一種地鐵輔助變流器設(shè)計與應(yīng)用

王明 李志杰

摘要：介紹了一種地鐵車輛輔助變流器產(chǎn)品的方案及特點、主電路及技術(shù)參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)及主功能單元、仿真與樣機(jī)試驗，闡述了輔助變流器性能提升設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：輔助變流器；IGBT；地鐵

地鐵輔助變流器將弓網(wǎng)的高壓直流轉(zhuǎn)換為三相交流電，為車輛客室空調(diào)、空壓機(jī)、交流照明等提供電能，是地鐵車輛的重要裝備之一。株洲時代電氣股份有限公司開發(fā)了一種輔助變流器，以其性能穩(wěn)定、維護(hù)簡易、全壽命周期成本低等特點，受到客戶的青睞。本文詳細(xì)介紹了這種輔助變流器的系統(tǒng)方案、特慮、主電路設(shè)計及參數(shù)計算、總結(jié)結(jié)構(gòu)、主要部件、仿真及樣機(jī)試驗等。

1系統(tǒng)方案及特點

地鐵車輛根據(jù)輔助變流器輸出至車輛中壓母線的形式，采用多臺輔助變流器并聯(lián)輸出至中壓母線，共同向母線下負(fù)載提供電能的方式，在單臺輔助變流器故障的情況下，能夠不影響車輛中壓母線負(fù)載工作，從而提高了輔助變流器供電的冗余度，具有更為可靠、舒適的優(yōu)點，因此，為實現(xiàn)輔助變流器并聯(lián)運用，設(shè)計一種重量輕、噪聲低、可靠性高且維護(hù)簡單的中小功率輔助變流器。

本文介紹的輔助變流器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定輸入電壓：DC1500V或DC750V

額定輸出電壓：3AC 380V/50Hz（帶中線）

額定輸出功率：100kVA

功率因數(shù)：85%（感性）

過載臺旨力：150% （10s）

輸出電壓變化：+15%一-20%（恢復(fù)時間<200ms）

額定工況效率：>90%

冷卻方式：自然冷卻

噪聲：<70dB（A）（距箱體1m處測量）

重量：1050kg

該輔助變流器總體考慮了車輛適應(yīng)性要求，考慮車輛限界及安裝要求，柜體設(shè)計成長方形，同時具有較高的電網(wǎng)適應(yīng)性。

2主電路及技術(shù)參數(shù)

tPower-A15型輔助變流器采用二電平逆變電路，其主電路拓?fù)浜啙?、成熟，如圖1所示。

其電路主要包含輸入濾波電路、電容器充電電路、電容器放電電路、IGBT逆變電路、輸出變壓器、交流濾波電路、輸出接觸器、檢測電路和控制電路等，從直流輸入的高壓電經(jīng)直流濾波電抗器（L1）、電容器充電電路（KM1、KM2、R1）、直流濾波電容器（C），送至IGBT逆變器進(jìn)行逆變后輸出PWM波交流電壓，再經(jīng)輸出變壓器（T1）進(jìn)行電壓隔離、降壓，交流電容器（ACC）濾波得到低諧波含量的三相準(zhǔn)正弦電壓，輸出三相交流電壓，交流輸出端設(shè)置EMI濾波器（Z2），R2＼R3為固定放電電阻，用于輔助變流器停機(jī)后將支持電容的電壓釋放至安全電壓以內(nèi)，SVl-SV2為電壓傳感器，分別用于檢測輸入電壓和電容端電壓，SCl-SC3為電流傳感器，分別用于檢測輸入電流和模塊輸出電流，TAl -TA3為電流互感器，用于檢測三相交流電流。

2.1 IGBT參數(shù)選型

IGBT√2變電路為兩電平電路結(jié)構(gòu)，逆變器模塊的A、B、C三個相橋臂構(gòu)成一個三相逆變器，輸出三相交流電壓。

IGBT功率元件電壓等級Um按下式計算：

Um≥ （K1xUl+Up） xK2

其中K1：過壓系數(shù)，取1.2；U1：功率元件工作電壓，取2100V；up：關(guān)斷時的尖峰電壓，取400V；K2：安全系數(shù)，取1.1；

故Um≥3102V，規(guī)格化為3300V；

IGBT功率元件電流等級lom按下式計算：

lom≥

xIMxαlxα2xα3

其中IM：額定輸出電流；αl：電流尖峰系數(shù)，取1.1；α2：溫度系數(shù)，取1.1；α3：過載系數(shù)，取2；

故IOM≥342A；

根據(jù)以上計算，確定IGBT元件的電壓、電流參數(shù)，按照IGBT型號表及簡統(tǒng)化原則，選擇800A/3300V的IGBT元件。通過計算及仿真，可得IGBT結(jié)溫約為102°C，滿足使用溫度要求。

