地鐵車輛集成式牽引高壓箱設計

2021-09-16 07:23:12崔元虎

軌道交通裝備與技術 2021年4期

李凱寧波崔元虎

(西安中車永電捷通電氣有限公司陜西西安 710016)

0 概述

牽引系統是城市軌道地鐵車輛的關鍵核心，被稱為其“心臟”的牽引逆變器的性能優劣直接關系到地鐵車輛的運行效率、運輸能力、行車安全等多方面問題[1-4]。目前，牽引系統主流的配置方式為高壓設備與牽引逆變器分體式配置(見表1)。車下配置采用單獨的隔離開關箱、高速斷路器箱和牽引逆變器箱，共同布置于動力車下(Mp或M)。由于牽引系統設備眾多，造成了各設備間的接口多種多樣，車下設備布局、布線困難，同時也給維護人員增加了工作量。因此，設計和開發具有集成度高、性能好、維修便利的地鐵車輛牽引系統具有重大意義。采用設備集成方式布局，車下配置如表2所示。

表1 分體式車下設備配置

表2 集成式車下設備配置

對比表1和表2，車下設備數量和接口數量大幅度減小。下文以某地鐵車輛牽引高壓箱為研究對象，綜合考慮器件的布局、散熱、柜體強度和電氣接口的簡統等進行結構設計，通過把上述分體式牽引高壓系統集成到一起，從而減輕了牽引高壓系統質量，減少了車下設備和接口的數量，有利于設備的簡統化、輕量化和小型化。使車下布局空間大幅增加，有利于主機廠車下配置、布線和減輕維護難度。從而提高了牽引系統的穩定性和可維護性，降低了系統成本。

1 主要電氣參數及整體方案

1.1 主要技術參數

額定的輸入電壓為DC1 500 V；最大輸出功率為2×1 300 kVA；最大輸出電流為2×574 A；輸出電壓為三相AC 0～1 130 V；質量為1 160 kg；冷卻方式：強迫風冷。

1.2 主電路原理

牽引高壓箱主電路原理如圖1所示，DC1 500 V濾波后經逆變單元變換成頻率、電壓均可調的三相交流電。牽引系統主電路采用2×1C2M雙模塊架控方式，即每個模塊包含一個逆變單元，控制一個轉向架上的兩臺電機。系統主要由高壓電路、預充電電路、逆變電路、蓄電池應急電源電路和濾波電路組成。兩組逆變電路可獨立工作，故障時以單元為單位進行切除，正常單元繼續運行。柜體內集成隔離開關、庫用插座、輔助熔斷器、高速斷路器、應急牽引接觸器、隔離二極管、濾波電容器、濾波電抗器、功率模塊和控制單元等。

圖1 主電路原理圖

2 結構設計

柜體采用三段式分布設計，即兩側密閉區以及中間通風區。框架和門蓋板共同組成牽引高壓箱柜體。整個柜體框架材料為06Cr19Ni10，鈑金件通過機加和焊接拼接而成。外形尺寸(L×W×H)為：2 250 mm×1 770 mm×590 mm，牽引高壓箱總質量為1 160 kg。質量功率密度2.25 kW/kg，相對于典型分體式牽引逆變器和高壓箱提高了3.7%；體積功率密度為1 107 kW/m3，相對于典型分體式提高了19.2%，在體積和質量方面具有一定優勢。

門蓋板與框架之間使用密封條進行密封，焊縫縫隙處涂抹密封膠。柜體密閉室防護等級為IP55，通風室防護等級為IP20。門蓋具有未閉合檢測功能以及二次防松脫功能。外形及器件布局圖示意如圖2所示。

3 風道設計

集成式牽引高壓箱的主要特點是布局緊湊、發熱器件多、功率等級大。風道結構設計的合理與否對散熱效果和噪聲有著直接影響。柜體中需要冷卻的發熱部件為：功率模塊(PU)、濾波電抗器和二極管。根據功率模塊損耗的計算，最終采用型材散熱器+強迫風冷的冷卻方式。頂部進(吸)風，底部出風的方式散熱，風道結構如圖3所示。冷卻風通過對稱布置的濾網和功率模塊散熱器后到達風機，經過離心風機導向后通過電抗器，熱風從箱體底部的出風口排出。另外，二極管組件(隔離/防逆二極管)采用型材散熱器自冷卻方式，箱體頂板和底板開有散熱的網孔。

