地鐵車輛集成式牽引高壓箱設(shè)計(jì)

李 凱 寧 波 崔元虎

(西安中車永電捷通電氣有限公司 陜西 西安 710016)

0 概 述

牽引系統(tǒng)是城市軌道地鐵車輛的關(guān)鍵核心，被稱為其“心臟”的牽引逆變器的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到地鐵車輛的運(yùn)行效率、運(yùn)輸能力、行車安全等多方面問題[1-4]。目前，牽引系統(tǒng)主流的配置方式為高壓設(shè)備與牽引逆變器分體式配置(見表1)。車下配置采用單獨(dú)的隔離開關(guān)箱、高速斷路器箱和牽引逆變器箱，共同布置于動(dòng)力車下(Mp或M)。由于牽引系統(tǒng)設(shè)備眾多，造成了各設(shè)備間的接口多種多樣，車下設(shè)備布局、布線困難，同時(shí)也給維護(hù)人員增加了工作量。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)具有集成度高、性能好、維修便利的地鐵車輛牽引系統(tǒng)具有重大意義。采用設(shè)備集成方式布局，車下配置如表2所示。

表1 分體式車下設(shè)備配置

表2 集成式車下設(shè)備配置

對比表1和表2，車下設(shè)備數(shù)量和接口數(shù)量大幅度減小。下文以某地鐵車輛牽引高壓箱為研究對象，綜合考慮器件的布局、散熱、柜體強(qiáng)度和電氣接口的簡統(tǒng)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過把上述分體式牽引高壓系統(tǒng)集成到一起，從而減輕了牽引高壓系統(tǒng)質(zhì)量，減少了車下設(shè)備和接口的數(shù)量，有利于設(shè)備的簡統(tǒng)化、輕量化和小型化。使車下布局空間大幅增加，有利于主機(jī)廠車下配置、布線和減輕維護(hù)難度。從而提高了牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，降低了系統(tǒng)成本。

1 主要電氣參數(shù)及整體方案

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

額定的輸入電壓為DC1 500 V；最大輸出功率為2×1 300 kVA；最大輸出電流為2×574 A；輸出電壓為 三相AC 0～1 130 V；質(zhì)量為1 160 kg；冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷。

1.2 主電路原理

牽引高壓箱主電路原理如圖1所示，DC1 500 V濾波后經(jīng)逆變單元變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電。牽引系統(tǒng)主電路采用2×1C2M雙模塊架控方式，即每個(gè)模塊包含一個(gè)逆變單元，控制一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的兩臺(tái)電機(jī)。系統(tǒng)主要由高壓電路、預(yù)充電電路、逆變電路、蓄電池應(yīng)急電源電路和濾波電路組成。兩組逆變電路可獨(dú)立工作，故障時(shí)以單元為單位進(jìn)行切除，正常單元繼續(xù)運(yùn)行。柜體內(nèi)集成隔離開關(guān)、庫用插座、輔助熔斷器、高速斷路器、應(yīng)急牽引接觸器、隔離二極管、濾波電容器、濾波電抗器、功率模塊和控制單元等。

圖1 主電路原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柜體采用三段式分布設(shè)計(jì)，即兩側(cè)密閉區(qū)以及中間通風(fēng)區(qū)?？蚣芎烷T蓋板共同組成牽引高壓箱柜體。整個(gè)柜體框架材料為06Cr19Ni10，鈑金件通過機(jī)加和焊接拼接而成。外形尺寸(L×W×H)為：2 250 mm×1 770 mm×590 mm，牽引高壓箱總質(zhì)量為1 160 kg。質(zhì)量功率密度2.25 kW/kg，相對于典型分體式牽引逆變器和高壓箱提高了3.7%；體積功率密度為1 107 kW/m3，相對于典型分體式提高了19.2%，在體積和質(zhì)量方面具有一定優(yōu)勢。

門蓋板與框架之間使用密封條進(jìn)行密封，焊縫縫隙處涂抹密封膠。柜體密閉室防護(hù)等級為IP55，通風(fēng)室防護(hù)等級為IP20。門蓋具有未閉合檢測功能以及二次防松脫功能。外形及器件布局圖示意如圖2所示。

3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

集成式牽引高壓箱的主要特點(diǎn)是布局緊湊、發(fā)熱器件多、功率等級大。風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否對散熱效果和噪聲有著直接影響。柜體中需要冷卻的發(fā)熱部件為：功率模塊(PU)、濾波電抗器和二極管。根據(jù)功率模塊損耗的計(jì)算，最終采用型材散熱器+強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。頂部進(jìn)(吸)風(fēng)，底部出風(fēng)的方式散熱，風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖3所示。冷卻風(fēng)通過對稱布置的濾網(wǎng)和功率模塊散熱器后到達(dá)風(fēng)機(jī)，經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)導(dǎo)向后通過電抗器，熱風(fēng)從箱體底部的出風(fēng)口排出。另外，二極管組件(隔離/防逆二極管)采用型材散熱器自冷卻方式，箱體頂板和底板開有散熱的網(wǎng)孔。

綜合考慮功率模塊溫升、電抗器溫升和系統(tǒng)阻力，選擇合適的離心風(fēng)機(jī)，保證風(fēng)道中發(fā)熱器件所需的風(fēng)量。所選的風(fēng)機(jī)P-Q性能曲線如圖4所示。

1—隔離開關(guān)；2—預(yù)充電單元；3—應(yīng)急牽引單元；4—控制單元；5—濾波電抗器；6—濾網(wǎng)；7—冷卻風(fēng)機(jī)；8—功率模塊；9—高速斷路器。圖2 牽引高壓箱布局圖

圖3 風(fēng)道結(jié)構(gòu)

