100%低地板車輔助變流器濾波器設(shè)計(jì)

王武俊， 吳曉威， 劉 榮

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 陜西 西安 710018）

1 低地板車研究背景

近些年隨著城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，低地板輕軌車運(yùn)輸系統(tǒng)，以其快捷、投資少、環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)，成為人們優(yōu)選的交通工具，尤其其具備無需修建站臺，旅客上下車方便，非常適合老人、兒童及殘疾人乘車，而備受青睞。其中，輔助逆變器作為車輛輔助供應(yīng)電源設(shè)備，獨(dú)立運(yùn)行于牽引系統(tǒng)，為車輛提供穩(wěn)定的三相四線制50 Hz，AC380V或AC220V的電源，為主壓縮機(jī)、空調(diào)、冷卻、電加熱、照明等交流負(fù)載供電。由于其寬輸入電壓變化范圍、和運(yùn)行過程中負(fù)載突變等復(fù)雜運(yùn)行工況，其性能直接關(guān)系到車輛能否正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)中對主電路器件選型提出了高的要求。

2 輔助逆變器系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)有低地板車輔助系統(tǒng)，主要由直-交-直和直-交-直-交兩種電路結(jié)構(gòu)。中車永濟(jì)電機(jī)有限公司100%低地板車輔助系統(tǒng)由DC602 V蓄電池供電、DC24 V控制供電、AC400 V輔助供電三部分構(gòu)成，其中，DC602 V蓄電池供電輔助系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行；DC24 V控制供電、AC400 V輔助供電變流器共用輸入濾波單元，其主電路拓?fù)鋱D如圖1。

圖1 DC24V控制供電&AC400V輔助供電變流器拓?fù)鋱D

本文主要以AC400V系統(tǒng)為例，開展濾波器件參數(shù)設(shè)計(jì)。AC400V輔助變流器由全橋變換器和三相逆變器連接構(gòu)成，經(jīng)過高頻升壓隔離、不控整流、可控逆變等環(huán)節(jié)將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相四線制的交流電壓，主電路原理如圖2。

圖2 AC400V輔助供電變流器電氣原理圖

AC400V輔助變流器主要性能指標(biāo)如下:

額定輸入電壓為DC 750 V（12脈波整流），輸入電壓范圍為DC 400～900 V；輸出電壓形式為3P+N（帶中性點(diǎn)），輸出額定電壓為AC 400 V（波動范圍±10%）；額定輸出功率為20 kW，最大輸出功率為25 kW；額定輸出電流為28.9 A；額定輸出頻率為50 Hz，DCDC側(cè)IGBT開關(guān)頻率為8 000 Hz，可控逆變IGBT開關(guān)頻率為2 150 Hz；與750 V電網(wǎng)隔離；輸出電壓諧波≤5%。

3 關(guān)鍵器件選型

3.1 輸入濾波器的設(shè)計(jì)

直流輸入側(cè)電容主要實(shí)現(xiàn)兩個功能，與濾波電感共用，起濾波作用，在受電弓無電時起儲能作用。

濾波功能設(shè)計(jì),供電回路最大輸出容量為25 kW，與DC24 V系統(tǒng)（12.5 kW）共用輸入濾波回路，考慮其效率損耗，取 Pload=39 kW，UN=750 V，F(xiàn)rectifier=600 Hz，Uripple=750 V×6%，由下式：

計(jì)算可得：C1≥1.93 mF。

儲能功能設(shè)計(jì)，車輛要求在750 V額定電壓下離線10 ms，能維持電源額定負(fù)荷的穩(wěn)定供電。取UN=750 V，T=10 ms，Umin=400 V，Pload=39 kW，由下式：

計(jì)算可得：C1≥1.937 mF。

結(jié)合兩個功能計(jì)算值，取C1≥2 mF。

直流側(cè)電感主要有減小逆變部分輸入直流電流的紋波、抑制短路電流上升、抑制受電弓離線時的沖擊電流等功能。其中濾波功能與支撐電容配合構(gòu)成輸入濾波器。按直流回路上的紋波電流為10%的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，且綜合考慮器件重量和功能需要，電抗器與支撐電容的諧振點(diǎn)設(shè)置應(yīng)小于12脈波整流主要諧波輸出頻率600 Hz，取截止頻率Fc=150 Hz，計(jì)算可得：L1=0.56 mH。

3.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入電壓為400～900 V，工作頻率：8 kHz，輸出電壓VO=602 VDC,輸出電流42 A。考慮前級H橋占空比損失，變壓器最大占空比設(shè)計(jì)為0.9，則高頻變壓器變比近似為：

考慮可能出現(xiàn)的極端工況350 V網(wǎng)壓工況，取K=1.92。

取：P=PO÷η=25 kW÷0.98=25 kW。

3.3 中間直流環(huán)節(jié)輸出濾波器的設(shè)計(jì)

中間直流濾波電感，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電感電流臨界連續(xù)工作電流ΔIL=3.36 A，輸出濾波電感的值可由下式得出：

其中：D為導(dǎo)通占空比，取

其中：Vin為高頻變壓器原邊電壓，K為變壓器變比，VL為電感電壓，VD為不控整流二極管電壓，fs為前級逆變器開關(guān)頻率。計(jì)算得：L（2750 V）=6.51 mH；L2（900 V）=7.29 mH。

考慮余量，實(shí)際中，取濾波電感L2=9 mH。

輸出濾波電容容值與電容上電流紋波相關(guān)，電流紋波由不控整流電感電流紋波，逆變器電流紋波組成。

由前端計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電容最大紋波取20 V，輸出濾波電容的值可由下式得出：

計(jì)算得：C2=372 μF。

由后端計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電容最大紋波取20 V，取 UN=602 V,Pload=25 kW，T=1/2 150s。

綜合考慮，取濾波電容得：C2=1 mF。

3.4 三相濾波器設(shè)計(jì)

輔助逆變部分要求三相四線制輸出，交流濾波電容選星型連接以引出中性連接點(diǎn)。同時根據(jù)逆變電源的載波頻率fc,確定LC濾波器的截止頻率選取范圍。為使逆變器輸出交流電品質(zhì)滿足要求，要求LC濾波器的截止頻率fL應(yīng)遠(yuǎn)小于輸出交流中最低次諧波頻率，同時遠(yuǎn)大于基波頻率，本方案選取fL=158 Hz。

濾波電路特性阻抗與負(fù)載阻抗關(guān)系如下：

K取0.1～1，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給出?？捎?jì)算出：

L3=1 120 μH

C3=900μH 。

圖3 DC24V控制供電&AC400V輔助供電變流器仿真拓?fù)鋱D（模糊）

圖4 AC400V輔助供電變流器仿真波形

4 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果，在MATLAB中建立100%低地板車輔助系統(tǒng)仿真模型如上頁圖3。

通過仿真可以看出，中間環(huán)節(jié)電壓紋波3.2%完全符合理論的要求（上頁圖4-1），中間環(huán)節(jié)電壓紋波完全符合理論的要求，400V逆變器輸出電壓為379.2V（上頁圖4-2），電壓諧波含量為1.52%，滿足系統(tǒng)輸出要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)中車永濟(jì)電機(jī)有限公司100%低地板車輔助變流系統(tǒng)的要求及主電路拓?fù)?，給出了主電路濾波器件參數(shù)選型設(shè)計(jì)方法，并搭建MATLAB仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：各個單元能夠穩(wěn)定運(yùn)行，輸出性能滿足設(shè)計(jì)要求，對小功率軌道車輛的輔助變流器濾波器件參數(shù)選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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