一種地鐵輔助變流器設計與應用

王明 李志杰

摘要：介紹了一種地鐵車輛輔助變流器產品的方案及特點、主電路及技術參數、總體結構及主功能單元、仿真與樣機試驗，闡述了輔助變流器性能提升設計方法。

關鍵詞：輔助變流器；IGBT；地鐵

地鐵輔助變流器將弓網的高壓直流轉換為三相交流電，為車輛客室空調、空壓機、交流照明等提供電能，是地鐵車輛的重要裝備之一。株洲時代電氣股份有限公司開發了一種輔助變流器，以其性能穩定、維護簡易、全壽命周期成本低等特點，受到客戶的青睞。本文詳細介紹了這種輔助變流器的系統方案、特慮、主電路設計及參數計算、總結結構、主要部件、仿真及樣機試驗等。

1系統方案及特點

地鐵車輛根據輔助變流器輸出至車輛中壓母線的形式，采用多臺輔助變流器并聯輸出至中壓母線，共同向母線下負載提供電能的方式，在單臺輔助變流器故障的情況下，能夠不影響車輛中壓母線負載工作，從而提高了輔助變流器供電的冗余度，具有更為可靠、舒適的優點，因此，為實現輔助變流器并聯運用，設計一種重量輕、噪聲低、可靠性高且維護簡單的中小功率輔助變流器。

本文介紹的輔助變流器的主要技術參數如下：

額定輸入電壓：DC1500V或DC750V

額定輸出電壓：3AC 380V/50Hz（帶中線）

額定輸出功率：100kVA

功率因數：85%（感性）

過載臺旨力：150% （10s）

輸出電壓變化：+15%一-20%（恢復時間<200ms）

額定工況效率：>90%

冷卻方式：自然冷卻

噪聲：<70dB（A）（距箱體1m處測量）

重量：1050kg

該輔助變流器總體考慮了車輛適應性要求，考慮車輛限界及安裝要求，柜體設計成長方形，同時具有較高的電網適應性。

2主電路及技術參數

tPower-A15型輔助變流器采用二電平逆變電路，其主電路拓撲簡潔、成熟，如圖1所示。

其電路主要包含輸入濾波電路、電容器充電電路、電容器放電電路、IGBT逆變電路、輸出變壓器、交流濾波電路、輸出接觸器、檢測電路和控制電路等，從直流輸入的高壓電經直流濾波電抗器（L1）、電容器充電電路（KM1、KM2、R1）、直流濾波電容器（C），送至IGBT逆變器進行逆變后輸出PWM波交流電壓，再經輸出變壓器（T1）進行電壓隔離、降壓，交流電容器（ACC）濾波得到低諧波含量的三相準正弦電壓，輸出三相交流電壓，交流輸出端設置EMI濾波器（Z2），R2＼R3為固定放電電阻，用于輔助變流器停機后將支持電容的電壓釋放至安全電壓以內，SVl-SV2為電壓傳感器，分別用于檢測輸入電壓和電容端電壓，SCl-SC3為電流傳感器，分別用于檢測輸入電流和模塊輸出電流，TAl -TA3為電流互感器，用于檢測三相交流電流。

2.1 IGBT參數選型

IGBT√2變電路為兩電平電路結構，逆變器模塊的A、B、C三個相橋臂構成一個三相逆變器，輸出三相交流電壓。

IGBT功率元件電壓等級Um按下式計算：

Um≥ （K1xUl+Up） xK2

其中K1：過壓系數，取1.2；U1：功率元件工作電壓，取2100V；up：關斷時的尖峰電壓，取400V；K2：安全系數，取1.1；

故Um≥3102V，規格化為3300V；

IGBT功率元件電流等級lom按下式計算：

lom≥

xIMxαlxα2xα3

其中IM：額定輸出電流；αl：電流尖峰系數，取1.1；α2：溫度系數，取1.1；α3：過載系數，取2；

故IOM≥342A；

根據以上計算，確定IGBT元件的電壓、電流參數，按照IGBT型號表及簡統化原則，選擇800A/3300V的IGBT元件。通過計算及仿真，可得IGBT結溫約為102°C，滿足使用溫度要求。

