王 雷，張明濤，徐亞昆，丁巧婭

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016)

在軌道交通領(lǐng)域里，基于傳統(tǒng)兩電平主電路拓?fù)涞臓恳o助變流器通常含有多個(gè)電磁部件，為了滿足牽引輔助一體式變流器的高集成度及輕量化設(shè)計(jì)要求，往往需要把這些電磁部件集成為組件[1-3]。具有高發(fā)熱密度的電磁組件的超溫保護(hù)至關(guān)重要，一般通過在高熱點(diǎn)的繞組中預(yù)置保護(hù)裝置間接實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)功能。目前多借助成本低、周期短的數(shù)值仿真進(jìn)行熱點(diǎn)定位，但元件熱施加方式與實(shí)際情況有差別，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)值仿真計(jì)算的溫度絕對(duì)值不準(zhǔn)確[4]，同時(shí)，電磁組件中熱點(diǎn)位置會(huì)因組件結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)的差異而難以確定。本文以某型動(dòng)車組牽引輔助變流器為研究對(duì)象，借助試驗(yàn)提出一種面向軌道交通車載高發(fā)熱密度電磁組件的精準(zhǔn)超溫保護(hù)機(jī)制，以彌補(bǔ)單純數(shù)值仿真的不足，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 動(dòng)車組牽引輔助變流器用電磁組件簡(jiǎn)介

圖1為動(dòng)車組牽引輔助變流器用電磁組件電路圖。

圖1 動(dòng)車組牽引輔助變流器用電磁組件電路圖

對(duì)于動(dòng)車組牽引輔助變流器兩電平的牽引主電路，為有效改善網(wǎng)側(cè)諧波、中間直流母線諧波及電動(dòng)機(jī)拍頻現(xiàn)象，一般采取如下措施：

(1) 在牽引主電路的中間直流回路中設(shè)置二次濾波電感，但是在動(dòng)車組上通常不將其集成入牽引變壓器[5]；

(2) 基于LC濾波-工頻變壓器結(jié)構(gòu)的輔助變流器具有電氣原理簡(jiǎn)單、控制方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步改善電源品質(zhì)，在輔助變流器的輸入端額外設(shè)置直流平波電抗器[6-7]；

(3) 為將輔助逆變器輸出的PWM波轉(zhuǎn)換為正弦波，使后端工頻變壓器能夠輸出更高質(zhì)量的AC 380 V電源，在電路中設(shè)置三相交流濾波電抗器，與濾波電容共同構(gòu)成三相濾波回路。

若將上述電路中的電磁部件直接分立安裝于變流器柜體內(nèi)部，將不利于動(dòng)車組牽引輔助變流器的小型化、輕量化設(shè)計(jì)。因此，動(dòng)車組牽引輔助變流器將各電磁部件集成為電磁組件，即將工頻變壓器、二次濾波電感、交流濾波電抗器和直流電抗器并列布置并吊掛于同一框架，形成電磁組件，這樣不但可提高電磁組件的功率密度，也符合牽引輔助一體化變流器的高集約化設(shè)計(jì)理念，同時(shí)還利于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。冷卻系統(tǒng)的散熱器和冷卻風(fēng)機(jī)可分別設(shè)置于電磁組件線圈匝間間隙的兩側(cè)，冷卻氣流經(jīng)散熱器進(jìn)入電磁組件線圈匝間間隙，最終從變流器底部散出[8-9]。

2 電磁組件溫升試驗(yàn)

2.1 電磁組件發(fā)熱原理

本文研究的電磁組件用于動(dòng)車組牽引輔助變流器，其可靠性對(duì)于列車的安全運(yùn)行至關(guān)重要，電磁組件熱點(diǎn)定位不精確會(huì)導(dǎo)致其超溫得不到保護(hù)，長(zhǎng)期超溫易加速組件的絕緣材料老化，甚至引發(fā)火災(zāi)[10]。因此，分析電磁組件發(fā)熱原理及探究其主被動(dòng)安全保護(hù)機(jī)制非常必要。

電磁組件主要由變壓器、電抗器組成，實(shí)際運(yùn)用過程中二者的發(fā)熱情況也略有不同。變壓器的發(fā)熱量(Q1)主要來自變壓器內(nèi)部的損耗(包括銅損和鐵損)；電抗器一般由繞組組成，即使長(zhǎng)期運(yùn)行其發(fā)熱量(Q2)也穩(wěn)定，二者發(fā)熱量的表達(dá)式分別為式(1)和式(2)：

Q1=PK+Pd

(1)

Q2=η1η2P

(2)

式中：PK——變壓器的空載損耗，與負(fù)荷大小無關(guān)；

Pd——變壓器的短路損耗，隨負(fù)荷的大小而變化；

η1——電抗器的利用系數(shù)；

η2——電抗器的負(fù)荷系數(shù)；

P——電抗器在額定功率下的功率損耗。

由于動(dòng)車組運(yùn)行工況復(fù)雜，變流器冷卻系統(tǒng)承受的負(fù)壓變化導(dǎo)致電磁組件的散熱氣流量并非一成不變[11]。目前仿真技術(shù)無法準(zhǔn)確模擬時(shí)變工況，可能導(dǎo)致電磁組件熱點(diǎn)定位存在誤差，因此借助匹配設(shè)計(jì)的地面溫升試驗(yàn)進(jìn)行電磁組件熱點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。

