彭 駒

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

現(xiàn)有城軌車輛的輔助逆變器主要采用工頻輔助逆變器，工頻逆變器是一種DC/AC的轉(zhuǎn)換器，將DC1 500 V直流電轉(zhuǎn)化成輸出電壓和頻率穩(wěn)定的交流電源，工頻逆變器首先把直流電逆變成工頻低壓交流電，再通過工頻變壓器升壓成AC380 V、50 Hz的交流電供負(fù)載使用，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但因其為工頻變壓器，故重量重。高頻輔助逆變器首先通過高頻DC/DC變換技術(shù)，逆變成穩(wěn)定的高壓直流電，而后通過工頻逆變電路得到AC380 V、50 Hz電流，因此高頻輔助逆變器具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，城軌車輛正朝著輕量化方面發(fā)展，采用高頻輔助逆變器能很好地解決輔助系統(tǒng)輕量化的問題，因此本文提出了一種應(yīng)用于地鐵、有軌電車等城軌車輛使用的大功率高頻輔助變流器，并與目前應(yīng)用較普遍的工頻輔助變流器進(jìn)行了對比分析。本高頻輔助逆變器設(shè)計(jì)在國內(nèi)軌道交通裝備領(lǐng)域具備前瞻性，目前通過了裝車驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 高頻輔助逆變器容量設(shè)計(jì)

目前城軌車輛普遍采用每列車配備2臺(tái)輔助逆變器給列車380 V交流負(fù)載供電，根據(jù)國內(nèi)B型城軌車輛對輔助逆變器功率容量的要求，6節(jié)編組的列車(兩單元)總功率需求，AC380 V交流一般需要440 kVA，DC110 V直流一般需要60 kW，雖然目前小容量的高頻輔助逆變器已開始小批量應(yīng)用，但小容量的高頻輔助逆變器只適用于4節(jié)編組的城軌列車，對于6節(jié)編組的城軌列車還無法滿足負(fù)載需求。故開發(fā)一套滿足6節(jié)車輛編組要求的大容量高頻輔助逆變器已勢在必行。

在進(jìn)行輔助逆變器的容量設(shè)計(jì)時(shí)，既需要充分考慮車輛的可用性和冗余性，也需要充分考慮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，因此當(dāng)一臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，為了提高車輛的可用性和冗余性，可通過切除一些非必需的交流負(fù)載來提高列車的可用性，盡量減少由于輔助逆變器故障帶來的影響。表1展示了一臺(tái)輔助逆變器故障情況下，還能滿足列車對輔助供電的基本要求理論計(jì)算。

表1 列車交流負(fù)載計(jì)算表

續(xù)表1

2 高頻輔助逆變器電路設(shè)計(jì)

高頻輔助變流器由輸入模塊(輸入變換器)、輸出模塊(充電機(jī)和三相逆變器)和控制模塊(控制單元和通信單元)組成，DC1 500 V電壓經(jīng)受電弓送入高壓箱，經(jīng)高壓箱內(nèi)的三位置轉(zhuǎn)換開關(guān)(BQS)、輔助隔離二極管、直流熔斷器(F1)送入輔助逆變器。直流DC1 500 V電壓輸入到輔助逆變器后，經(jīng)高壓隔離模塊(HVM)進(jìn)行高壓隔離，并變換為20 kHz的中高頻PWM電壓，并送入高頻變壓器隔離及后級(jí)整流電路。DC670 V電壓經(jīng)過逆變電路(API)變換為三相交流AC380 V交流輸出。 蓄電池充電機(jī)(BCM)將DC670 V電壓變換為DC110 V輸出，電氣原理拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 高中頻輔助逆變器電氣原理拓?fù)鋱D

從圖1可知，高頻輔助逆變器的輸入變換器由輸入Boost變換器和諧振變換器組成，輸入Boost變換器將變化的輸入直流電抬升至一個(gè)恒定的高壓直流電。恒定的高壓直流為后面的諧振變換器諧振點(diǎn)的選取提供了良好的輸入工況，有利于諧振變換器工作在零開關(guān)狀態(tài)，諧振變換器無開關(guān)損耗；另一方面，隨著電壓的升高，諧振變換器的工作電流變小，可使諧振變換器的導(dǎo)通損耗減少，從而使輔助逆變器效率得到有效提高。

與工頻輔助逆變器相比，高頻輔助逆變器IGBT開關(guān)管的電壓應(yīng)力會(huì)更低，有利于選擇低耐壓、高性能的IGBT開關(guān)器件來進(jìn)一步降低電路的損耗，在額定電壓和額定負(fù)載工況下，傳統(tǒng)的工頻輔助逆變器效率一般為89%左右，高頻輔助變流器效率接近94%，其效率高于傳統(tǒng)輔助逆變器轉(zhuǎn)換效率，效率對比圖如圖2所示。

