一種高速動車組牽引輔助變流器設計

劉慧娟，吳冠霖，張明濤

（中車永濟電機有限公司，山西永濟，044502）

0 引言

近年來，世界各國都將安全、高效、綠色、智能的新型軌道交通作為未來公共交通發展的主導方向，同時也掀起了以信息網絡、智能制造、新能源和新材料為代表的新一輪技術創新熱潮。德國西門子Velaro Novo 新型高速列車，是西門子“Velaro”系列的第五代產品，列車最高速度從250km/h 到360km/h 不等。

在國內，以國家實施的“中國制造2025”為契機，抓緊技術革新和產業發展的機遇，在軌道交通牽引系統研制上大力耕耘。研發更安全、更環保、更節能、更智能的復興號產品，實現我國高鐵更高運營速度，持續我國高鐵領跑優勢。

本文介紹的一種牽引輔助變流器，主要為牽引電動機提供電壓、頻率可調的電源，實現動車組的牽引制動控制功能，并為車輛輔助負載提供AC380V/50Hz 的三相交流電。

1 變流器方案

牽引輔助變流器從25kV 接觸網取電，通過AC-DC 變換將單相AC 1900V 電變換成DC 3600V 直流電，供牽引逆變器、輔助變流器使用。牽引逆變器將中間母線電壓通過DC-AC 變換為AC 0V～2808V 三相交流電來驅動牽引電機工作。輔助變流器從中間直流母線取電，通過DC-DC+DC-AC變換將DC 3600V 變換為3AC 380V。牽引輔助變流器內部部件含非金屬材料，所有部件防火均滿足EN 45545-2 要求。

1.1 電氣原理

牽引輔助變流器主電路拓撲如圖1 所示，包含預充電單元、四象限整流單元、中間直流回路、接地檢測回路、過壓抑制單元及牽引逆變單元。其中，四象限整流模塊給牽引逆變模塊供電，牽引逆變模塊通過一個三極隔離接觸器給牽引電機供電。輔助變流器從中間直流回路取電，由DC/DC 功率模塊和DC/AC 功率模塊構成。系統采用強迫水循環風冷散熱方式，四象限整流模塊和牽引逆變模塊采用強迫水冷散熱，變壓器電抗器組件采用強迫風冷散熱。牽引輔助變流器通過控制單元將變流器實時工作狀態傳遞給整車，同時可以調節牽引電動機在牽引和再生制動時的輸出轉矩。

圖1 主電路拓撲圖

1.2 技術參數

牽引輔助變流器技術參數如表1 ～表2 所示。

表1 牽引部分技術參數

表2 輔助部分技術參數

1.3 主要技術特點

牽引輔助變流器為兩整四逆兩電平主電路，此類型拓撲可以實現牽引電機的獨立軸控，兩整四逆主電路是在兩整兩逆獨立軸控、兩整三逆獨立軸控兩電平主電路基礎上的延伸設計。變流器采用無LC 設計及無拍頻控制技術，并在逆變輸出側設置三極接觸器實現系統故障后牽引電機的隔離，維持動車組運行。輔助部分從中間直流回路取電，通過DC/DC+DC/AC 的電路拓撲結合高頻軟開關技術實現AC380V 交流供電，且輸出采用無互連線并聯供電技術。

1.4 變流器控制功能

牽引輔助變流器主要包括以下控制功能：執行TCMS分配的牽引力指令，并實現牽引力控制；執行BCU 分配的再生制動力指令（恒速控制除外），并實現再生制動力控制；執行TCMS 故障降級模式（減功率）和限速指令；執行TCMS 關于輔助變流器供電相關指令；牽引系統內部限速管理（出于對牽引系統自身的保護）；電機旋轉方向控制；緊急牽引控制；中間直流回路充電控制；變流器的啟動控制；中間直流回路電壓監控；接地故障監控；牽引安全聯鎖控制；輪徑校正控制；變流器冷卻監控；牽引電機冷卻監控；防空轉/電制滑行控制；弱磁控制；整列動車組不同四象限整流器采用載波移相控制策略，實現諧波有效抑制；輔助變流器各輸入和輸出端的獨立接通和切斷控制；保護自身的設備免于過載、短路、不平衡負載、輸入和輸出的單一的和多重接地故障控制；網壓/功率限制。