2.2 電磁組件溫升試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況主要技術(shù)參數(shù)

為準(zhǔn)確定位電磁組件的熱點(diǎn)進(jìn)而對(duì)其實(shí)施精準(zhǔn)保護(hù)，本文設(shè)計(jì)了特定的長(zhǎng)時(shí)地面溫升試驗(yàn)對(duì)包含電磁組件在內(nèi)的變流器進(jìn)行考核[12]。圖2為電磁組件溫升試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置。圖2中有23個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其位置是根據(jù)組件繞組結(jié)構(gòu)的匝間間隙差異可能帶來的冷卻空氣壓力損失而確定的。在電磁組件的23個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置上埋設(shè)PT100溫度傳感器，溫度傳感器由繞組出風(fēng)口伸入繞組匝間間隙，其伸入的長(zhǎng)度是繞組總長(zhǎng)的1/3，如圖3所示。

1～6.三相工頻變壓器繞組溫度測(cè)試點(diǎn)；7～10.二次諧振電感繞組溫度測(cè)試點(diǎn)；11～16.三相濾波電抗器繞組溫度測(cè)試點(diǎn)；17～20.直流電抗器繞組溫度測(cè)試點(diǎn)；21.電磁組件環(huán)境溫度測(cè)試點(diǎn)；22.二次諧振電感鐵芯溫度測(cè)試點(diǎn)；23.三相工頻變壓器鐵芯溫度測(cè)試點(diǎn)。圖2 電磁組件溫升試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置

圖3 測(cè)試點(diǎn)布置實(shí)物圖

為使試驗(yàn)更貼近動(dòng)車組的實(shí)際運(yùn)行工況，借助特定的試驗(yàn)工裝在變流器的冷卻系統(tǒng)引入一個(gè)與車型匹配的人工壓降，變流器牽引電機(jī)為滿載工況，且輔助負(fù)載采用最大設(shè)計(jì)容量(220 kVA)。溫升試驗(yàn)工況的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電磁組件溫升試驗(yàn)工況主要技術(shù)參數(shù)

2.3 電磁組件溫升試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)包含電磁組件在內(nèi)的變流器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)共持續(xù)5 h，待電磁組件環(huán)溫(測(cè)試點(diǎn)21)每小時(shí)的變化小于1 K(1 K=Δ1 ℃)時(shí)終止試驗(yàn)[13-14]。

圖4 電磁組件溫升試驗(yàn)各測(cè)試點(diǎn)溫升過程

圖5為溫升試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻各測(cè)試點(diǎn)相對(duì)于組件環(huán)溫(37.6 ℃)的溫升情況，圖中條形頂端所標(biāo)數(shù)據(jù)為具體溫升值。由圖5可以看出，23個(gè)測(cè)試點(diǎn)中最高溫度為77.8 ℃，對(duì)應(yīng)的溫升值為40.2 K，滿足該電磁組件H級(jí)耐熱等級(jí)下耐溫不超過180 ℃的要求。此外，工頻變壓器上的測(cè)試點(diǎn)(測(cè)試點(diǎn)1～6)中最高溫度出現(xiàn)在測(cè)試點(diǎn)5，即V相繞組靠近諧振電感的一側(cè)；二次諧振電感各測(cè)試點(diǎn)的溫升值并不高，其靠近變壓器側(cè)的繞組上測(cè)試點(diǎn)(測(cè)試點(diǎn)7、8)的溫升值比另一側(cè)的測(cè)試點(diǎn)(測(cè)試點(diǎn)9、10)稍大；交流濾波電抗器U/V/W三相繞組的溫度熱點(diǎn)均在遠(yuǎn)離二次濾波電抗器的一側(cè)。對(duì)于直流電抗器來說，因其位于交流濾波電抗器出風(fēng)位置，且靠近二次濾波器一側(cè)的發(fā)熱功率更加集中，導(dǎo)致同一繞組的左右兩側(cè)溫升值差異較大。

圖5 溫升試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各測(cè)試點(diǎn)溫升結(jié)果

為驗(yàn)證上述結(jié)論，在相同的試驗(yàn)工況下又2次重復(fù)進(jìn)行了5 h的長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)，2次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6和圖5可知，在3次溫升試驗(yàn)中同一測(cè)試點(diǎn)的溫度值雖略有起伏，但總體規(guī)律一致，即電磁組件熱點(diǎn)位置一致。證明當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作于設(shè)計(jì)風(fēng)量下、電磁組件工作于額定電流或額定容量工況時(shí)，電磁組件的熱點(diǎn)溫度相對(duì)固定，這為針對(duì)性地布置超溫保護(hù)用溫度傳感器提供了有力依據(jù)。