2.2輸出濾波電路

交流濾波電路由輸出電壓器的漏電抗、三相AC濾波電容器（ACC）組成。交流濾波電路是一個低通LC濾波器，它將變壓器輸出的電壓經過低通濾波后得到接近正弦波的三相交流電壓輸出。輔助逆變器的輸出變壓器（T1）聯接組別為Dynll，是集成了交流輸出濾波電路所需的三相電抗的高漏磁變壓器，交流濾波電容器采用三角形接法。

交流濾波電路的截止頻率fo為：

截止頻率fo通常選在300Hz左右，經Matlab仿真核算，三相輸出電壓諧波含量小于5%。

3總體結構及主功能單元

輔助變流器總體結構布置如圖2所示。柜體設計為長方形結構，外殼采用不銹鋼材料，通過柜體頂部的8個M12吊耳吊裝于車體底部。柜體采用框架式結構設計，重量最重的變壓器、逆變器模塊布置于柜體中部，并安裝于柜體框架梁上，確保柜體的重心以及整柜的結構強度，巧妙的將逆變模塊安裝嵌入柜體內部，逆變模塊散熱器部分安裝于箱體骨架外側，在確保散熱性能的同時又滿足柜體尺寸限制。根據對輔助變流器的功能區域共劃分6個腔室，分為高壓輸入室、逆變模塊室、變壓器室、交流輸出室、電容器室和控制室，將高壓部分與低壓控制部分完全分離，其控制接口分布于柜體兩側，整體布局清晰流暢，功率部件逆變模塊散熱器和變壓器上下板采用開孔設計，利于散熱，柜內部件不僅體現了模塊化設計理念，也確保了可維護性及操作安全性。

3.1 IGBT逆變模塊

IGBT逆變模塊集成了6個IGBT元件、熱管散熱器、溫度繼電器、PT100溫度傳感器、門極驅動單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容器、低感母排等部件。IGBT逆變模塊安裝結構采取基板與箱體骨架通過螺栓固定，在散熱器外框處采用螺栓與箱體骨架連接，散熱器翅片采取熱管散熱方式。IGBT功率模塊外形如圖3所示。

3.2控制單元

控制單元采用雙MCU+FPGA+CPLD結構，實現輔助變流器的邏輯控制、實時監視、逆變控制、通訊、數據交換功能、AD管理，DlO管理及擴展接口管理等功能。結構采用多層疊板式結構，單板之間采用子母板形式組裝，整體安裝于專用的金屬屏蔽盒內，金屬盒通過底板上的6個安裝孔安裝在柜體內壁上。

4仿真與試驗

4.1強度仿真

輔助變流器的安裝方式是通過吊耳吊裝于車體底部，整柜重量約1050kg，由板金件焊接和螺栓緊固而成，其結構的強度對內部電氣設備的影響及行車安裝至關重量，因此在設計階段對柜體進行靜強度、振動模塊和隨機振動疲勞分析，可以有效指導樣機設計，該柜體結構不完全對稱，取整體結構建立有限元力學模型。

靜強度仿真結果最大位移為2.5mm，模態分析第一階振動頻率為19.14Hz。

仿真結果顯示輔助變流器柜體結構設計滿足標準要求，為驗證仿真結果準確性及結構強度，對輔助變流器樣機進行振動與沖擊試驗，按照IEC61373：2010鐵路應用機車車輛設備沖擊和振動試驗1類A級通過試驗。

4.2樣機實驗

按IEC61287-1：2005軌道交通機車車輛用電力變流器第1部分：特性和試驗方法對輔助變流器樣機進行試驗并通過試驗，證明輔助變流器具有良好的電氣性能，達到設計目的。

5結語

本文介紹的一種地鐵輔助變流器產品，具有電路成熟、性能穩定、可靠性高、驗證充分、維護簡單等特點，各項性能指標已達到國內外同類型產品的先進水平。目前該型輔助變流器已批量在國內外多個地鐵項目的車輛中推廣應用，贏得用戶及業界的普遍認可。

參考文獻

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