內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器設(shè)計(jì)及控制策略研究

馬法運(yùn)，林顯琦，潘景宇，王 懂

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266011）

1 研究背景

在“一帶一路”政策指引下，我國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)積極響應(yīng)，向歐美拉非等世界各地進(jìn)行商品和服務(wù)的出口。特別是在拉非等地，市場(chǎng)前景廣闊；但也有很多地區(qū)，受自然條件和社會(huì)環(huán)境等因素的影響，不利于鐵路的電氣化發(fā)展。

以柴油機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃動(dòng)車組設(shè)計(jì)理念，無論從適應(yīng)性還是舒適性，完美契合了不同國(guó)家地區(qū)對(duì)鐵路裝備的需求。目前，運(yùn)行于我國(guó)鐵路線路的內(nèi)燃動(dòng)車組相對(duì)較少，但在俄羅斯、意大利、美國(guó)、阿根廷等歐美國(guó)家，加納、孟加拉、蘇丹等非洲國(guó)家，印尼、泰國(guó)、馬來西亞等南亞國(guó)家內(nèi)燃動(dòng)車組很普遍，意味著內(nèi)燃動(dòng)車組仍有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。

內(nèi)燃動(dòng)車組不同于內(nèi)燃機(jī)車，內(nèi)燃機(jī)車只需提供動(dòng)力不需承載旅客，而其既要提供動(dòng)力又要承載旅客。內(nèi)燃動(dòng)車組的動(dòng)力來源于柴油發(fā)電機(jī)組，這意味著其不能像電力機(jī)車那樣從接觸網(wǎng)或第三軌得到源源不斷的能量補(bǔ)給，只能通過能源的合理分配和使用達(dá)到最優(yōu)利用，進(jìn)而保證動(dòng)車組安全、可靠、有效地運(yùn)行。

本文介紹一種內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器，該系統(tǒng)由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力包，提供交流電輸入，通過不控整流方式轉(zhuǎn)換為直流電，進(jìn)而通過變頻變壓逆變實(shí)現(xiàn)對(duì)異步牽引電機(jī)的控制?？刂栖浖ㄟ壿嫼退惴▋刹糠?，分別進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算和控制變量輸出，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的雙閉環(huán)控制，并結(jié)合成熟有效的硬件設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2 主電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作原理

2.1 主電路設(shè)計(jì)

內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器主電路原理和性能參數(shù)分別如圖1 與表1 所示。牽引變流器包含2 個(gè)獨(dú)立的功率模塊（Power Unit，PU），亦即牽引逆變模塊，每個(gè)牽引逆變模塊都配有獨(dú)立的控制器，包含不控整流橋和逆變電路。逆變器主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，整流后的直流電經(jīng)支撐電容濾波后進(jìn)入逆變器，經(jīng)逆變器的逆變輸出三相變頻變壓（VVVF）交流電，為異步牽引電動(dòng)機(jī)供電；當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，逆變器將異步牽引電動(dòng)機(jī)回饋的制動(dòng)能量通過斬波支路消耗在制動(dòng)電阻中。熔斷器在軟件保護(hù)不起作用時(shí)，實(shí)現(xiàn)最終的短路瞬態(tài)保護(hù)。2 個(gè)牽引逆變模塊中間直流母線處采用并聯(lián)方式，當(dāng)一個(gè)牽引逆變模塊整流部分出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)牽引逆變上的整流模塊能夠?yàn)楹蠹?jí)2 個(gè)逆變模塊提供能量。接地采用中點(diǎn)接地方式，當(dāng)系統(tǒng)某點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)地阻抗變小即發(fā)生漏電情況時(shí)，分壓電阻的電壓值會(huì)出現(xiàn)不均衡，從而可以判斷出發(fā)生漏電故障。

圖1 內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器主電路原理

為有效抑制網(wǎng)側(cè)波動(dòng)和為后級(jí)逆變器提供穩(wěn)定電壓輸入，地鐵車輛牽引逆變器輸入側(cè)、城際動(dòng)車組牽引變流器中間直流母線都會(huì)并聯(lián)較大容值的支撐電容。當(dāng)變流器上電瞬間，為避免在支撐電容兩端產(chǎn)生較大的沖擊電流而造成部件損壞，通常在直-交流輸入端設(shè)置預(yù)充電環(huán)節(jié)；在變流器上電時(shí)，通過預(yù)充電電阻給支撐電容充電，當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到目標(biāo)電壓的90%時(shí)，再將網(wǎng)壓完全接入變流器中，可有效避免沖擊電流的產(chǎn)生。預(yù)充電電路通常由預(yù)充電接觸器、預(yù)充電電阻以及用于電氣連接的線纜或銅排組成，接觸器和電阻等部件的增加在一定程度上增大了系統(tǒng)的故障率，從而增加了使用維護(hù)成本。

