DC750V集成式牽引變流器平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

高翔

重慶軌道交通集團(tuán)有限公司，重慶 400015

目前國內(nèi)城軌市場上國外牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商如龐巴迪、阿爾斯通、西門子、日立等均早就設(shè)計(jì)生產(chǎn)出大集成式牽引變流器。國內(nèi)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商也逐漸從原來老一代的分散式變流系統(tǒng)向集成式方向發(fā)展。集成式牽引變流器更有利于產(chǎn)品的平臺(tái)化、模塊化，能有效減少牽引變流器與車輛之間的電氣接口和機(jī)械接口，能減少車輛為懸掛各設(shè)備而增加的橫梁，減輕自身車重，另外通過合理的布局和設(shè)計(jì)使得牽引變流器能在降重、減噪方面有巨大優(yōu)勢。

整個(gè)集成式牽引逆變器嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，從結(jié)構(gòu)和電氣性能等方面進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)，不斷的修改完善，以期望能達(dá)到最優(yōu)的配合[1]。

1 整體性能要求

輸入電壓：DC750V（500～900V）

額定輸出容量：2×450kVA

輸出電壓：0～585V

輸出頻率：0～160Hz

啟動(dòng)輸出最小頻率：0.1Hz

開關(guān)頻率：500Hz

標(biāo)稱輸出電流：2×446A

牽引最大輸出電流：2×656A（有效值）

制動(dòng)最大輸出電流：2×824A（有效值）

額定工作點(diǎn)效率：0.98

防護(hù)等級(jí)：IP55

過壓抑制斬波開關(guān)頻率：300Hz

過壓抑制斬波最大電流：720A

控制方式：VVVF直接轉(zhuǎn)矩控制

體積：2104mm×1600mm×605mm（L×W×H）

重量：≤820kg

沖擊和振動(dòng)：滿足IEC61373-2010中1類A級(jí)要求

冷卻方式：熱管走行風(fēng)冷

噪聲：≤75dB（除地面外，所有面距箱體表面1米處平均噪聲）

絕緣電壓：高壓回路對(duì)控制回路、地，AC4800V/50Hz，1min

控制回路對(duì)地，AC1500V/50Hz，1min

2 主電路設(shè)計(jì)

DC750V牽引系統(tǒng)車控和架控模式主電路主要元器件代號(hào)說明如表1。

表1 器件代號(hào)

電路簡要說明如下：

DC750V高壓電源從受流器/受電弓送到輸入：一路經(jīng)主隔離開關(guān)MQS、快速熔斷器FU1、高速斷路器HB1、電流傳感器LH1、充放電回路（KM1、KM2、R1），到電抗器L，再到兩個(gè)逆變器模塊INVMK1、INVMK2，最后通過模塊輸出側(cè)電流傳感器到牽引電機(jī)；另一路通過經(jīng)跨車供電接觸器BLB、高速斷路器BHB后輸出。

各部件及其功能說明：（1）MQS與MQS1連鎖，MQS為主開關(guān)，MQS1為輔助開關(guān)，用于支撐電容放電。（2）FU1熔斷器配合高速斷路器HB1對(duì)主電路進(jìn)行保護(hù)，高速斷路器具有瞬時(shí)脫扣過流保護(hù)和整定值保護(hù)功能。FU1用于對(duì)嚴(yán)重短路接地故障時(shí)分?jǐn)嗪罄m(xù)電路。（3）LH1和LH2用于主回路的輸入和輸出電流檢測，邏輯控制單元通過比較主電路輸入輸出電流，可以判定后續(xù)電路是否有短路或者接地故障，起保護(hù)作用。（4）VH1、VH2分別測量直流側(cè)網(wǎng)壓和中間回路支撐電容兩端電壓，其檢測信號(hào)用來對(duì)輸入欠壓、過壓、中間直流過壓，欠壓等情況進(jìn)行保護(hù)。（5）KM1、KM2、R1構(gòu)成充電短接回路。HB閉合后，司機(jī)室方向手柄離開零位時(shí)，短接接觸器KM2閉合，通過電阻R1給中間支撐電容充電，正常情況下KM2閉合3s后閉合KM1接觸器，并延時(shí)斷開 KM2，充電過程完成。（6）LH3、LH4、LH5、LH6分別測量逆變器交流輸出側(cè)電流，其信號(hào)用于各種保護(hù)，如逆變過流、輸出三相電流是否平衡等。LH7、LH8用于斬波電流檢測。（7）支撐電容C放電分三級(jí)：斬波管斬波快速放電、固定放電電阻R2放電、隔離開關(guān)MQS1與R1回路放電。（8）INVMK1和INVMK2為核心部件，變流器模塊，其中支撐電容C集成在其中，并且模塊上預(yù)埋了溫度繼電器，用于過溫保護(hù)。（9）電抗器L為系統(tǒng)儲(chǔ)能和平波用，可以減少系統(tǒng)震蕩沖擊，但本集成式逆變器不包含電抗器。（10）制動(dòng)電阻BR為系統(tǒng)電制動(dòng)能量消耗設(shè)備，也不在本方案范圍以內(nèi)。

