一種高溫環境內燃機車輔助變流器設計

王泉策

（中車永濟電機有限公司，山西永濟，044502）

0 引言

隨著我國在軌道電力設施建設和軌道交通領域的不斷投資，以及有益于環境保護和改善旅客乘坐舒適度等方面的考量，如今的鐵路主要的客運和貨運機車基本上都是采用交流傳動的電力機車。進入21 世紀，電力機車的發展逐步完成從技術引進到技術吸收國產化的過程，其中形成了HXD1、HXD2 和 HXD3 這些成系列且大批量的“和諧號”電力機車。此后，為了提高鐵路運輸的運營效率和服務質量，在現有的線路資源和各類機車的檢修資源基礎上，我國又研制出具有獨立自主的知識產權和標準化的機車——CR200J“復興號”交流傳動電力機車。

但即使電力機車的發展迅猛，但在電力機車市場逐漸趨于飽和的情況下，目前市場潛力最大的國外市場，對于內燃機車的需求也更為廣闊，因為其不需要一系列電氣化的高投資和維護費用的基礎設施資源，內燃機車的客運和貨運線路更為靈活，也更適于老舊的鐵路車組更新換代。除此之外，在國內偏遠地區以及電氣線路無法覆蓋的區域，在機務段內的調車，以及無論是電氣線路還是普通線路的應急救援等方面，內燃機車仍然有著不可替代的關鍵作用。

本文介紹的一種輔助變流器適用于內燃機車，主要實現由輔助發電機到輔助永電的控制以及主發電機和輔助發電機的勵磁控制功能。

該輔助變流器適用于某型內燃機車，機車應用范圍在熱帶，溫度濕度都較高，海拔偏低，在溫帶低海拔地區，該車型同樣可以很好應用。輔助變流器要求安裝在與機車司機室相鄰的輔助室內，應能承受風、鹽霧、粉塵、高濕度等侵襲。該車型的環境條件如下：

外界空氣的最高溫度：45℃

全年空氣的平均溫度：35℃

最大相對濕度：100%

平均相對濕度：75%

最高海拔：650m

對于海拔高于1400m 的車型設計，變流器可以重新設計核算和進行小范圍技術改進以滿足技術需求。

1 變流器方案

1.1 電氣原理

輔助變流器由5 臺交－直－交變流器、1 臺充電機及2臺勵磁調節器組成。

輔助系統通過交－直－交變換將機車輔助交流發電機發出的三相AC500V/90Hz 電壓轉換為各負載所需頻率與幅值的三相交流電。輔助逆變器分為CVCF 和VVVF 兩種，根據負載的需求分別提供恒壓恒頻的輸出和變壓變頻的輸出，兩種輔助逆變器相互獨立。INV1-5 路供給負載分別為冷卻風扇1、冷卻風扇2、空壓機1、空壓機2 及空調機組、車體通風機、水泵等負載提供三相交流電源。

充電機系統從輔助交流發電機發出的三相AC500V/ 90Hz 電壓取電，經過全橋整流電路和電感電容濾除紋波，輸出中間直流電。然后經過半橋斬波電路、變壓器和二極管構成的整流電路以及電感電容濾波，進行直－交－直變換，將輸入的三相交流電轉換為DC74V 輸出，為機車蓄電池和其他低壓負載供電。在充電機的功率轉換電路中，采用了移相全橋的控制技術，通過功率器件的參數計算和選型，由IGBT 并聯的二極管、電容以及高頻變壓器的漏感組成了零電壓開關回路。當功率器件的端電壓為零時，將其進行導通，這能夠大大減小功率器件的開關損耗，以便充電機模塊在高至25 kHz 的高頻運行。

輔助變流器控制勵磁系統，調節勵磁模塊輸出電流，控制主發和輔發的輸出電壓與頻率變化。在各功能單元輸入側均加入了接觸器，在某個功能單元故障時可以將其進行隔離操作，不影響其他功能單元的正常運行。變流器具有RS485 通信功能，可將變流器狀態、電壓及電流參數傳送給微機LCS32，同時，微機通過RS485 通信，控制輔助變流器的工作。