圖6 第2次和第3次試驗(yàn)各測(cè)試點(diǎn)溫升試驗(yàn)結(jié)果

3 電磁組件超溫保護(hù)機(jī)制

電磁組件超溫保護(hù)裝置的選取通常考慮以下3種情況：

(1) 溫度傳感器和溫度開關(guān)都可用作超溫保護(hù)裝置，前者多用來監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)溫度，而后者僅用來判別電磁組件的溫度狀態(tài)，具體采用哪一種方式需根據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)協(xié)議協(xié)商決定；

(2) 超溫保護(hù)裝置的選取需考慮電磁組件復(fù)雜的干擾環(huán)境，選取帶屏蔽功能的產(chǎn)品；

(3) 超溫保護(hù)裝置的選取還需充分考慮冗余性。

動(dòng)車組的中央控制單元需實(shí)時(shí)讀取牽引輔助變流器中工頻變壓器和二次諧振電感的溫度值，需設(shè)置相應(yīng)的溫度傳感器，但其所占用的數(shù)據(jù)采集及傳輸資源較設(shè)置溫度開關(guān)而言偏多，因此根據(jù)溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行溫度傳感器的精準(zhǔn)布置顯得尤為重要。結(jié)合溫升試驗(yàn)中熱點(diǎn)位置分布及試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置電磁組件超溫保護(hù)裝置，圖2中，在變壓器繞組中測(cè)試點(diǎn)5的上下位置各設(shè)置1組溫度傳感器(其中1個(gè)溫度傳感器為備用)，在二次諧振電感繞組中測(cè)試點(diǎn)7和8位置各設(shè)置1組溫度傳感器(其中1個(gè)溫度傳感器為備用)；對(duì)于不需監(jiān)測(cè)溫度的交流濾波電抗器和直流電抗器，在交流濾波電抗器繞組中熱點(diǎn)位置(測(cè)試點(diǎn)14～16)串聯(lián)使用3個(gè)常閉型溫度開關(guān)，在直流電抗器繞組中熱點(diǎn)位置(測(cè)試點(diǎn)19和20)串聯(lián)使用2個(gè)常閉型溫度開關(guān)，這樣便可簡(jiǎn)化控制單元采樣板卡的設(shè)計(jì)，并能準(zhǔn)確采集和傳遞反饋的狀態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的保護(hù)功能。

在此基礎(chǔ)上，控制單元超溫保護(hù)的邏輯閾值或溫度開關(guān)的開啟溫度均可以根據(jù)電磁組件H級(jí)耐熱等級(jí)選擇為180 ℃，雖該耐熱等級(jí)繞組的短時(shí)極限溫度可允許達(dá)220 ℃[15]，但冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)后繞組溫度仍將有一定程度的抬升，長(zhǎng)此以往會(huì)影響組件的使用壽命?；謴?fù)溫度的設(shè)置則可以參考低一級(jí)的耐熱等級(jí)進(jìn)行選擇。

4 電磁組件超溫保護(hù)機(jī)制試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的電磁組件超溫保護(hù)機(jī)制的有效性進(jìn)行了特定的故障模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的電磁組件熱點(diǎn)定位方法及其保護(hù)機(jī)制可行且有效。具體試驗(yàn)方法是：針對(duì)輔助變壓器超溫保護(hù)故障，在輔助變流器輕載工況下，通過不同程度地將冷卻散熱器進(jìn)風(fēng)口堵塞來模擬超溫故障，如圖7所示。故障模擬試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖7 超溫故障模擬試驗(yàn)方法示意圖

表2 故障模擬試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

(1) 負(fù)載容量100 kVA和50 kVA工況下，變壓器溫度低且上升速度緩慢，而交流濾波電抗器溫度上升速度快，很快便因突破180 ℃而報(bào)“輔助變壓器溫度過高”“交流濾波電抗器溫度超限”故障，這是因?yàn)榻涣鳛V波電抗器電流更接近其額定值，如圖8(a)所示；

圖8 模擬試驗(yàn)結(jié)果界面

(2) 濾波電抗器的三相繞組因冷卻氣流差異而溫度略有不同，但只要任意相繞組發(fā)生超溫故障，超溫保護(hù)裝置便可對(duì)濾波電抗器整體實(shí)施保護(hù)；

(3) 負(fù)載容量50 kVA、堵塞率90%工況下，交流濾波電抗器W相繞組達(dá)183.3 ℃而實(shí)施保護(hù)，停機(jī)2 min后該處溫度便快速下降至138.5 ℃，符合恢復(fù)溫度為(150±15) ℃的要求，使交流濾波電抗器溫度開關(guān)狀態(tài)反饋功能恢復(fù)正常，如圖8(b)所示。

5 結(jié)束語

本文基于溫升試驗(yàn)提出了一種牽引輔助變流器用電磁組件繞組熱點(diǎn)定位方法及其保護(hù)機(jī)制，并通過故障模擬試驗(yàn)證實(shí)了其可行性和有效性。該方法彌補(bǔ)了單純仿真計(jì)算的不足，提高了變流器相關(guān)超溫保護(hù)的精準(zhǔn)度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)利于動(dòng)車組日常運(yùn)維措施的制定。