3 關(guān)鍵元器件設(shè)計(jì)選型

3.1 變流器模塊

變流器模塊作為變流器的CPU，其關(guān)鍵性不言而喻。本方案選用應(yīng)用成熟的IBCM60G1（TE003X000000） 型模塊，其專為DC750V系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在北京地鐵房山線、昆明地鐵首期工程、馬來西亞安邦線、天津地鐵2號(hào)線增購車都有應(yīng)用業(yè)績。

3.2 高速斷路器

高速斷路器HB和HB1選用瑞士SECHERON公司的UR6-31產(chǎn)品，為電磁保持空氣斷路器，頂端帶滅弧罩，過流脫扣可按實(shí)際需要在允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。參考型號(hào)：UR631TD-ZZZZZE1EDN2ids=2650A。主要參數(shù)見產(chǎn)品手冊。

3.3 電流傳感器和電壓傳感器

傳感器選型時(shí)需先考慮所使用的傳感器的測量原理是否滿足需求，根據(jù)預(yù)估被測量量的大致范圍定傳感器額定值，再選擇傳感器及其接線的安裝方式等。

根據(jù)DC750V系統(tǒng)的額定電壓電流，本方案選擇NT1000C-S/SP3型電流傳感器，NCV1-1500/SP3型電壓傳感器。具體參數(shù)見器件手冊。

3.4 固定放電電阻

沿用老平臺(tái)產(chǎn)品器件，組件圖號(hào)：TE325-230000。電阻型號(hào)為RX24-300W-A/3K±5%。一個(gè)組件上兩個(gè)電阻元件串聯(lián)使用。

3.5 充電電阻

充電電阻選用RXQ-S-750W-A-65RJ。車控模式時(shí)，時(shí)間常數(shù) τ=RC=65×8.6×10-3=0.559s，3τ=1.677s，C=4300μF。

3.6 接觸器選型

短接接觸器：根據(jù)額定發(fā)熱電流、操作頻率、滅弧防護(hù)、控制電源。

4 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 前視圖

圖2 后視圖

圖3 測視圖

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2、圖3所示，兩個(gè)變流模塊分別布置在柜體兩側(cè)，中間留有接線盒檢修空間（600mm），通過6個(gè)吊耳用M16的高強(qiáng)度螺栓與車體連接。柜體一共設(shè)有8個(gè)活動(dòng)和半活動(dòng)門，用于組裝，維護(hù)。其中DCU門1、BHB門2、HV門3、模塊2后門5、模塊1后門6、門7為全活動(dòng)門，方便維護(hù)。高壓電源輸入門4、門8為螺栓安裝的半活動(dòng)門，主要用于不常開啟的位置。

4.2 關(guān)鍵元器件布局

主要高壓元器件都以銅母線方式連接，部分位置使用電纜進(jìn)行連接，控制插頭和以太網(wǎng)接口布置在DCU上方。

4.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.3.1 模塊化、兼容性設(shè)計(jì)

整體采用兼容性設(shè)計(jì)：DC750V集成式牽引變流器平臺(tái)，兼容車控和架控模式，預(yù)留了架控接觸器安裝空間和接口，只需稍作變形設(shè)計(jì)，即可作為架控變流器使用；DC750V平臺(tái)，兼容DC1500V變流器，只需對(duì)變流器模塊進(jìn)行同系列更換，將HB更換為UR6-32型即可，同時(shí)去除不需要的部件。

4.3.2 模塊化設(shè)計(jì)

盡可能采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將零碎可繼承部件繼承在一起，然后再進(jìn)行組裝，方便統(tǒng)型和維護(hù)。

4.3.3 優(yōu)化接口

將原高壓箱和其他高壓部件和逆變器繼承后，在對(duì)外接口上省略了很多，車輛布線也減少。雖然集成后逆變器復(fù)雜度比原來逆變器增加，但整車可靠性卻得以提高。

4.3.4 降重處理

為降低整柜產(chǎn)品重量，對(duì)弱載荷部分，采用弱處理方式，既要滿足強(qiáng)度要求，又要留有一定裕量；對(duì)不承力部分，采用鋁板蒙板鉚接形式；對(duì)重載荷區(qū)域，著重加強(qiáng)處理。

以上方案只為初步方案，后續(xù)要繼續(xù)完善三維設(shè)計(jì)，優(yōu)化器件參數(shù)，逐步進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真、熱仿真、電氣仿真，并通過后續(xù)實(shí)際產(chǎn)品型式試驗(yàn)來做以驗(yàn)證。