王泉策

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì)，044502）

0 引言

隨著我國在軌道電力設(shè)施建設(shè)和軌道交通領(lǐng)域的不斷投資，以及有益于環(huán)境保護(hù)和改善旅客乘坐舒適度等方面的考量，如今的鐵路主要的客運(yùn)和貨運(yùn)機(jī)車基本上都是采用交流傳動(dòng)的電力機(jī)車。進(jìn)入21 世紀(jì)，電力機(jī)車的發(fā)展逐步完成從技術(shù)引進(jìn)到技術(shù)吸收國產(chǎn)化的過程，其中形成了HXD1、HXD2 和 HXD3 這些成系列且大批量的“和諧號”電力機(jī)車。此后，為了提高鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營效率和服務(wù)質(zhì)量，在現(xiàn)有的線路資源和各類機(jī)車的檢修資源基礎(chǔ)上，我國又研制出具有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)車——CR200J“復(fù)興號”交流傳動(dòng)電力機(jī)車。

但即使電力機(jī)車的發(fā)展迅猛，但在電力機(jī)車市場逐漸趨于飽和的情況下，目前市場潛力最大的國外市場，對于內(nèi)燃機(jī)車的需求也更為廣闊，因?yàn)槠洳恍枰幌盗须姎饣母咄顿Y和維護(hù)費(fèi)用的基礎(chǔ)設(shè)施資源，內(nèi)燃機(jī)車的客運(yùn)和貨運(yùn)線路更為靈活，也更適于老舊的鐵路車組更新?lián)Q代。除此之外，在國內(nèi)偏遠(yuǎn)地區(qū)以及電氣線路無法覆蓋的區(qū)域，在機(jī)務(wù)段內(nèi)的調(diào)車，以及無論是電氣線路還是普通線路的應(yīng)急救援等方面，內(nèi)燃機(jī)車仍然有著不可替代的關(guān)鍵作用。

本文介紹的一種輔助變流器適用于內(nèi)燃機(jī)車，主要實(shí)現(xiàn)由輔助發(fā)電機(jī)到輔助永電的控制以及主發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制功能。

該輔助變流器適用于某型內(nèi)燃機(jī)車，機(jī)車應(yīng)用范圍在熱帶，溫度濕度都較高，海拔偏低，在溫帶低海拔地區(qū)，該車型同樣可以很好應(yīng)用。輔助變流器要求安裝在與機(jī)車司機(jī)室相鄰的輔助室內(nèi)，應(yīng)能承受風(fēng)、鹽霧、粉塵、高濕度等侵襲。該車型的環(huán)境條件如下：

外界空氣的最高溫度：45℃

全年空氣的平均溫度：35℃

最大相對濕度：100%

平均相對濕度：75%

最高海拔：650m

對于海拔高于1400m 的車型設(shè)計(jì)，變流器可以重新設(shè)計(jì)核算和進(jìn)行小范圍技術(shù)改進(jìn)以滿足技術(shù)需求。

1 變流器方案

1.1 電氣原理

輔助變流器由5 臺交－直－交變流器、1 臺充電機(jī)及2臺勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成。

輔助系統(tǒng)通過交－直－交變換將機(jī)車輔助交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相AC500V/90Hz 電壓轉(zhuǎn)換為各負(fù)載所需頻率與幅值的三相交流電。輔助逆變器分為CVCF 和VVVF 兩種，根據(jù)負(fù)載的需求分別提供恒壓恒頻的輸出和變壓變頻的輸出，兩種輔助逆變器相互獨(dú)立。INV1-5 路供給負(fù)載分別為冷卻風(fēng)扇1、冷卻風(fēng)扇2、空壓機(jī)1、空壓機(jī)2 及空調(diào)機(jī)組、車體通風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載提供三相交流電源。

充電機(jī)系統(tǒng)從輔助交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相AC500V/ 90Hz 電壓取電，經(jīng)過全橋整流電路和電感電容濾除紋波，輸出中間直流電。然后經(jīng)過半橋斬波電路、變壓器和二極管構(gòu)成的整流電路以及電感電容濾波，進(jìn)行直－交－直變換，將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為DC74V 輸出，為機(jī)車蓄電池和其他低壓負(fù)載供電。在充電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換電路中，采用了移相全橋的控制技術(shù)，通過功率器件的參數(shù)計(jì)算和選型，由IGBT 并聯(lián)的二極管、電容以及高頻變壓器的漏感組成了零電壓開關(guān)回路。當(dāng)功率器件的端電壓為零時(shí)，將其進(jìn)行導(dǎo)通，這能夠大大減小功率器件的開關(guān)損耗，以便充電機(jī)模塊在高至25 kHz 的高頻運(yùn)行。

輔助變流器控制勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁模塊輸出電流，控制主發(fā)和輔發(fā)的輸出電壓與頻率變化。在各功能單元輸入側(cè)均加入了接觸器，在某個(gè)功能單元故障時(shí)可以將其進(jìn)行隔離操作，不影響其他功能單元的正常運(yùn)行。變流器具有RS485 通信功能，可將變流器狀態(tài)、電壓及電流參數(shù)傳送給微機(jī)LCS32，同時(shí)，微機(jī)通過RS485 通信，控制輔助變流器的工作。