輔助變流器原理圖如圖1 所示。

圖1 輔助變流器電氣原理圖

1.2 技術參數

輔助變流部分如表1 所示，充電機參數如表2 所示，勵磁調節器參數如表3 所示。

表1 輔助變流部分

表2 充電機

表3 勵磁調節器

1.3 主要技術特點

采用輔助充電機勵磁一體化設計，將輔助變流器、充電機、勵磁調節器集成在一個柜體里面，實現輔助和充電機設備高集成度和輕量化的目標。

輔助變流器部分采用強制風冷冷卻方式，實現裝置小型化、輕量化設計。

按照功能進行模塊化設計，故障時以功能單元為單位進行更換可以快速恢復，并便于維護與檢修。

1.4 輔助變流器控制功能

輔助變流器的控制功能主要包括：隔離運行模式邏輯；歷史故障數據的故障診斷和記錄功能；輔助變流部分VVVF和CVCF 控制；充電機具有蓄電池供電、蓄電池充電和外部供電的切換功能；充電機按照用戶約定的充電特性曲線為機車的車載蓄電池充電，在車載蓄電池電量較低時采用恒流充電的控制方式，當電量較高時，采用相應的恒壓充電的控制方式進行浮充；充電機同時具有溫度補償功能。在一定溫度范圍時，充電機根據溫度補償蓄電池充電端電壓，蓄電池溫度每增加1℃，蓄電端電壓減少一定mV 值；超出前述溫度范圍時，充電端電壓恒定不變。該功能可根據用戶要求進行相應調整，并通過軟件修改即可實現，不需要更改硬件；根據主發電機特性進行勵磁控制。

1.5 保護功能

輔助變流器具有完善的保護動作，主要包括以下保護功能：輔助輸入電壓過壓保護；輔助輸入電壓欠壓保護；中間直流過壓保護；各模塊IGBT 元件故障、過熱保護；DC/DC、DC/AC、充電機模塊過熱保護；輔助逆變輸出短路保護；輔助逆變輸出過流保護；輔助主回路接地保護（電壓型接地檢測）；接觸器等部件故障保護；變壓器過熱保護；輔助逆變輸出三相不平衡保護。充電機輸入過壓保護；充電機輸入欠壓保護；充電機輸出過壓保護；充電機輸出過流保護；柜內溫度過高保護；進風口溫度過高保護；散熱器過熱保護。

2 結構設計

輔助變流器按照模塊化設計思路設計，根據電氣原理，內部布置8 個功率模塊，模塊均采用強迫風冷結構，風道設計為集中風道，采用一臺風機強迫通風，風機安裝在柜體頂部，柜體整體散熱方式為下側方進風，上部出風的方式散熱。柜體兩側柜門均可打開，布置于柜門打開面，兩面檢修方式，柜體采用底部安裝。柜門設置有壓力開關，在打開柜門時自動檢測并上傳整車。柜內設置高壓警示燈，并在柜門不打開即可從柜外進行觀察，防止觸電。變流器結構的總體布局如圖2 所示，結構外形圖如圖3所示。

圖2 輔助變流器布局圖

圖3 輔助變流器外形圖

整體外形尺寸：L×B×H=1350mm×850mm×2000mm柜體重量：約1100kg

安裝方式：底部4 個腰孔安裝M20 螺栓，背部2 個M16 吊環孔固定到墻上。

3 功率模塊設計

為了簡統化和小型化設計，對于變流器中關鍵部件通常采用模塊化設計。該變流器對于整流逆變的變換部分設計了整流+逆變功率模塊，對充電機在不控整流后的部分采用充電機功率模塊進行設計。

3.1 整流+逆變功率模塊

（1）電氣原理

整流+逆變功率模塊采用二極管不控整流和IGBT 可控逆變單元組成，將輔助發電機輸出的三相交流電經過ACDC-AC 轉換，輸出負載需要的三相交流電，電氣原理如圖4所示。