2.2輸出濾波電路

交流濾波電路由輸出電壓器的漏電抗、三相AC濾波電容器（ACC）組成。交流濾波電路是一個低通LC濾波器，它將變壓器輸出的電壓經(jīng)過低通濾波后得到接近正弦波的三相交流電壓輸出。輔助逆變器的輸出變壓器（T1）聯(lián)接組別為Dynll，是集成了交流輸出濾波電路所需的三相電抗的高漏磁變壓器，交流濾波電容器采用三角形接法。

交流濾波電路的截止頻率fo為：

截止頻率fo通常選在300Hz左右，經(jīng)Matlab仿真核算，三相輸出電壓諧波含量小于5%。

3總體結(jié)構(gòu)及主功能單元

輔助變流器總體結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。柜體設(shè)計為長方形結(jié)構(gòu)，外殼采用不銹鋼材料，通過柜體頂部的8個M12吊耳吊裝于車體底部。柜體采用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計，重量最重的變壓器、逆變器模塊布置于柜體中部，并安裝于柜體框架梁上，確保柜體的重心以及整柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，巧妙的將逆變模塊安裝嵌入柜體內(nèi)部，逆變模塊散熱器部分安裝于箱體骨架外側(cè)，在確保散熱性能的同時又滿足柜體尺寸限制。根據(jù)對輔助變流器的功能區(qū)域共劃分6個腔室，分為高壓輸入室、逆變模塊室、變壓器室、交流輸出室、電容器室和控制室，將高壓部分與低壓控制部分完全分離，其控制接口分布于柜體兩側(cè)，整體布局清晰流暢，功率部件逆變模塊散熱器和變壓器上下板采用開孔設(shè)計，利于散熱，柜內(nèi)部件不僅體現(xiàn)了模塊化設(shè)計理念，也確保了可維護(hù)性及操作安全性。

3.1 IGBT逆變模塊

IGBT逆變模塊集成了6個IGBT元件、熱管散熱器、溫度繼電器、PT100溫度傳感器、門極驅(qū)動單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容器、低感母排等部件。IGBT逆變模塊安裝結(jié)構(gòu)采取基板與箱體骨架通過螺栓固定，在散熱器外框處采用螺栓與箱體骨架連接，散熱器翅片采取熱管散熱方式。IGBT功率模塊外形如圖3所示。

3.2控制單元

控制單元采用雙MCU+FPGA+CPLD結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輔助變流器的邏輯控制、實時監(jiān)視、逆變控制、通訊、數(shù)據(jù)交換功能、AD管理，DlO管理及擴(kuò)展接口管理等功能。結(jié)構(gòu)采用多層疊板式結(jié)構(gòu)，單板之間采用子母板形式組裝，整體安裝于專用的金屬屏蔽盒內(nèi)，金屬盒通過底板上的6個安裝孔安裝在柜體內(nèi)壁上。

4仿真與試驗

4.1強(qiáng)度仿真

輔助變流器的安裝方式是通過吊耳吊裝于車體底部，整柜重量約1050kg，由板金件焊接和螺栓緊固而成，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對內(nèi)部電氣設(shè)備的影響及行車安裝至關(guān)重量，因此在設(shè)計階段對柜體進(jìn)行靜強(qiáng)度、振動模塊和隨機(jī)振動疲勞分析，可以有效指導(dǎo)樣機(jī)設(shè)計，該柜體結(jié)構(gòu)不完全對稱，取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。

靜強(qiáng)度仿真結(jié)果最大位移為2.5mm，模態(tài)分析第一階振動頻率為19.14Hz。

仿真結(jié)果顯示輔助變流器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為驗證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對輔助變流器樣機(jī)進(jìn)行振動與沖擊試驗，按照IEC61373：2010鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗1類A級通過試驗。

4.2樣機(jī)實驗

按IEC61287-1：2005軌道交通機(jī)車車輛用電力變流器第1部分：特性和試驗方法對輔助變流器樣機(jī)進(jìn)行試驗并通過試驗，證明輔助變流器具有良好的電氣性能，達(dá)到設(shè)計目的。

5結(jié)語

本文介紹的一種地鐵輔助變流器產(chǎn)品，具有電路成熟、性能穩(wěn)定、可靠性高、驗證充分、維護(hù)簡單等特點，各項性能指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的先進(jìn)水平。目前該型輔助變流器已批量在國內(nèi)外多個地鐵項目的車輛中推廣應(yīng)用，贏得用戶及業(yè)界的普遍認(rèn)可。

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