輔助變流器原理圖如圖1 所示。

圖1 輔助變流器電氣原理圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

輔助變流部分如表1 所示，充電機(jī)參數(shù)如表2 所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)如表3 所示。

表1 輔助變流部分

表2 充電機(jī)

表3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

采用輔助充電機(jī)勵(lì)磁一體化設(shè)計(jì)，將輔助變流器、充電機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器集成在一個(gè)柜體里面，實(shí)現(xiàn)輔助和充電機(jī)設(shè)備高集成度和輕量化的目標(biāo)。

輔助變流器部分采用強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻方式，實(shí)現(xiàn)裝置小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，故障時(shí)以功能單元為單位進(jìn)行更換可以快速恢復(fù)，并便于維護(hù)與檢修。

1.4 輔助變流器控制功能

輔助變流器的控制功能主要包括：隔離運(yùn)行模式邏輯；歷史故障數(shù)據(jù)的故障診斷和記錄功能；輔助變流部分VVVF和CVCF 控制；充電機(jī)具有蓄電池供電、蓄電池充電和外部供電的切換功能；充電機(jī)按照用戶約定的充電特性曲線為機(jī)車的車載蓄電池充電，在車載蓄電池電量較低時(shí)采用恒流充電的控制方式，當(dāng)電量較高時(shí)，采用相應(yīng)的恒壓充電的控制方式進(jìn)行浮充；充電機(jī)同時(shí)具有溫度補(bǔ)償功能。在一定溫度范圍時(shí)，充電機(jī)根據(jù)溫度補(bǔ)償蓄電池充電端電壓，蓄電池溫度每增加1℃，蓄電端電壓減少一定mV 值；超出前述溫度范圍時(shí)，充電端電壓恒定不變。該功能可根據(jù)用戶要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并通過軟件修改即可實(shí)現(xiàn)，不需要更改硬件；根據(jù)主發(fā)電機(jī)特性進(jìn)行勵(lì)磁控制。

1.5 保護(hù)功能

輔助變流器具有完善的保護(hù)動(dòng)作，主要包括以下保護(hù)功能：輔助輸入電壓過壓保護(hù)；輔助輸入電壓欠壓保護(hù)；中間直流過壓保護(hù)；各模塊IGBT 元件故障、過熱保護(hù)；DC/DC、DC/AC、充電機(jī)模塊過熱保護(hù)；輔助逆變輸出短路保護(hù)；輔助逆變輸出過流保護(hù)；輔助主回路接地保護(hù)（電壓型接地檢測）；接觸器等部件故障保護(hù)；變壓器過熱保護(hù)；輔助逆變輸出三相不平衡保護(hù)。充電機(jī)輸入過壓保護(hù)；充電機(jī)輸入欠壓保護(hù)；充電機(jī)輸出過壓保護(hù)；充電機(jī)輸出過流保護(hù)；柜內(nèi)溫度過高保護(hù)；進(jìn)風(fēng)口溫度過高保護(hù)；散熱器過熱保護(hù)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輔助變流器按照模塊化設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)，根據(jù)電氣原理，內(nèi)部布置8 個(gè)功率模塊，模塊均采用強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，風(fēng)道設(shè)計(jì)為集中風(fēng)道，采用一臺風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，風(fēng)機(jī)安裝在柜體頂部，柜體整體散熱方式為下側(cè)方進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)的方式散熱。柜體兩側(cè)柜門均可打開，布置于柜門打開面，兩面檢修方式，柜體采用底部安裝。柜門設(shè)置有壓力開關(guān)，在打開柜門時(shí)自動(dòng)檢測并上傳整車。柜內(nèi)設(shè)置高壓警示燈，并在柜門不打開即可從柜外進(jìn)行觀察，防止觸電。變流器結(jié)構(gòu)的總體布局如圖2 所示，結(jié)構(gòu)外形圖如圖3所示。

圖2 輔助變流器布局圖

圖3 輔助變流器外形圖

整體外形尺寸：L×B×H=1350mm×850mm×2000mm柜體重量：約1100kg

安裝方式：底部4 個(gè)腰孔安裝M20 螺栓，背部2 個(gè)M16 吊環(huán)孔固定到墻上。

3 功率模塊設(shè)計(jì)

為了簡統(tǒng)化和小型化設(shè)計(jì)，對于變流器中關(guān)鍵部件通常采用模塊化設(shè)計(jì)。該變流器對于整流逆變的變換部分設(shè)計(jì)了整流+逆變功率模塊，對充電機(jī)在不控整流后的部分采用充電機(jī)功率模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 整流+逆變功率模塊

（1）電氣原理

整流+逆變功率模塊采用二極管不控整流和IGBT 可控逆變單元組成，將輔助發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)過ACDC-AC 轉(zhuǎn)換，輸出負(fù)載需要的三相交流電，電氣原理如圖4所示。

圖4 整流+逆變功率模塊原理圖

（2）主要技術(shù)參數(shù)

整流+逆變功率模塊技術(shù)參數(shù)如表4 所示。與原現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)對比，如表5 所示。