圖4 整流+逆變功率模塊原理圖

（2）主要技術參數

整流+逆變功率模塊技術參數如表4 所示。與原現有產品技術參數對比，如表5 所示。

表4 整流+逆變功率模塊技術參數

表5 整流和逆變功率模塊主要電氣技術參數比較

采用現有產品輔助逆變功率模塊，在相同風量下，功率損耗參數對比見表6，完全滿足本次設計的技術要求，因此可采用原已有輔助逆變功率的逆變模塊部分的功率器件。

表6 逆變模塊功率損耗對比

但在整流部分，本次設計采用二極管不控整流，原模塊為晶閘管半控整流，所以需要重新設計整流模塊，因此以下進行整流部分功率器件的選型計算。

（1）二極管額定電壓的選擇

最高輸入電壓為URMS=AC500V，整流后的電壓Vdc=675.5V，考慮到網壓波動及反向恢復時的過壓，一般選擇二極管的額定電壓應大于2～3 倍的工作電壓，即675×2=1350V，所以這里選用2000V 的雙管二極管器件。

（2）二極管額定電流的選擇

整流后輸出電流的平均值：

其中：Po為輸出功率，Uo為輸出電壓。

二極管的正向平均電流：IF=35A

二極管有效值：IRMS=60A

考慮到2～3 倍的安全裕量，因此選用整流二極管，其額定工作電流為260A。

（3）二極管結溫計算

散熱參數采用已有模塊的風量和壓降要求，二極管結溫如表7 所示，能夠滿足散熱要求。

表7 二極管結溫計算

（4）結構外形

整流逆變模塊的整流部分重新進行選型設計后，更新整流逆變功率模塊三維結構圖如圖5 所示。

圖5 整流逆變功率模塊外形圖

3.2 充電機功率模塊

（1）電氣原理

充電機功率模塊的輸入為經過三相不控整流后的直流電，通過斬波電路和變壓器，以及其后的電感電容濾波，將輸入側的直流560V 電壓控制輸出為穩定的74V 直流電。

在單個開關周期的前半段，半橋斬波電路的上管IBGT導通，變壓器原邊線圈上正下負，電壓值為輸入端直流母線電壓的一半，副邊二極管整流電路上端二極管正向導通，下端二極管負向關閉，充電機輸出上正下負；在單個開關周期的后半段，變壓器原邊線圈下正上負，電壓值為輸入端直流母線電壓的一半，副本二極管整流電路上端二極管負向關閉，下端二極管正向導通，充電機輸出同樣上正下負。

充電機功率模塊的電氣原理如圖6 所示。

圖6 充電機功率模塊原理圖

（2）主要技術參數

充電機功率模塊技術參數如表8 所示。

表8 充電機功率模塊技術參數

（3）結構外形

充電機功率模塊已有大批量成熟應用的產品，能夠滿足本次設計要求，該模塊的外形如圖7 所示。

圖7 充電機功率模塊外形圖

3.3 勵磁調節器

勵磁控制器功率模塊采用不控整流和斬波單元組成，將三相交流變壓器輸出的交流電經過整流和斬波，輸出主發電機和輔助發電機所需的可控勵磁電流，從而控制主、輔發電機工作，為整車提供能源。勵磁控制器的主電路電氣原理如圖8 所示。勵磁調節器技術參數如表9 所示。勵磁調節器已有成熟應用的產品，集成在控制單元中。

圖8 勵磁調節器主電路原理圖

表9 勵磁調節器技術參數

4 結論

輔助變流器的功率轉換部分基于成熟產品，對二極管進行了重新參數設計和選型，改進功率模塊設計，滿足整車設計需求。在充電機主電路的功率轉換中，采用先進行整流，然后通過高頻DCDC 和極性轉變，并通過高頻變壓器進行電壓降壓，副邊整流出直流電的設計方案，雖然該方案在早年間看來，高頻轉換電路要多增加幾級轉換，不僅電路復雜而且控制難度高，但經過多年控制技術的發展，已經能夠成熟應用，并且其變換頻率為25kHz，能夠減少變壓器等功率器件的體積，達成高功率密度而得到廣泛采用。該輔助變流器可以給各類輔助負載供電，并給發電機提供勵磁，該變流器能很好地應用于高溫環境內燃機車。