從以上2 個(gè)角度出發(fā)，內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器結(jié)合內(nèi)燃牽引系統(tǒng)特點(diǎn)，采用勵(lì)磁控制器控制發(fā)電機(jī)輸出電壓緩慢升壓的策略，既可避免出現(xiàn)網(wǎng)壓瞬間接入支撐電容產(chǎn)生沖擊電流的現(xiàn)象，又可避免因引入預(yù)充電接觸器、預(yù)充電電阻而增加系統(tǒng)的故障率。

2.2 系統(tǒng)工作原理

牽引變流器由發(fā)電機(jī)供電，經(jīng)過牽引變流器箱內(nèi)部前級(jí)不控整流橋整流成直流電后，經(jīng)三相逆變電路從中間直流母線取電，輸出幅值、頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)為整車提供動(dòng)力。

表1 內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器性能參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 箱體設(shè)計(jì)

牽引變流器箱采用框架、蒙皮焊接形式，保證了箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)牽引變流器的功能器件均以組件形式排布，布局合理，操作維護(hù)面板均在可視、較易維護(hù)區(qū)域，便于生產(chǎn)組裝以及后續(xù)維護(hù)檢修。變流器通風(fēng)散熱風(fēng)道的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔，風(fēng)阻較小，因此適用于該變流器的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。牽引變流器的功率模塊均為單獨(dú)組裝模塊，具有較高的集成性，安裝、維護(hù)便捷，可降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。整個(gè)變流器的結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)均做到了可裝配性、可維護(hù)性、高集成性，滿足該牽引變流器的需求設(shè)計(jì)。

牽引變流器通過4 個(gè)M20 螺栓吊裝在車體底部，箱體采用SUS 304 不銹鋼材質(zhì)，整機(jī)質(zhì)量為3 200 kg（±100 kg），其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。牽引變流器箱體的總體結(jié)構(gòu)遵循高低壓電路分離設(shè)計(jì)的原則，并結(jié)合輸入、輸出電氣接口進(jìn)行布局優(yōu)化，總體劃分為高壓變流區(qū)、中壓冷卻區(qū)、低壓控制區(qū)和接線檢修維護(hù)區(qū)。

圖2 牽引變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到可維護(hù)性，牽引變流器設(shè)計(jì)出大面積的檢修維護(hù)區(qū)，方便從箱體底部（無須拆卸裙板）進(jìn)行檢修維護(hù)，從而可提高檢修維護(hù)的效率。維護(hù)頻率較高的進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)底部采用卡槽固定的方式，維護(hù)時(shí)只需拆除頂部的M8 螺栓，方便快捷。

3.2 功率模塊設(shè)計(jì)

內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器包含2 個(gè)牽引逆變模塊，每個(gè)牽引逆變模塊驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)牽引電機(jī)。牽引逆變模塊由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、疊層母排、散熱片、風(fēng)道、絕緣板、驅(qū)動(dòng)電路及光纖連接器等部件構(gòu)成，實(shí)物如圖 3 所示。

圖3 牽引逆變模塊實(shí)物

在驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口方面，驅(qū)動(dòng)電路接收來自脈沖寬度調(diào)制（PWM）的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為+15 V/-10 V 的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT 的開通與關(guān)斷。當(dāng)牽引逆變模塊發(fā)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)IGBT 的電壓、電流信號(hào)，按照觸發(fā)機(jī)制封鎖IGBT，并將故障信號(hào)上傳。

在主功率接口方面，牽引逆變模塊接收來自發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電，與支撐電容正負(fù)極連接，輸出均通過疊層母排組件完成。疊層母排的雜散電感直接影響牽引逆變模塊的工作安全性和壽命，當(dāng)疊層母排雜散電感過高，IGBT 在關(guān)斷時(shí)刻會(huì)在支撐電容兩端產(chǎn)生較大的電壓沖擊，當(dāng)該尖峰電壓過高時(shí)支撐電容和IGBT 均存在一定的損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此有效降低母排雜散電感是母排設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。本文從母排雜散電感產(chǎn)生機(jī)理入手，結(jié)合牽引逆變模塊結(jié)構(gòu)布局，優(yōu)化疊層母排結(jié)構(gòu)，并通過母排仿真對(duì)雜散電感值進(jìn)行預(yù)估，按照當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，母排雜散電感小于50 nH。

