阻計算：

式中：t為放電時間；R為固定放電電阻

放電電阻用于在主電路斷開或者快速放電電路出現(xiàn)故障的情況下，將主電路中中間支撐電容上儲存的電荷對地釋放，使其低于人體安全電壓（36V），保證人身安全。

3　散熱系統(tǒng)設(shè)計［6-11］

電路參數(shù)確定下來后，根據(jù)車輛需求明確環(huán)境條件，對牽引逆變器損耗進行估算，其主要的發(fā)熱和損耗部件為IGBT元件，其損耗包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，有以下幾種估算方法。

3.1查表法

實際上，IGBT生產(chǎn)廠家都會給出Eon、Eoff與IC的關(guān)系曲線，因此可以根據(jù)IGBT通過的電流，查曲線可得出Eon和Eoff。開關(guān)損耗為

3.2仿真法

實際上，IGBT供應(yīng)商都會提供自帶的損耗仿真計算軟件，根據(jù)廠家提供的仿真軟件輸入電壓電流、調(diào)制比、開關(guān)頻率，即可自動計算出損耗［6-12］。

通過上述方法即可得出牽引逆變器的總損耗（加上其他部件的損耗估算，如固定斬波電阻損耗等），并選用合適規(guī)格的散熱器，對IGBT元件的最高結(jié)溫進行核算（現(xiàn)在常用的IGBT元件最在允許結(jié)溫是150℃，在軌道交通應(yīng)用時，一般控制在125℃以下）。

式中：Th為牽引逆變器工作的最高環(huán)境溫度；PIGBT為單個IGBT的損耗；K1為選用的散熱器的熱阻；K2為結(jié)殼熱阻。

3.3計算法

通態(tài)損耗計算：

開關(guān)損耗計算：

對開關(guān)過程中IC和VCE的波形，進行時間積分。其結(jié)果為：

根據(jù)以往城市軌道交通車輛牽引逆變器的應(yīng)用經(jīng)驗和國內(nèi)工藝水平，而120km/h速度級的優(yōu)先選用鋁翅片散熱器，國內(nèi)80km/h速度級的優(yōu)先選用重力式熱管散熱器。

4　結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)代軌道交通車輛的實際情況、車輛控制方式以及工況要求，采用最優(yōu)化的設(shè)計思路進行軌道交通車輛的研制可靠性高，實用性強，各項性能指標都滿足車輛運行要求。同時它還實現(xiàn)了最優(yōu)化平臺的建立，減輕了設(shè)計和生產(chǎn)的負擔。為后續(xù)研究人員提供了可參考的范本。

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本文引用格式：陳林，王衛(wèi)安.軌道車輛牽引逆變器的最優(yōu)化設(shè)計［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（4）：34-39.

Citation: CHEN Lin， WANG Wei-an. Optimal Design of Railway Vehicle Traction Inverter［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（4）: 34-39.

Optimal Design of Railway Vehicle Traction Inverter

CHEN Lin1， WANG Wei-an2
（1.School of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412001， China； 2.CRRC Zhuzhou Institute Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan 412001， China）

Abstract:This article embarks from the actual situation and it gives simple analysis for the three types of vehicle traction inverter main circuit topology structure， the optimal design of traction inverter is proposed. From the circuit topology structure，parameters and cooling system three aspects ， The writer selects a set of suitable for optimal design of traction inverter which apply to the actual working conditions. Using optimal design of inverter ， its in capacity， weight， efficiency， etc all can well meet the actual situation of different. Optimization scheme is proposed for the design of the traction inverter provides effective reference.

Keywords:Power electronics； Inverter； Circuit topology； The cooling system； Optimization design； Rail transit vehicles

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.006

基金項目：湖南工業(yè)大學(xué)項目，項目編號：2013A12 湖南省自然科學(xué)基金項目，項目編號：2013JJ9016

作者簡介：陳林（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力電子及電氣傳動

通信作者：王衛(wèi)安（1975-），男，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為大功率電力電子技術(shù)及電能質(zhì)量控制