綜合考慮功率模塊溫升、電抗器溫升和系統阻力，選擇合適的離心風機，保證風道中發熱器件所需的風量。所選的風機P-Q性能曲線如圖4所示。

1—隔離開關；2—預充電單元；3—應急牽引單元；4—控制單元；5—濾波電抗器；6—濾網；7—冷卻風機；8—功率模塊；9—高速斷路器。圖2 牽引高壓箱布局圖

圖3 風道結構

圖4 風機P-Q曲線

柜體中的噪聲來源主要是風機旋轉噪聲、風道內氣流的氣動噪聲和柜體的振動噪聲。其中，氣動噪聲對整體噪聲值的影響最大。為了減少風阻和降低氣動噪聲，在風道中設計了導風板，在風機室一周設計了圓弧過渡導風板。

4 強度仿真

4.1 計算依據

柜體為拖裝結構，通過6個吊耳與車體底部連接。為避免柜體與車體發生共振，柜體的一階固有頻率應高于30 Hz[5]。柜體靜強度設計依據EN 12663，標準規定使用屈服強度進行設計時，安全系數S≥1.15，且許用應力

[σ]=σs/S

(1)

其中，σs為材料屈服強度，單位為MPa。

柜體材料為06Cr19Ni10，依據公式(1)計算得到的許用應力為178.3 MPa。為保證柜體全壽命周期的可靠性，沖擊振動試驗是必做的型式試驗，試驗標準為：IEC 61373—1999 1類A級。

分析用坐標系與EN12663要求一致，X向為縱向，即列車行進方向，Y向為橫向，即枕木方向，Z向為垂向，g=-9.81 m/s2。按照表3的載荷條件施加載荷約束。

表3 載荷條件

4.2 模態分析

箱體結構件為鈑金件，使用殼單元進行離散，殼網格尺寸為10 mm，共計約20萬個網格。對箱體剛度影響較大的電器品簡化為質量點，質量點使用rigid剛性連接。利用ANSYS WorkBench軟件對建立的有限元仿真模型進行模態分析,分析結果如表4所示。

表4 模態分析結果 /Hz

一階固有頻率為34.8 Hz，高于設計要求的30 Hz，滿足設計要求。一階振型如圖5所示。

4.3 靜強度分析

6種工況下柜體的Mises應力最大值如表5所示，最大應力出現在工況5。

圖5 一階振型

表5 強度分析結果 /MPa

從結果中可以看出，6種工況下柜體最大應力出現在PU安裝孔和風機安裝孔處，這兩個位置的應力均為奇異應力。柜體在分析時，由于模型簡化原因，應力奇異點通常會在內尖角處、螺栓連接處(邊界條件施加位置、電器品固定點等)以及焊縫連接處。在網格質量和網格尺寸合適的條件下，若螺栓和焊縫處的奇異應力安全系數不滿足要求，則需對其單獨進行強度評定。靜力學分析結果表明，6種工況下箱體最大應力均小于許用應力，滿足靜強度設計要求。

5 試驗驗證

5.1 噪音試驗

噪音試驗依據標準GB/T 1094.10進行，測點位于基準發射面1 m處。在測試過程中，從每個面均勻選取3個測試點，共計12個測試點。各測點所得A計權聲壓級通過公式(2)計算得到平均A計權聲壓級：

(2)

由于背景噪聲聲級與產品合成聲級差值大于10 dB，因此，無須對產品合成聲級進行背景噪聲的修訂。

試驗結果表明，A計權平均聲壓級符合噪聲限值要求。

5.2 溫升試驗

風機在額定電壓下，濾網堵塞15%的風量按公式(3)進行計算：

Q=3 600V×S

(3)

其中：Q為風量，m3/h；V為所測點風速，m/s；S為進風口面積，m2。

經過測量，所測點風量均滿足設計要求。在電壓DC1 500 V、AW3工況額定電流下，對進出風口和功率模塊、濾波電抗器等發熱設備的溫升進行了測量，同時也對箱體內其余設備的溫升進行了監控。功率模塊散熱器表面及關鍵部件和位置布置熱電偶對溫度進行監測。按要求進行溫升試驗(見圖6)，試驗結果表明，功率模塊、濾波電抗器、二極管等部件的溫升均滿足溫升限值要求。