3.3 散熱設(shè)計(jì)

牽引變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式，因此變流器內(nèi)部配有冷卻風(fēng)機(jī)。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，外部空氣通過濾網(wǎng)、過濾器、散熱片、專有風(fēng)道帶走由散熱翅片傳遞的熱量，保證變流器長(zhǎng)時(shí)工作的穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)熱管冷卻方式，強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式的變流器具有體積小、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，能夠保證變流器在設(shè)計(jì)條件最嚴(yán)苛的環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)、正常、穩(wěn)定工作。

根據(jù)牽引變流器內(nèi)部選用的整流二極管、IGBT，結(jié)合英飛凌提供的損耗計(jì)算軟件對(duì)箱體熱損耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 內(nèi)燃動(dòng)車組牽引PU 模塊損耗分布（單位：W）

根據(jù)風(fēng)機(jī)工作曲線，并結(jié)合箱體結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1 678.6 m3/ h，風(fēng)壓為439.8 Pa，牽引逆變模塊的溫度仿真云圖如圖5 所示。由圖可見，牽引逆變模塊表面功率器件的最高溫度為80.9 ℃，考慮IGBT 基板和IGBT 內(nèi)核之間的熱阻，此時(shí)IGBT 的結(jié)溫最高應(yīng)不超過100 ℃。本項(xiàng)目選用FF800R17KP4_B2 型IGBT，該IGBT 能夠承受的最高結(jié)溫為150 ℃，箱體散熱余量充足，由此可見箱體散熱設(shè)計(jì)合理。

4 控制策略設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制

內(nèi)燃動(dòng)車組整車包含2 臺(tái)牽引變流器，每臺(tái)牽引變流器驅(qū)動(dòng)4 臺(tái)牽引電機(jī)，為車輛提供動(dòng)力。當(dāng)1 臺(tái)牽引變流器內(nèi)的1 臺(tái)牽引逆變模塊停止工作，整車將丟失1/4 動(dòng)力；當(dāng)1 臺(tái)牽引變流器內(nèi)的勵(lì)磁控制器停止工作，整車丟失1/2 動(dòng)力。

內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器包含2 臺(tái)牽引控制器和1 臺(tái)勵(lì)磁控制器。每臺(tái)牽引控制器控制1 臺(tái)牽引逆變模塊、驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)牽引電機(jī)，勵(lì)磁控制器負(fù)責(zé)為發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁模塊提供勵(lì)磁電壓。

內(nèi)燃動(dòng)車組的牽引控制器、勵(lì)磁控制器通過多功能車輛總線（MVB）與司機(jī)屏建立通信，實(shí)時(shí)將自身工作狀態(tài)信息、故障信息上傳給司機(jī)屏顯示。

內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器包含3 個(gè)以太網(wǎng)維護(hù)端口，分別為牽引控制器1、牽引控制器2 和勵(lì)磁控制器的維護(hù)端口。車輛通過線纜將維護(hù)端口引至車上，方便維護(hù)檢修人員在線監(jiān)測(cè)變流器狀態(tài)。內(nèi)燃動(dòng)車組對(duì)外信號(hào)接口示意圖如圖6 所示。

圖5 牽引逆變模塊溫度仿真云圖（單位：℃）

4.2 邏輯控制

邏輯控制主要包含轉(zhuǎn)矩、電流計(jì)算模塊（模塊1），電壓、頻率計(jì)算模塊（模塊2）和電容電壓控制模塊（模塊3）3 個(gè)模塊，如圖7 所示。

根據(jù)提供的控制參數(shù)，模塊1 的輸入?yún)?shù)有參考轉(zhuǎn)矩Tref（N · m）-速度v（km/h）曲線、磁鏈Ψ（Wb）-速度v（km/h）曲線及相關(guān)電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)勵(lì)磁電感Lm（H）-磁鏈Ψ（Wb）曲線、定子電阻Rs（Ω）、轉(zhuǎn)子電阻Rr（Ω）、定子漏感Lsl（H）和轉(zhuǎn)子漏感Lrl（H）；輸出參數(shù)有勵(lì)磁電流控制值Id_con（A）、轉(zhuǎn)矩電流控制值 It_con（A）和勵(lì)磁電感值Lm_con（H）。

