一種適用于蓄電池電力工程車的模塊化牽引逆變器設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)仿真研究

苗 壯 楊建宇 柏朝輝

（長春市軌道交通集團(tuán)有限公司 吉林·長春 130000）

0 前言

節(jié)能減排是世界發(fā)展的目標(biāo)，也是各國面臨的難題。我國內(nèi)地城市軌道交通得到了快速發(fā)展，蓄電池電力工程車由于其綠色清潔、低噪聲、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)越來越受到各地鐵公司的青睞。

蓄電池工程車是一種可由接觸網(wǎng)/軌和車載蓄電池雙動力供電的工程用機(jī)車，可充分發(fā)揮電—電混合動力的綜合優(yōu)勢。在有接觸網(wǎng)/軌供電的電氣化區(qū)段，采用接觸網(wǎng)/軌供電實(shí)現(xiàn)電力牽引，同時向蓄電池充電，儲存電能；在無供電接觸網(wǎng)/軌的非電氣化區(qū)段或在供電接觸網(wǎng)/軌無電時（故障或檢修），由蓄電池電源實(shí)現(xiàn)電力牽引，并實(shí)現(xiàn)再生制動能量的回收，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用，使電能消耗低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

由于蓄電池電力工程車特殊的工況，車輛的牽引逆變器性能的優(yōu)劣直接影響到工程車的各項(xiàng)指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一種模塊化牽引逆變器，通過模塊化設(shè)計(jì)不僅具有較好的集成性、可靠性，同時又具備良好的可維護(hù)性能。

1 工程車總體特性

1.1 工程車主要參數(shù)

軸式Bo-Bo

起動牽引力 100kN

速度范圍 14.4～80km/h（接觸網(wǎng)）

10.8～40km/h（蓄電池）

電傳動方式 直-交

再生制動功率 300kW

軸重 12.5t

牽引車電制動力 80kN

最高速度 80km/h

單軸功率 100kW/75KW

機(jī)車牽引功率 400kW/300KW

總效率 ≥0.90

最高試驗(yàn)速度（新輪） 88km/h

1.2 網(wǎng)壓功率發(fā)揮曲線

接觸網(wǎng)供電：牽引車可以保證網(wǎng)壓在 DC1000V～DC1800V間，按額定功率400kW發(fā)揮。牽引蓄電池供電：牽引車可以在電壓DC750V～DC921V間，按額定功率300kW發(fā)揮。

電壓DC750V～DC652V間，功率線性下降到250kW；電壓低于652V，封鎖牽引，功率降為0kW。

圖1：網(wǎng)壓發(fā)揮功率曲線

1.3 牽引特性曲線

DC1500V接觸網(wǎng)供電時，牽引車持續(xù)運(yùn)行輪周功率為400 kW，起動牽引力為100 kN，恒功率速度范圍14.4 km/h～80km/h；

圖2：牽引特性曲線

圖3：制動特性曲線

DC800V牽引蓄電池供電時，牽引車持續(xù)運(yùn)行輪周功率為300kW，起動牽引力為100 kN，恒功率速度范圍10.8km/h～40km/h。

1.4 制動特性曲線

電制動功率為300KW，最大制動力80kN，制動恒功率速度范圍：接觸網(wǎng)供電時，13.5km/h～80km/h；牽引蓄電池供電時13.5km/h～ 40km/h。

2 逆變器使用環(huán)境及功能要求

牽引逆變器被安裝在車下，應(yīng)具有以下功能：（1）機(jī)車牽引加載邏輯控制；（2）牽引變流器邏輯控制；（3）IGBT元件驅(qū)動控制；（4）牽引電動機(jī)牽引特性控制；（5）電機(jī)及逆變器控制；（6）粘著控制；（7）低恒速控制；（8）牽引變流系統(tǒng)故障診斷與記錄；（9）MVB 通信功能；（10）故障轉(zhuǎn)向架隔離；（11）故障與保護(hù)等；（12）防溜車檢測功能。

3 逆變器電氣原理及主要參數(shù)

3.1 逆變器電氣參數(shù)

接觸網(wǎng)輸入電壓 DC1500V(DC1000-1800V)