表4 整流+逆變功率模塊技術(shù)參數(shù)

表5 整流和逆變功率模塊主要電氣技術(shù)參數(shù)比較

采用現(xiàn)有產(chǎn)品輔助逆變功率模塊，在相同風(fēng)量下，功率損耗參數(shù)對比見表6，完全滿足本次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，因此可采用原已有輔助逆變功率的逆變模塊部分的功率器件。

表6 逆變模塊功率損耗對比

但在整流部分，本次設(shè)計(jì)采用二極管不控整流，原模塊為晶閘管半控整流，所以需要重新設(shè)計(jì)整流模塊，因此以下進(jìn)行整流部分功率器件的選型計(jì)算。

（1）二極管額定電壓的選擇

最高輸入電壓為URMS=AC500V，整流后的電壓Vdc=675.5V，考慮到網(wǎng)壓波動(dòng)及反向恢復(fù)時(shí)的過壓，一般選擇二極管的額定電壓應(yīng)大于2～3 倍的工作電壓，即675×2=1350V，所以這里選用2000V 的雙管二極管器件。

（2）二極管額定電流的選擇

整流后輸出電流的平均值：

其中：Po為輸出功率，Uo為輸出電壓。

二極管的正向平均電流：IF=35A

二極管有效值：IRMS=60A

考慮到2～3 倍的安全裕量，因此選用整流二極管，其額定工作電流為260A。

（3）二極管結(jié)溫計(jì)算

散熱參數(shù)采用已有模塊的風(fēng)量和壓降要求，二極管結(jié)溫如表7 所示，能夠滿足散熱要求。

表7 二極管結(jié)溫計(jì)算

（4）結(jié)構(gòu)外形

整流逆變模塊的整流部分重新進(jìn)行選型設(shè)計(jì)后，更新整流逆變功率模塊三維結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 整流逆變功率模塊外形圖

3.2 充電機(jī)功率模塊

（1）電氣原理

充電機(jī)功率模塊的輸入為經(jīng)過三相不控整流后的直流電，通過斬波電路和變壓器，以及其后的電感電容濾波，將輸入側(cè)的直流560V 電壓控制輸出為穩(wěn)定的74V 直流電。

在單個(gè)開關(guān)周期的前半段，半橋斬波電路的上管IBGT導(dǎo)通，變壓器原邊線圈上正下負(fù)，電壓值為輸入端直流母線電壓的一半，副邊二極管整流電路上端二極管正向?qū)?，下端二極管負(fù)向關(guān)閉，充電機(jī)輸出上正下負(fù)；在單個(gè)開關(guān)周期的后半段，變壓器原邊線圈下正上負(fù)，電壓值為輸入端直流母線電壓的一半，副本二極管整流電路上端二極管負(fù)向關(guān)閉，下端二極管正向?qū)ǎ潆姍C(jī)輸出同樣上正下負(fù)。

充電機(jī)功率模塊的電氣原理如圖6 所示。

圖6 充電機(jī)功率模塊原理圖

（2）主要技術(shù)參數(shù)

充電機(jī)功率模塊技術(shù)參數(shù)如表8 所示。

表8 充電機(jī)功率模塊技術(shù)參數(shù)

（3）結(jié)構(gòu)外形

充電機(jī)功率模塊已有大批量成熟應(yīng)用的產(chǎn)品，能夠滿足本次設(shè)計(jì)要求，該模塊的外形如圖7 所示。

圖7 充電機(jī)功率模塊外形圖

3.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁控制器功率模塊采用不控整流和斬波單元組成，將三相交流變壓器輸出的交流電經(jīng)過整流和斬波，輸出主發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)所需的可控勵(lì)磁電流，從而控制主、輔發(fā)電機(jī)工作，為整車提供能源。勵(lì)磁控制器的主電路電氣原理如圖8 所示。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器技術(shù)參數(shù)如表9 所示。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已有成熟應(yīng)用的產(chǎn)品，集成在控制單元中。

圖8 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主電路原理圖

表9 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)論

輔助變流器的功率轉(zhuǎn)換部分基于成熟產(chǎn)品，對二極管進(jìn)行了重新參數(shù)設(shè)計(jì)和選型，改進(jìn)功率模塊設(shè)計(jì)，滿足整車設(shè)計(jì)需求。在充電機(jī)主電路的功率轉(zhuǎn)換中，采用先進(jìn)行整流，然后通過高頻DCDC 和極性轉(zhuǎn)變，并通過高頻變壓器進(jìn)行電壓降壓，副邊整流出直流電的設(shè)計(jì)方案，雖然該方案在早年間看來，高頻轉(zhuǎn)換電路要多增加幾級轉(zhuǎn)換，不僅電路復(fù)雜而且控制難度高，但經(jīng)過多年控制技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠成熟應(yīng)用，并且其變換頻率為25kHz，能夠減少變壓器等功率器件的體積，達(dá)成高功率密度而得到廣泛采用。該輔助變流器可以給各類輔助負(fù)載供電，并給發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，該變流器能很好地應(yīng)用于高溫環(huán)境內(nèi)燃機(jī)車。