高速列車輔助變流器的研究

陳玉峰 馬洪偉 李光磊

【摘 要】本文通過對輔助變流器的組成、主要部件等進行簡單介紹，深入分析了輔助變流器的箱體設計、關鍵部件設計以及控制算法，以期進一步提升高速列車輔助變流器的設計水平，進而為列車的正常運行、乘客乘車的舒適度等提供重要保障。

【關鍵詞】高速列車；輔助變流器

前言：自高速動車組列車已成為現階段我國鐵路客運的重要車型，是我國鐵路的發展新紀元。輔助變流器也是動車組列車穩定運行的重要前提。鑒于此，本文對高速列車的輔助變流器展開研究，具有至關重要的實踐意義。

一、輔助變流器簡介

目前，市面上常用的輔助變流器分為兩種，即單幅變流器與雙輔變流器，二者的技術參數如表1所示。單輔變流器只有一個輔助轉換器單元，主要用于動車；雙輔助變流器有兩個輔助變流器單元，主要用于拖車。輔助轉換器的主要部件包括輔助轉換器控制器，功率模塊，冷卻系統和隔離變壓器。其中，輔助變流器控制器的作用是保證輸出頻率、輸出電壓的穩定性；同時，其還要對一整個ACU部件進行邏輯控制，并在其出現故障時及時響應，采取保護措施進行數據存儲。此外，控制器還負責溫度傳感器數據的獲取、風扇轉速的調控、故障數據儲存、輔助供電擴展等多項功能，是輔助變流器最核心的組成元件。而功率模塊則是脈寬調制逆變器模塊，主要作用是將牽引變流器的電壓，轉變成三向脈沖調寬輸出電壓。冷卻系統采用的強迫風冷。輔助變流器的結構詳見圖1。

二、輔助變流器的設計

（一）輔助變流器的箱體設計

輔助變流器箱設計是輔助轉換器設計的重要部分。由于輔助變流器安裝在列車組車身的下方，因而工作環境相對較為惡劣，因而在箱體設計時，需要考慮箱體材料的耐腐蝕性、低溫韌性以及強度等，保證其能夠滿足長期安全使用的需求[5]。高速列車輔助變流器的柜體設計主要包括以下幾個環節：

（1）強度計算環節：對箱體進行強度計算時，需要按照原型箱體的設計圖紙，展開三維建模，之后再利用仿真軟件展開強度校核，對箱體應力分布的實際情況進行研究。

（2）靜強度試驗環節：在輔助變流器的箱體做成后，對其進行強度校核，以此來確認該箱體在靜強度上是否符合預期要求。

（3）疲勞強度試驗環節：完成靜強度試驗后，進行疲勞強度試驗，具體內容包括在試驗過程中記錄分析變流器箱體的狀態，除了箱體結構的動態應力外，還要驗證箱體的疲勞強度和使用壽命。

（4）振動沖擊試驗環節：對箱體進行振動沖擊試驗，驗證輔助變流箱的箱體能否承受環境振動和沖擊的能力，從而保證設備的安全。

（5）模態試驗：分析了輔助轉換器盒的特性，以驗證盒子的質量。

（二）輔助變流器的關鍵部件設計

在高速列車的輔助變流器中，關鍵部件主要包括控制器，電源模塊，交流濾波電容器和隔離變壓器。

（1）控制器設計：在本文研究中，將MCU芯片、FPGA芯片以及DSP芯片這三個可編程處理器作為控制器的核心，依托外圍電路，建立控制系統。控制系統具有信號反饋，控制輔助轉換器的輸出電壓和電流，從而提高輔助轉換器輸出電壓的穩定性。同時，該控制系統還能夠對多個輔助變流器單元的運行進行并聯控制，并將負載功率進行均分。此外，該控制器能夠實現故障保護動作、機組工作邏輯控制、計算機監控軟件訊息讀取、故障數據儲存、與MVB網絡進行數據交換。

（2）功率模塊的設計：功率模塊執行控制器發出的指令，對直流輸入電壓進行逆變，使其變成三相脈沖電壓。功能模塊應具備保護功能。

（3）試驗驗證：對于輔助變流器關鍵部件的設計，需要進行熱沖擊試驗和溫度，濕度和振動的綜合試驗。通過驗證，本文設計的輔助變流器控制器與功率模塊的性能，不僅符合設計需求，且能夠適應惡劣的工作環境，工作可靠性較高。

三、輔助變流器控制算法

控制算法是輔助轉換器設計的重要核心之一，不僅可以保證輸出電壓穩定，還可以控制電壓波形的質量。同時，可以實現輔助變流器各單元的并聯和自動均流[6]。本文以64kw負載為例。在該圖中，CH1和CH2分別表示兩個輔助轉換器單元的A和B線的輸出電壓。CH3和CH4分別代表兩個輔助轉換器單元的A相輸出電流；而Math表示CH3與CH4的差。從該圖可以得知，基波環流與諧波環流均比較小，說明兩個輔助變流器輸出的電流波形相差無幾，因而均流特性較好。

結論：高速列車輔助變流器的穩定性是高速列車正常運行的重要保證。在本文研究中，通過闡述輔助變流器的構成、工作原理以及基本參數等，對其箱體、關鍵部件以及控制算法的設計展開了研究，旨在突破輔助變流器的技術瓶頸，進一步提升其設計質量，進而實現高速列車的輔助變流器設計的自主創新，為中國的高速動車組提供可靠的輔助轉換器。

參考文獻：.

[1]閆春輝.一種電力機車輔助變流器控制單元[J].鐵道機車與動車，2016，13（09）：13-16.

[2]王佳佳，顏艷嬌，劉長清，等.永磁牽引電機動車組用大功率輔助變流器[J].大功率變流技術，2015，20（06）：45-48.

[3]馬穎濤，宋術全，李紅.高速動車組輔助變流器并聯運行的脈寬調制技術[J].鐵道機車車輛，2013，33（05）：22-25.

作者簡介：

陳玉峰（1985.06-），男，吉林省長春市，中車長春軌道客車股份有限公司 高級技師，研究方向：鐵路客車制造。

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）