蓄電池輸入電壓 DC800V(DC652V-DC921V)

輸出電壓 0-1110V/3p

輸出頻率 0-200Hz

額定輸出容量 2×300kVA

額定輸出電流 2×160A

牽引最大輸出電流 2×300A(有效值)

最大制動電流 2×200A(有效值)

開關(guān)頻率 750Hz

功率元件 500A/3.3kV IGBT

變流器效率 不小于98%

控制電壓 DC110V

波動范圍 DC77-135V

控制方式 矢量控制

控制單元 300W

冷卻方式 熱管散熱器走行風(fēng)冷

3.2 相關(guān)電氣參數(shù)

支撐電容 4.5mF(變流柜內(nèi)部單組)

線路電抗器 2×6mH/250A(變流柜外部)

3.3 主電路原理

牽引逆變器原理圖如圖4所示。每個逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂及制動相橋臂并驅(qū)動兩臺牽引電動機(jī)，兩個逆變器模塊集成在一個牽引逆變器箱中。

圖4：主電路原理圖

牽引逆變器采用DC-AC變換模式，工程車在牽引工況下，每組逆變器通過直-交變換，采用變壓變頻(VVVF)方式，向兩臺牽引電動機(jī)供電。制動時將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電反饋到蓄電池，或者通過制動電阻以發(fā)熱的形式消耗反饋電能。

牽引逆變器整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，由接線模塊艙、功率模塊1艙、控制機(jī)箱艙、功率模塊2艙四個部分組成，各個艙內(nèi)分別安裝有各功能模塊。

圖5：牽引逆變器構(gòu)成

接線艙具備引導(dǎo)進(jìn)線分布、測量母線電流功能。功率模塊是實(shí)現(xiàn)逆變功能的功率單元，采用熱管散熱器自然冷卻方式，由散熱器、IGBT、復(fù)合母排、支撐電容、驅(qū)動板等主要部件構(gòu)成。通過復(fù)合母排將IGBT和支撐電容連接，利用復(fù)合母排直接對外連接，控制線采用專用接插件對外連接，如圖6所示。

圖6：功率模塊

降低分布電感對于保護(hù)IGBT元件免遭瞬時過電壓擊穿非常重要，必須將尖峰電壓限制在RBSOA(反向偏置安全運(yùn)行區(qū))內(nèi)。支撐電容及IGBT復(fù)合母排采用低感設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化母排結(jié)構(gòu)，盡可能重合正負(fù)電流流通路徑以抵消電路上所產(chǎn)生的差模雜散電感，得到很好的抑制，使IGBT始終在安全的電壓工作區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。

控制機(jī)箱中集成了電源板、模擬量板、數(shù)字量板、CPU板。具有良好的集成性及穩(wěn)定性。

以功率模塊為例，逆變器主要部件間通過復(fù)合母排直接連接，控制線通過專用接插件與外部電路連接。增加了產(chǎn)品的集成度與可靠性，更提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)及拆裝維護(hù)的效率。模塊化設(shè)計(jì)通用性很強(qiáng)，使生產(chǎn)及采購效率大大提高，各種模塊可以并行生產(chǎn)，柜體可以實(shí)現(xiàn)預(yù)布線，解決了傳統(tǒng)逆變器串行生產(chǎn)效率低下的問題。

4 強(qiáng)度及模態(tài)分析

我國的軌道產(chǎn)品振動及沖擊試驗(yàn)一般參照的是國標(biāo)GB/T21563-2008《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)》（對應(yīng)IEC 61373:1999，下文簡稱標(biāo)準(zhǔn)）。本文通過模擬沖擊試驗(yàn)載荷驗(yàn)證對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，參照標(biāo)準(zhǔn)中I類A級設(shè)備進(jìn)行沖擊振動試驗(yàn)，其沖擊載荷沖擊試驗(yàn)容差范圍及幅值如表1及圖5所示。