圖6 內(nèi)燃動(dòng)車組對(duì)外信號(hào)接口示意圖

圖7 邏輯控制框圖

模塊3 的輸入?yún)?shù)有直流母線電壓Udc（V）和級(jí)位Gear，輸出參數(shù)有電流限值Ilmt（A）和占空比限值Mlmt（%）。該模塊通過判斷不同級(jí)位的工況，根據(jù)級(jí)位-直流母線電壓曲線，查表得輸出Ilmt和Mlmt，防止?fàn)恳苿?dòng)時(shí)直流母線電壓波動(dòng)超出范圍，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生異常。

模塊2 承接模塊1 和模塊3 輸入，輸出參數(shù)包括控制電壓Us（V）和控制頻率Fs（Hz）。

模塊2 和模塊3 的輸出量共同輸入PWM 模塊。

4.2.1 轉(zhuǎn)矩、電流控制

轉(zhuǎn)矩、電流控制算法的執(zhí)行周期為20 ms。

Ψ-v 曲線為電機(jī)額定電壓Udc_rated下的設(shè)計(jì)特性，不同輸入電壓Udc下的磁鏈控制值Ψcon由下式得到：

式（1）中，Ψ 表示在已知速度v 下，根據(jù)Ψ-v 曲線得到的磁鏈值。

然后根據(jù)Lm-Ψ 曲線得到勵(lì)磁電感Lm_con，進(jìn)而得出勵(lì)磁電流分量控制值Id_con，其計(jì)算公式為：

式（3）中，Tref為在已知速度v 下，根據(jù)Tref-v 曲線得到的轉(zhuǎn)矩值；p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

4.2.2 電壓、頻率控制

電壓、頻率控制算法的執(zhí)行周期為200 μs。

異步電機(jī)狀態(tài)空間方程如下：

式（4）中，Ud，Uq分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）下的定子電壓分量；σ 為電機(jī)漏感系數(shù)，

式（5）中，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)子頻率，通過速度傳感器得到；Rr為電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻。

控制電壓Us由下式得到：

5 仿真與裝車實(shí)驗(yàn)

5.1 系統(tǒng)參數(shù)及仿真

系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

在MATLAB/Simulink 環(huán)境下，搭建仿真模型，仿真結(jié)果如圖8 所示。其中v 為車速，Ufc為支撐電容電壓，Iu為電機(jī)U 相電流。

由圖8 可見，系統(tǒng)在牽引、惰行、制動(dòng)工況下運(yùn)行正常，車速加減平穩(wěn)，電機(jī)電流穩(wěn)定，啟動(dòng)電流逐漸增大，無明顯沖擊，且電機(jī)電流正弦度良好，波形正常。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性。

5.2 裝車實(shí)驗(yàn)

將該牽引變流器應(yīng)用于某典型內(nèi)燃動(dòng)車組，在主機(jī)廠內(nèi)試驗(yàn)線上額定載荷、額定速度（0 ～70 km/h）、最大牽引制動(dòng)級(jí)位工況下進(jìn)行加減速實(shí)驗(yàn)，波形如圖9 所示。其中，曲線1 為直流母線電壓Udc（A：785 V，B：950 V），曲線2 為電機(jī)定子電流Is，曲線3 為手柄級(jí)位Gear（A：7，B：-7），曲線4 為車速v（A：75 km/h，B：5 km/h）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文軟硬件設(shè)計(jì)方案的有效性，但由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)與仿真參數(shù)不同，因而波形存在數(shù)值差異。

圖8 MATLAB / Simulink 仿真結(jié)果

圖9 裝車實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)語

本文通過對(duì)內(nèi)燃動(dòng)車組牽引變流器主電路設(shè)計(jì)、工作原理、硬件結(jié)構(gòu)等的介紹，闡述了該類型變流器的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合現(xiàn)代電機(jī)控制思想，基于特有的控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)燃動(dòng)車組的電傳動(dòng)控制。最后采用仿真與裝車實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了變流裝置的有效性、可靠性和適應(yīng)性。本研究對(duì)內(nèi)燃動(dòng)車組的工程應(yīng)用及市場(chǎng)化批量生產(chǎn)具有良好的借鑒意義。