1.5 變流器保護功能

牽引輔助變流器主要包括以下保護功能：冷卻單元保護；主電路短路、過流和過載保護；接地保護；瞬時過電壓保護；中間直流回路過壓及欠壓保護；直流回路充電異常保護；輸入電壓過壓及欠壓保護；輸入/輸出過流保護；控制電源保護；牽引/輔助控制單元斷電時中間直流回路快速放電保護；牽引電機不工作保護；鎖軸故障保護；超溫保護（包括牽引電機、冷卻單元等超溫）；實現網壓、網流的波動、突變、中斷的監測及保護；其他保護（如短路保護、電機缺相保護、接觸器等內部部件故障保護等）。

2 結構設計

2.1 整體結構設計

牽引輔助變流器整體結構設計繼承了動車組變流器模塊化、平臺化布局設計，內部包含接觸器平臺、TCU 平臺、牽引功率平臺、輔助功率平臺、冷卻單元平臺、變壓器電抗器平臺等。同時設置了側門板、底門板，方便現場組裝及后期維護。變流器走行方向兩側分別設置6 個含安裝孔的吊耳，風機、散熱器、功率平臺采用兩邊對稱布置方式，防止變流器發生重心偏移，高低壓對外接口位于兩側斷面上。變流器內部設置一套冷卻單元，采用兩側進風、底部出風的進出風口設計。線纜走線路徑采用高低壓分離設計，防止發生電磁干擾。變流器結構布局如圖2 所示。

圖2 牽引輔助變流器結構布局圖

2.2 水冷單元結構設計

變流器功率器件與水冷電機采用各自獨立的兩套冷卻系統，分別布置在變流器兩側形成集成式冷卻裝置。冷卻裝置是由散熱器、膨脹水箱和空氣過濾器一體化集成的散熱器組件，集成式冷卻裝置設置兩臺水泵，四臺風機組件，兩兩并列布置在散熱器出風面后側。水冷單元結構布局如圖3 所示。

圖3 水冷單元結構布局圖

3 功率模塊設計

牽引功率模塊中間母線電壓為3600V，功率器件為6500V/750A。功率器件對稱布置于模塊兩側水冷基板上，與水冷管路相連的水接頭設置在功率模塊后側。模塊高壓電氣直流接口為前出線，交流接口為后出線，在變流柜內采用插拔立式、抽屜式安裝，模塊前側底部與變流柜柜體固定，模塊上方設有一根長螺桿，在后側與變流柜機械連接，其外形結構如圖4 所示。

圖4 功率模塊外形圖

牽引功率模塊包含四象限整流功率模塊及牽引逆變功率模塊，主要技術參數如表3～表4 所示。

表3 四象限整流功率模塊技術參數

表4 牽引逆變功率模塊技術參數

4 仿真分析

牽引輔助變流器從25kV 接觸網取電，經過四象限整流轉化成直流電，供牽引逆變器、輔助變流器使用。牽引逆變器將中間母線直流電壓變換為AC 0V ～2808V 三相交流電來驅動牽引電機工作。根據系統主電路拓撲，搭建仿真模型進行驗證。

4.1 輸入特性仿真

在網壓25kV，牽引滿載工況時，單臺四象限整流器輸入電流有效值為825.8A，峰值電流為1168A，電流畸變率（THD）為10.77%，滿足設計要求。仿真波形如圖5 所示。

圖5 四象限整流輸入電壓電流波形（牽引滿載工況）

穩態時變壓器原邊電流仿真波形如圖6 所示，原邊電流有效值為126.5A，最大值為178.8A，電流畸變率（THD）為3.41%，滿足設計要求。

圖6 變壓器原邊電流波形及其諧波分析

4.2 輸出特性仿真

在網壓25kV，牽引滿載工況，電機定子頻率283.4Hz時，逆變輸出電流峰值251.1A，基波有效值為177.6A，諧波含量為14.96%，滿足設計要求。仿真波形如圖7 所示。

圖7 額定點時逆變器輸出電壓、電流（283.4Hz，額定功率）

4.3 中間直流母線電壓仿真

系統從啟動到滿功率運行，穩態時中間直流母線電壓及電容電流波形如圖8 所示。

圖8 中間直流母線電壓波形

從圖8 可知，滿載穩態下直流電壓波動范圍約為3460V～3730V，紋波為7.5%，滿足設計要求。

5 結論

本文介紹了一種高速動車組牽引輔助變流器的方案設計方法，詳細分析了牽引輔助變流器的工作原理，技術特點，具備的保護和控制功能。最后通過仿真和試驗進行了驗證，該牽引輔助變流器各項性能指標滿足要求。對研究安全、高效、綠色、智能的新型軌道交通具有重要意義。