劉慧娟，吳冠霖，張明濤

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì)，044502）

0 引言

近年來，世界各國都將安全、高效、綠色、智能的新型軌道交通作為未來公共交通發(fā)展的主導(dǎo)方向，同時(shí)也掀起了以信息網(wǎng)絡(luò)、智能制造、新能源和新材料為代表的新一輪技術(shù)創(chuàng)新熱潮。德國西門子Velaro Novo 新型高速列車，是西門子“Velaro”系列的第五代產(chǎn)品，列車最高速度從250km/h 到360km/h 不等。

在國內(nèi)，以國家實(shí)施的“中國制造2025”為契機(jī)，抓緊技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇，在軌道交通牽引系統(tǒng)研制上大力耕耘。研發(fā)更安全、更環(huán)保、更節(jié)能、更智能的復(fù)興號(hào)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)我國高鐵更高運(yùn)營速度，持續(xù)我國高鐵領(lǐng)跑優(yōu)勢。

本文介紹的一種牽引輔助變流器，主要為牽引電動(dòng)機(jī)提供電壓、頻率可調(diào)的電源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的牽引制動(dòng)控制功能，并為車輛輔助負(fù)載提供AC380V/50Hz 的三相交流電。

1 變流器方案

牽引輔助變流器從25kV 接觸網(wǎng)取電，通過AC-DC 變換將單相AC 1900V 電變換成DC 3600V 直流電，供牽引逆變器、輔助變流器使用。牽引逆變器將中間母線電壓通過DC-AC 變換為AC 0V～2808V 三相交流電來驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)工作。輔助變流器從中間直流母線取電，通過DC-DC+DC-AC變換將DC 3600V 變換為3AC 380V。牽引輔助變流器內(nèi)部部件含非金屬材料，所有部件防火均滿足EN 45545-2 要求。

1.1 電氣原理

牽引輔助變流器主電路拓?fù)淙鐖D1 所示，包含預(yù)充電單元、四象限整流單元、中間直流回路、接地檢測回路、過壓抑制單元及牽引逆變單元。其中，四象限整流模塊給牽引逆變模塊供電，牽引逆變模塊通過一個(gè)三極隔離接觸器給牽引電機(jī)供電。輔助變流器從中間直流回路取電，由DC/DC 功率模塊和DC/AC 功率模塊構(gòu)成。系統(tǒng)采用強(qiáng)迫水循環(huán)風(fēng)冷散熱方式，四象限整流模塊和牽引逆變模塊采用強(qiáng)迫水冷散熱，變壓器電抗器組件采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。牽引輔助變流器通過控制單元將變流器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)傳遞給整車，同時(shí)可以調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)在牽引和再生制動(dòng)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 主電路拓?fù)鋱D

1.2 技術(shù)參數(shù)

牽引輔助變流器技術(shù)參數(shù)如表1 ～表2 所示。

表1 牽引部分技術(shù)參數(shù)

表2 輔助部分技術(shù)參數(shù)

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

牽引輔助變流器為兩整四逆兩電平主電路，此類型拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的獨(dú)立軸控，兩整四逆主電路是在兩整兩逆獨(dú)立軸控、兩整三逆獨(dú)立軸控兩電平主電路基礎(chǔ)上的延伸設(shè)計(jì)。變流器采用無LC 設(shè)計(jì)及無拍頻控制技術(shù)，并在逆變輸出側(cè)設(shè)置三極接觸器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障后牽引電機(jī)的隔離，維持動(dòng)車組運(yùn)行。輔助部分從中間直流回路取電，通過DC/DC+DC/AC 的電路拓?fù)浣Y(jié)合高頻軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)AC380V 交流供電，且輸出采用無互連線并聯(lián)供電技術(shù)。

1.4 變流器控制功能

牽引輔助變流器主要包括以下控制功能：執(zhí)行TCMS分配的牽引力指令，并實(shí)現(xiàn)牽引力控制；執(zhí)行BCU 分配的再生制動(dòng)力指令（恒速控制除外），并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)力控制；執(zhí)行TCMS 故障降級(jí)模式（減功率）和限速指令；執(zhí)行TCMS 關(guān)于輔助變流器供電相關(guān)指令；牽引系統(tǒng)內(nèi)部限速管理（出于對(duì)牽引系統(tǒng)自身的保護(hù)）；電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制；緊急牽引控制；中間直流回路充電控制；變流器的啟動(dòng)控制；中間直流回路電壓監(jiān)控；接地故障監(jiān)控；牽引安全聯(lián)鎖控制；輪徑校正控制；變流器冷卻監(jiān)控；牽引電機(jī)冷卻監(jiān)控；防空轉(zhuǎn)/電制滑行控制；弱磁控制；整列動(dòng)車組不同四象限整流器采用載波移相控制策略，實(shí)現(xiàn)諧波有效抑制；輔助變流器各輸入和輸出端的獨(dú)立接通和切斷控制；保護(hù)自身的設(shè)備免于過載、短路、不平衡負(fù)載、輸入和輸出的單一的和多重接地故障控制；網(wǎng)壓/功率限制。