圖4 風(fēng)機(jī)P-Q曲線

柜體中的噪聲來源主要是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲、風(fēng)道內(nèi)氣流的氣動(dòng)噪聲和柜體的振動(dòng)噪聲。其中，氣動(dòng)噪聲對整體噪聲值的影響最大。為了減少風(fēng)阻和降低氣動(dòng)噪聲，在風(fēng)道中設(shè)計(jì)了導(dǎo)風(fēng)板，在風(fēng)機(jī)室一周設(shè)計(jì)了圓弧過渡導(dǎo)風(fēng)板。

4 強(qiáng)度仿真

4.1 計(jì)算依據(jù)

柜體為拖裝結(jié)構(gòu)，通過6個(gè)吊耳與車體底部連接。為避免柜體與車體發(fā)生共振，柜體的一階固有頻率應(yīng)高于30 Hz[5]。柜體靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)EN 12663，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用屈服強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，安全系數(shù)S≥1.15，且許用應(yīng)力

[σ]=σs/S

(1)

其中，σs為材料屈服強(qiáng)度，單位為MPa。

柜體材料為06Cr19Ni10，依據(jù)公式(1)計(jì)算得到的許用應(yīng)力為178.3 MPa。為保證柜體全壽命周期的可靠性，沖擊振動(dòng)試驗(yàn)是必做的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：IEC 61373—1999 1類A級。

分析用坐標(biāo)系與EN12663要求一致，X向?yàn)榭v向，即列車行進(jìn)方向，Y向?yàn)闄M向，即枕木方向，Z向?yàn)榇瓜?，g=-9.81 m/s2。按照表3的載荷條件施加載荷約束。

表3 載荷條件

4.2 模態(tài)分析

箱體結(jié)構(gòu)件為鈑金件，使用殼單元進(jìn)行離散，殼網(wǎng)格尺寸為10 mm，共計(jì)約20萬個(gè)網(wǎng)格。對箱體剛度影響較大的電器品簡化為質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量點(diǎn)使用rigid剛性連接。利用ANSYS WorkBench軟件對建立的有限元仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果如表4所示。

表4 模態(tài)分析結(jié)果 /Hz

一階固有頻率為34.8 Hz，高于設(shè)計(jì)要求的30 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。一階振型如圖5所示。

4.3 靜強(qiáng)度分析

6種工況下柜體的Mises應(yīng)力最大值如表5所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況5。

圖5 一階振型

表5 強(qiáng)度分析結(jié)果 /MPa

從結(jié)果中可以看出，6種工況下柜體最大應(yīng)力出現(xiàn)在PU安裝孔和風(fēng)機(jī)安裝孔處，這兩個(gè)位置的應(yīng)力均為奇異應(yīng)力。柜體在分析時(shí)，由于模型簡化原因，應(yīng)力奇異點(diǎn)通常會(huì)在內(nèi)尖角處、螺栓連接處(邊界條件施加位置、電器品固定點(diǎn)等)以及焊縫連接處。在網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格尺寸合適的條件下，若螺栓和焊縫處的奇異應(yīng)力安全系數(shù)不滿足要求，則需對其單獨(dú)進(jìn)行強(qiáng)度評定。靜力學(xué)分析結(jié)果表明，6種工況下箱體最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 噪音試驗(yàn)

噪音試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1094.10進(jìn)行，測點(diǎn)位于基準(zhǔn)發(fā)射面1 m處。在測試過程中，從每個(gè)面均勻選取3個(gè)測試點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測試點(diǎn)。各測點(diǎn)所得A計(jì)權(quán)聲壓級通過公式(2)計(jì)算得到平均A計(jì)權(quán)聲壓級：

(2)

由于背景噪聲聲級與產(chǎn)品合成聲級差值大于10 dB，因此，無須對產(chǎn)品合成聲級進(jìn)行背景噪聲的修訂。

試驗(yàn)結(jié)果表明，A計(jì)權(quán)平均聲壓級符合噪聲限值要求。

5.2 溫升試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)在額定電壓下，濾網(wǎng)堵塞15%的風(fēng)量按公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

Q=3 600V×S

(3)

其中：Q為風(fēng)量，m3/h；V為所測點(diǎn)風(fēng)速，m/s；S為進(jìn)風(fēng)口面積，m2。

經(jīng)過測量，所測點(diǎn)風(fēng)量均滿足設(shè)計(jì)要求。在電壓DC1 500 V、AW3工況額定電流下，對進(jìn)出風(fēng)口和功率模塊、濾波電抗器等發(fā)熱設(shè)備的溫升進(jìn)行了測量，同時(shí)也對箱體內(nèi)其余設(shè)備的溫升進(jìn)行了監(jiān)控。功率模塊散熱器表面及關(guān)鍵部件和位置布置熱電偶對溫度進(jìn)行監(jiān)測。按要求進(jìn)行溫升試驗(yàn)(見圖6)，試驗(yàn)結(jié)果表明，功率模塊、濾波電抗器、二極管等部件的溫升均滿足溫升限值要求。

5.3 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對首臺(tái)實(shí)物樣機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373—1999 1類A進(jìn)行試驗(yàn)。樣機(jī)在試驗(yàn)結(jié)束后未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，且性能試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

相比主流的分體式牽引系統(tǒng)，集成式牽引系統(tǒng)有效解決了車下布局空間緊張、接口繁多、維護(hù)不便等問題。利用此集成式牽引系統(tǒng)平臺(tái)，可減少車下設(shè)備種類、簡統(tǒng)電氣接口，降低牽引系統(tǒng)成本，提高軌道交通車輛的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。目前，此集成式牽引系統(tǒng)已經(jīng)批量交付主機(jī)廠，應(yīng)用于多條城市地鐵線路。

圖6 溫升試驗(yàn)示意圖