表1：I類A級設(shè)備振動參數(shù)要求

圖7：沖擊試驗(yàn)容差范圍—半正弦脈沖

動力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的平衡方程為：

（1）質(zhì)量矩陣。

單元質(zhì)量矩陣：

（2）阻尼矩陣。

（3）結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。

在動力學(xué)分析中，結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量就是結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型的計(jì)算問題，是動力學(xué)分析的基本內(nèi)容。阻尼對結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型的影響不大，在求解頻率和振型時可以略去不計(jì)。令激振力為零，則得到系統(tǒng)的無阻尼自由振動方程:

自由振動時，各質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近作簡諧運(yùn)動，各質(zhì)點(diǎn)位移可以表示為：

將上式代入系統(tǒng)的振動方程中，得：

4.1 強(qiáng)度有限元仿真分析

本文利用ANSYS有限元分析軟件，對牽引逆變器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，進(jìn)而對其做出優(yōu)化。

4.1.1 模型簡化及網(wǎng)格設(shè)置

為了簡化計(jì)算牽引逆變器中各模塊簡化成集中質(zhì)量，各質(zhì)量點(diǎn)的位置位于各模塊的重心。并將對分析結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化以提高網(wǎng)格質(zhì)量及減少運(yùn)算量，最終簡化效果如圖8所示。

圖8：模型簡化

網(wǎng)格劃分時主要采用的是六面體主導(dǎo)網(wǎng)格，并對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行控制，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。

圖9：網(wǎng)格劃分

4.1.2 約束載荷及計(jì)算結(jié)果

模擬實(shí)際吊掛方式，在柜體8個吊耳把接螺栓處劃分接觸區(qū)域，并施加固定約束。在重力作用下施加加速度沖擊載荷，其垂向、橫向、縱向加速度幅值分別為3g、3g、5g。在不同沖擊載荷下柜體的 Von Mises應(yīng)力及變形結(jié)果如圖10至12所示。

圖10：垂向3g Von Mises應(yīng)力及變形結(jié)果

圖11：側(cè)向3g Von Mises應(yīng)力及變形結(jié)果

圖12：縱向5g Von Mises應(yīng)力及變形結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出，逆變器在各個方向上的抗沖擊強(qiáng)度基本滿足要求，但是在縱向沖擊時在側(cè)板與功率模塊倉面板處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此處最大應(yīng)力值僅局限于一個有限元單元，考慮到實(shí)際柜體生產(chǎn)過程中對此處進(jìn)行焊接處理，應(yīng)力集中現(xiàn)象將會得以避免，此處的應(yīng)力將遠(yuǎn)小于仿真結(jié)果。

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)的固有振動頻率及相應(yīng)的振型，可以判斷結(jié)構(gòu)在外界激勵作用下是否會發(fā)生共振。為避免設(shè)備在裝車運(yùn)行過程中在外部激勵的作用下產(chǎn)生共振導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，有必要對其模態(tài)進(jìn)行分析。在重力作用下對其前6階模態(tài)進(jìn)行分析。其前6階固有頻率分別為： 37.7Hz、67.5Hz、68.1Hz、75.9Hz、80.1Hz、80.8Hz。由結(jié)果可以看出柜體的前六階固有頻率都較高，遠(yuǎn)高于一般車輛底架結(jié)構(gòu)固有頻率，可以有效避免產(chǎn)生共振的風(fēng)險。值得注意的是柜體的一階固有頻率要明顯低于其他階次結(jié)果，柜體主要發(fā)生的是縱向位移。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是縱向剛度較低。但當(dāng)逆變器完成組裝后散熱器的基板將會大大提高柜體在這一方向上的剛度。

5 結(jié)論

通過對牽引逆變器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的通用性，使生產(chǎn)及組裝效率得到提升，同時得到了較好的集成性及可維護(hù)性。通過使用ANSYS有限元仿真軟件對牽引逆變器結(jié)構(gòu)模型的強(qiáng)度及模態(tài)進(jìn)行分析及校核，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)成本，縮短了研制周期，提高了產(chǎn)品的可靠性。由模塊化思想和有限元仿真計(jì)算相結(jié)合的方式開發(fā)出的多款逆變器均經(jīng)過了振動試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)營考核，證明了這種設(shè)計(jì)方式可以應(yīng)對客戶多樣化的需求及市場的快速變化，同時也說明了仿真計(jì)算的可行性及準(zhǔn)確性。