圖2 工頻輔助逆變器與中高頻輔助逆變器效率對比

從圖2可知，本高頻輔助逆變器較高的轉(zhuǎn)換效率，對用戶的最直接好處就是降低了損耗，降低了碳排放，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 高頻輔助逆變器控制設(shè)計(jì)

同時(shí)滿足如下條件輔助逆變器將啟動(dòng)：高頻輔逆變無故障；高頻輔逆變輸入電壓滿足DC1 000 V～DC1 800 V；高頻輔逆變控制電源(DC110 V)有電。

滿足如下任意條件，輔助逆變器將停機(jī)：高頻輔逆變輸入高壓低于DC1 000 V并且持續(xù)50 ms；高頻輔逆變控制電源(DC110 V)失電；高頻輔逆變器無啟動(dòng)指令。

具體輔助逆變器正常啟動(dòng)/停止時(shí)序流程圖如圖3所示。

圖3 高中頻輔助逆變器啟動(dòng)/停止時(shí)序圖

4 高頻輔助逆變器輕量化設(shè)計(jì)

高頻輔助逆變器相比傳統(tǒng)的工頻輔助逆變器，高頻輔助逆變器具有輕量化的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的工頻輔助逆變器中，輔助逆變器的工作原理為：直接將輸入高壓DC1 500 V進(jìn)行三相逆變，并通過工頻變壓器(AEB)隔離后輸出車輛所需的三相AC380 V交流；對于直流DC110 V的輸出，AC380 V三相交流電通過直流充電機(jī)進(jìn)行變換，并經(jīng)變壓器隔離整理濾波后輸出DC110 V，工頻輔助逆變器電氣原理拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 工頻輔助逆變器電氣原理拓?fù)鋱D

根據(jù)分析計(jì)算可知，在整個(gè)輔助逆變器部件中，磁性元器件不僅在重量上占有很大的比重，同時(shí)在體積上亦占有很大的比重。因此輔助逆變器的重量很大一部分集中在隔離輸出變壓器(AEB)的磁性鐵芯上。根據(jù)變壓器磁芯選型Ap法：

(1)

可知：變壓器的Ap值(變壓器的截面積與窗口面積乘積)與工作頻率f成反比，而Ap值直接取決于所選變壓器磁芯的大小，磁芯越大，Ap值越大。所以當(dāng)工作頻率越大時(shí)，所選的變壓器所需磁芯越小，變壓器重量就會(huì)越輕。同等輸出功率情況下，由于采用高頻技術(shù)，工作頻率直接從50 Hz工作頻率提升至20 kHz工作頻率，根據(jù)計(jì)算，高頻逆變器相比傳統(tǒng)工頻輔助逆變器重量輕50%左右。

另一方面，根據(jù)法拉第定律：

(2)

可知：在相同的輸入電壓情況下，變壓器的繞線匝數(shù)N與工作頻率f成反比，所以當(dāng)工作頻率越大時(shí)，所需的變壓器匝數(shù)越少，即所需的導(dǎo)電線圈越少，變壓器的重量也會(huì)越輕。

所以，當(dāng)選用高頻輔助逆變器方案后，所有的磁性元器件體積將大幅度減小，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)箱體積的減小，進(jìn)一步帶來機(jī)箱重量的減輕。

綜上可知，當(dāng)輔逆變壓器的工作頻率由50 Hz提升至20 kHz時(shí)，其變壓器只需要選擇更小的磁芯，使用更少的導(dǎo)電線圈，其結(jié)果就是變壓器的重量將大幅度降低，對整車的重量控制及設(shè)備布置都是一個(gè)極大的改善。

5 結(jié)語

本高頻輔助逆變器順利通過了各項(xiàng)設(shè)計(jì)評(píng)審及型式試驗(yàn)，及裝車后的整車調(diào)試及相關(guān)的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)證明該型號(hào)的高頻輔助逆變器各項(xiàng)技術(shù)性能都符合設(shè)計(jì)要求，所有的試驗(yàn)和調(diào)試都達(dá)到了預(yù)期效果，通過了裝車前專家評(píng)審、載客運(yùn)營前專家評(píng)審，并于2021年2月完成了50 000 km載客試運(yùn)營，期間各項(xiàng)性能情況良好，各指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)能效果明顯，給用戶帶來了直接的經(jīng)濟(jì)效益。2021年5月完成了專家評(píng)審，具備進(jìn)一步推廣的價(jià)值。