1.5 變流器保護(hù)功能

牽引輔助變流器主要包括以下保護(hù)功能：冷卻單元保護(hù)；主電路短路、過流和過載保護(hù)；接地保護(hù)；瞬時(shí)過電壓保護(hù)；中間直流回路過壓及欠壓保護(hù)；直流回路充電異常保護(hù)；輸入電壓過壓及欠壓保護(hù)；輸入/輸出過流保護(hù)；控制電源保護(hù)；牽引/輔助控制單元斷電時(shí)中間直流回路快速放電保護(hù)；牽引電機(jī)不工作保護(hù)；鎖軸故障保護(hù)；超溫保護(hù)（包括牽引電機(jī)、冷卻單元等超溫）；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓、網(wǎng)流的波動(dòng)、突變、中斷的監(jiān)測及保護(hù)；其他保護(hù)（如短路保護(hù)、電機(jī)缺相保護(hù)、接觸器等內(nèi)部部件故障保護(hù)等）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引輔助變流器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繼承了動(dòng)車組變流器模塊化、平臺(tái)化布局設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含接觸器平臺(tái)、TCU 平臺(tái)、牽引功率平臺(tái)、輔助功率平臺(tái)、冷卻單元平臺(tái)、變壓器電抗器平臺(tái)等。同時(shí)設(shè)置了側(cè)門板、底門板，方便現(xiàn)場組裝及后期維護(hù)。變流器走行方向兩側(cè)分別設(shè)置6 個(gè)含安裝孔的吊耳，風(fēng)機(jī)、散熱器、功率平臺(tái)采用兩邊對(duì)稱布置方式，防止變流器發(fā)生重心偏移，高低壓對(duì)外接口位于兩側(cè)斷面上。變流器內(nèi)部設(shè)置一套冷卻單元，采用兩側(cè)進(jìn)風(fēng)、底部出風(fēng)的進(jìn)出風(fēng)口設(shè)計(jì)。線纜走線路徑采用高低壓分離設(shè)計(jì)，防止發(fā)生電磁干擾。變流器結(jié)構(gòu)布局如圖2 所示。

圖2 牽引輔助變流器結(jié)構(gòu)布局圖

2.2 水冷單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變流器功率器件與水冷電機(jī)采用各自獨(dú)立的兩套冷卻系統(tǒng)，分別布置在變流器兩側(cè)形成集成式冷卻裝置。冷卻裝置是由散熱器、膨脹水箱和空氣過濾器一體化集成的散熱器組件，集成式冷卻裝置設(shè)置兩臺(tái)水泵，四臺(tái)風(fēng)機(jī)組件，兩兩并列布置在散熱器出風(fēng)面后側(cè)。水冷單元結(jié)構(gòu)布局如圖3 所示。

圖3 水冷單元結(jié)構(gòu)布局圖

3 功率模塊設(shè)計(jì)

牽引功率模塊中間母線電壓為3600V，功率器件為6500V/750A。功率器件對(duì)稱布置于模塊兩側(cè)水冷基板上，與水冷管路相連的水接頭設(shè)置在功率模塊后側(cè)。模塊高壓電氣直流接口為前出線，交流接口為后出線，在變流柜內(nèi)采用插拔立式、抽屜式安裝，模塊前側(cè)底部與變流柜柜體固定，模塊上方設(shè)有一根長螺桿，在后側(cè)與變流柜機(jī)械連接，其外形結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 功率模塊外形圖

牽引功率模塊包含四象限整流功率模塊及牽引逆變功率模塊，主要技術(shù)參數(shù)如表3～表4 所示。

表3 四象限整流功率模塊技術(shù)參數(shù)

表4 牽引逆變功率模塊技術(shù)參數(shù)

4 仿真分析

牽引輔助變流器從25kV 接觸網(wǎng)取電，經(jīng)過四象限整流轉(zhuǎn)化成直流電，供牽引逆變器、輔助變流器使用。牽引逆變器將中間母線直流電壓變換為AC 0V ～2808V 三相交流電來驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)工作。根據(jù)系統(tǒng)主電路拓?fù)洌罱ǚ抡婺Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 輸入特性仿真

在網(wǎng)壓25kV，牽引滿載工況時(shí)，單臺(tái)四象限整流器輸入電流有效值為825.8A，峰值電流為1168A，電流畸變率（THD）為10.77%，滿足設(shè)計(jì)要求。仿真波形如圖5 所示。

圖5 四象限整流輸入電壓電流波形（牽引滿載工況）

穩(wěn)態(tài)時(shí)變壓器原邊電流仿真波形如圖6 所示，原邊電流有效值為126.5A，最大值為178.8A，電流畸變率（THD）為3.41%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 變壓器原邊電流波形及其諧波分析

4.2 輸出特性仿真

在網(wǎng)壓25kV，牽引滿載工況，電機(jī)定子頻率283.4Hz時(shí)，逆變輸出電流峰值251.1A，基波有效值為177.6A，諧波含量為14.96%，滿足設(shè)計(jì)要求。仿真波形如圖7 所示。

圖7 額定點(diǎn)時(shí)逆變器輸出電壓、電流（283.4Hz，額定功率）

4.3 中間直流母線電壓仿真

系統(tǒng)從啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)時(shí)中間直流母線電壓及電容電流波形如圖8 所示。

圖8 中間直流母線電壓波形

從圖8 可知，滿載穩(wěn)態(tài)下直流電壓波動(dòng)范圍約為3460V～3730V，紋波為7.5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種高速動(dòng)車組牽引輔助變流器的方案設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了牽引輔助變流器的工作原理，技術(shù)特點(diǎn)，具備的保護(hù)和控制功能。最后通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，該牽引輔助變流器各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。對(duì)研究安全、高效、綠色、智能的新型軌道交通具有重要意義。