160公里動力集中內(nèi)燃動車組輔助供電柜設計研究

李克強

摘? ?要：輔助供電柜是160公里動力集中內(nèi)燃動車組機車的重要組成部分，該輔助供電柜負責為列車供電和輔助負載供電，對列車運行起著至關重要的作用。文章主要對160公里動力集中內(nèi)燃動車組輔助供電柜設計進行探討。

關鍵詞：功率模塊;輔助逆變模塊;IGBT;SiC;二極管

輔助供電柜有四路200 kW降壓隔離功率模塊，降壓隔離功率模塊的作用是將DC2400V的輸入電壓經(jīng)降壓隔離后變換成DC600V輸出。四路DC600V輸出中的其中兩路并聯(lián)后用于列車供電，另外兩路并聯(lián)后用于輔助逆變模塊和充電模塊供電，輔助供電柜有8個輔助逆變模塊和1個充電模塊。輔助逆變模塊的輸出用于機車各種電機負載，充電模塊的輸出供給機車DC110V控制用電及蓄電池充電。

1? ? 200 kW降壓隔離功率模塊

四路200 kW降壓隔離功率模塊的電氣拓撲完全相同，均為雙斬波+逆變+整流的拓撲結(jié)構。每路200 kW降壓隔離功率模塊又由兩個模塊組成，分別為高壓模塊和低壓模塊，如圖1所示。

1.1? 高壓模塊

高壓模塊的功能是將DC2400V的輸入電壓經(jīng)降壓斬波后供給低壓模塊，由于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的Vce電壓等級越高，開關頻率越小，導致斬波輸出電壓波動較大，諧波較大，輸出濾波電容的電容值和體積會加大。為了提高功率器件的開關頻率，同時保證IGBT安全的工作電壓，減小輸出電壓波動和電壓諧波，減小輸出濾波電容的電容值和體積，因此高壓模塊采用雙斬波降壓電路原理。如圖1所示，Q11，Q12，Cd1，L1（1/2）構成1組可逆斬波電路;Q13，Q14，Cd2，L1（3/4）構成另一組可逆斬波電路。電容分壓使得每組可逆斬波電路的工作電壓均為輸入電壓的一半，因此Vce電壓等級稍低一些的IGBT便能滿足輸入高電壓的要求。

1.2? 低壓模塊

低壓模塊的功能是將高壓模塊降壓斬波后的電壓經(jīng)過逆變和整流后輸出DC600V，為了降低低壓模塊的功率損耗，逆變器件采用SiC器件，整流器件采用快速恢復二極管。SiC器件相對于硅器件具有很大優(yōu)勢。首先，應用SiC器件開關頻率相對提升，這樣低壓模塊前端變壓器及后端濾波電抗電容可以減輕重量，有利于整個柜體減重設計。其次，由于提升開關工作頻率，電磁元件的噪音會有所降低，有利于降低整個柜體的噪聲。最后，使用SiC器件整機效率會有所提升，耗散功率會降低，同等條件下產(chǎn)生的熱量相對硅器件要小，這樣低壓模塊的溫升會有所降低。160公里動力集中內(nèi)燃動車組輔助供電柜碳化硅技術的應用，能夠解決溫升高、噪音大的問題。

2? ? 輔助逆變模塊

2.1? 電氣原理

輔助逆變模塊采用三相橋式逆變電路，逆變器輸入側(cè)并聯(lián)電容，采用IGBT作為開關器件。輔助逆變模塊輸入DC600V，可采用Vce=1 200 V的IGBT組成三相逆變電路。

2.2? 輔助逆變模塊功能選擇

輔助逆變模塊的供電負載有空壓機、冷卻風扇、牽引變流器通風機、牽引電機通風機、制動電阻通風機、動力室通風機、除塵風機和生活電源，由于不同的負載所需的供電電壓和頻率會有不同，為了實現(xiàn)不同負載的輔助逆變模塊實現(xiàn)通用互換，輔助逆變模塊設計了功能選擇電路，具體實現(xiàn)方法是在輔助逆變模塊中設置多路開關量輸入，通過判斷開關量的輸入狀態(tài)來確定輸出電壓和頻率。

3? ? 充電模塊

充電模塊采用單相橋式逆變+整流的拓撲結(jié)構，采用IGBT作為逆變開關器件，使用快速恢復二極管作為整流器件。充電模塊輸入DC600V，經(jīng)過逆變和整流變換后輸出DC110V供給機車控制用電及蓄電池充電。輔助供電柜內(nèi)在蓄電池回路安裝有隔離接觸器、預充電接觸器及預充電電阻供給機車蓄電池移車使用。

4? ? 控制系統(tǒng)設計

輔助供電柜控制系統(tǒng)總電源DC110V由機車提供，高低壓模塊驅(qū)動電源等所需DC24V和±15 V的電源要通過柜內(nèi)電源模塊進行相應轉(zhuǎn)換。輔助供電柜模塊的啟動和復位由機車微機進行控制，控制方法可分為兩種，分別是通信指令控制和繼電器開關量控制，并通過繼電器的輔助觸點輸出狀態(tài)反饋。信號采集包括電流、電壓及溫度采集，電流采集有中間電流、原邊電流及輸出電流采集，電壓采集有輸入全電壓、輸入半電壓、高壓模塊輸出電壓及低壓模塊輸出電壓采集，溫度采集有模塊工作溫度及蓄電池溫度采集。

5? ? 通信設計

輔助供電柜內(nèi)通信包含4個部分。第一部分由8個輔助逆變模塊構成1組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡;第二部分由1個充電模塊、1個微機、1個顯示屏和4個控制機構成1組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡;第三部分由2組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡通過1個CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關后與機車微機進行以太網(wǎng)通信，網(wǎng)關上設置兩路以太網(wǎng)口;第四部分為RS485通信，用于6 A系統(tǒng)列供監(jiān)測通信。

6? ? 結(jié)語

160公里動力集中內(nèi)燃動車組輔助供電柜在設計及元器件的應用上都進行了改進創(chuàng)新，尤其是碳化硅技術的應用，對于柜體的減重設計、降低噪音、提升效率等方面起到了很大作用，該設計理念在未來的應用中一定會有很大的競爭優(yōu)勢。