高翔

重慶軌道交通集團有限公司，重慶 400015

目前國內城軌市場上國外牽引電傳動系統(tǒng)供應商如龐巴迪、阿爾斯通、西門子、日立等均早就設計生產出大集成式牽引變流器。國內牽引電傳動系統(tǒng)供應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品的平臺化、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械接口，能減少車輛為懸掛各設備而增加的橫梁，減輕自身車重，另外通過合理的布局和設計使得牽引變流器能在降重、減噪方面有巨大優(yōu)勢。

整個集成式牽引逆變器嚴格依據(jù)相關國際標準、國家標準、行業(yè)標準以及企業(yè)標準進行設計生產，從結構和電氣性能等方面進行仿真分析和試驗，不斷的修改完善，以期望能達到最優(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

啟動輸出最小頻率：0.1Hz

開關頻率：500Hz

標稱輸出電流：2×446A

牽引最大輸出電流：2×656A（有效值）

制動最大輸出電流：2×824A（有效值）

額定工作點效率：0.98

防護等級：IP55

過壓抑制斬波開關頻率：300Hz

過壓抑制斬波最大電流：720A

控制方式：VVVF直接轉矩控制

體積：2104mm×1600mm×605mm（L×W×H）

重量：≤820kg

沖擊和振動：滿足IEC61373-2010中1類A級要求

冷卻方式：熱管走行風冷

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：高壓回路對控制回路、地，AC4800V/50Hz，1min

控制回路對地，AC1500V/50Hz，1min

2 主電路設計

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

表1 器件代號

電路簡要說明如下：

DC750V高壓電源從受流器/受電弓送到輸入：一路經主隔離開關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，再到兩個逆變器模塊INVMK1、INVMK2，最后通過模塊輸出側電流傳感器到牽引電機；另一路通過經跨車供電接觸器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，MQS1為輔助開關，用于支撐電容放電。（2）FU1熔斷器配合高速斷路器HB1對主電路進行保護，高速斷路器具有瞬時脫扣過流保護和整定值保護功能。FU1用于對嚴重短路接地故障時分斷后續(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，起保護作用。（4）VH1、VH2分別測量直流側網壓和中間回路支撐電容兩端電壓，其檢測信號用來對輸入欠壓、過壓、中間直流過壓，欠壓等情況進行保護。（5）KM1、KM2、R1構成充電短接回路。HB閉合后，司機室方向手柄離開零位時，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電流，其信號用于各種保護，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：斬波管斬波快速放電、固定放電電阻R2放電、隔離開關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，并且模塊上預埋了溫度繼電器，用于過溫保護。（9）電抗器L為系統(tǒng)儲能和平波用，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）制動電阻BR為系統(tǒng)電制動能量消耗設備，也不在本方案范圍以內。

3 關鍵元器件設計選型

3.1 變流器模塊

變流器模塊作為變流器的CPU，其關鍵性不言而喻。本方案選用應用成熟的IBCM60G1（TE003X000000） 型模塊，其專為DC750V系統(tǒng)設計，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號線增購車都有應用業(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產品，為電磁保持空氣斷路器，頂端帶滅弧罩，過流脫扣可按實際需要在允許范圍內調節(jié)。參考型號：UR631TD-ZZZZZE1EDN2ids=2650A。主要參數(shù)見產品手冊。

3.3 電流傳感器和電壓傳感器

傳感器選型時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

沿用老平臺產品器件，組件圖號：TE325-230000。電阻型號為RX24-300W-A/3K±5%。一個組件上兩個電阻元件串聯(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，時間常數(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、控制電源。

4 三維結構設計

4.1 整體結構設計

圖1 前視圖

圖2 后視圖

圖3 測視圖

整體結構設計如圖1、圖2、圖3所示，兩個變流模塊分別布置在柜體兩側，中間留有接線盒檢修空間（600mm），通過6個吊耳用M16的高強度螺栓與車體連接。柜體一共設有8個活動和半活動門，用于組裝，維護。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為全活動門，方便維護。高壓電源輸入門4、門8為螺栓安裝的半活動門，主要用于不常開啟的位置。

4.2 關鍵元器件布局

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行連接，控制插頭和以太網接口布置在DCU上方。

4.3 設計優(yōu)化

4.3.1 模塊化、兼容性設計

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

4.3.2 模塊化設計

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

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

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

以上方案只為初步方案，后續(xù)要繼續(xù)完善三維設計，優(yōu)化器件參數(shù)，逐步進行結構強度仿真、熱仿真、電氣仿真，并通過后續(xù)實際產品型式試驗來做以驗證。