一种高温环境内燃机车辅助变流器设计_王泉策.pdf

|3电子技术0 引言随着我国在轨道电力设施建设和轨道交通领域的不断投资，以及有益于环境保护和改善旅客乘坐舒适度等方面的考量，如今的铁路主要的客运和货运机车基本上都是采用交流传动的电力机车。进入 21 世纪，电力机车的发展逐步完成从技术引进到技术吸收国产化的过程，其中形成了HXD1、HXD2 和 HXD3 这些成系列且大批量的“和谐号”电力机车。此后，为了提高铁路运输的运营效率和服务质量，在现有的线路资源和各类机车的检修资源基础上，我国又研制出具有独立自主的知识产权和标准化的机车CR200J“复兴号”交流传动电力机车。但即使电力机车的发展迅猛，但在电力机车市场逐渐趋于饱和的情况下，目前市场潜力最大的国外市场，对于内燃机车的需求也更为广阔，因为其不需要一系列电气化的高投资和维护费用的基础设施资源，内燃机车的客运和货运线路更为灵活，也更适于老旧的铁路车组更新换代。除此之外，在国内偏远地区以及电气线路无法覆盖的区域，在机务段内的调车，以及无论是电气线路还是普通线路的应急救援等方面，内燃机车仍然有着不可替代的关键作用。本文介绍的一种辅助变流器适用于内燃机车，主要实现由辅助发电机到辅助永电的控制以及主发电机和辅助发电机的励磁控制功能。该辅助变流器适用于某型内燃机车，机车应用范围在热带，温度湿度都较高，海拔偏低，在温带低海拔地区，该车型同样可以很好应用。辅助变流器要求安装在与机车司机室相邻的辅助室内，应能承受风、盐雾、粉尘、高湿度等侵袭。该车型的环境条件如下：外界空气的最高温度：45全年空气的平均温度：35最大相对湿度：100%平均相对湿度：75%最高海拔：650m对于海拔高于 1400m 的车型设计，变流器可以重新设计核算和进行小范围技术改进以满足技术需求。1 变流器方案 1.1 电气原理辅助变流器由 5 台交直交变流器、1 台充电机及 2台励磁调节器组成。辅助系统通过交直交变换将机车辅助交流发电机发出的三相 AC500V/90Hz 电压转换为各负载所需频率与幅值的三相交流电。辅助逆变器分为 CVCF 和 VVVF 两种，根据负载的需求分别提供恒压恒频的输出和变压变频的输出，两种辅助逆变器相互独立。INV1-5 路供给负载分别为冷却风扇 1、冷却风扇 2、空压机 1、空压机 2 及空调机组、车体通风机、水泵等负载提供三相交流电源。充电机系统从辅助交流发电机发出的三相 AC500V/90Hz 电压取电，经过全桥整流电路和电感电容滤除纹波，输出中间直流电。然后经过半桥斩波电路、变压器和二极管构成的整流电路以及电感电容滤波，进行直交直变换，将输入的三相交流电转换为 DC74V 输出，为机车蓄电池和其他低压负载供电。在充电机的功率转换电路中，采用了移相全桥的控制技术，通过功率器件的参数计算和选型，由IGBT 并联的二极管、电容以及高频变压器的漏感组成了零电压开关回路。当功率器件的端电压为零时，将其进行导通，这能够大大减小功率器件的开关损耗，以便充电机模块在高至 25 kHz 的高频运行。辅助变流器控制励磁系统，调节励磁模块输出电流，控制主发和辅发的输出电压与频率变化。在各功能单元输入侧均加入了接触器，在某个功能单元故障时可以将其进行隔离操作，不影响其他功能单元的正常运行。变流器具有RS485 通信功能，可将变流器状态、电压及电流参数传送给微机 LCS32，同时，微机通过 RS485 通信，控制辅助变流器的工作。辅助变流器原理图如图 1 所示。1.2 技术参数辅助变流部分如表 1 所示，充电机参数如表 2 所示，一种高温环境内燃机车辅助变流器设计王泉策（中车永济电机有限公司，山西永济，044502）摘要：内燃机车通过内燃机带动发电机产生能量，再通过变流器进行能量转换，提供给车上的空压机负载、冷却风扇，以及生活用电等辅助负载。对于车载蓄电池，需要充电机进行能量转换提供充电等功能。同时，发电机也需要励磁调节器控制励磁电流。设计了一种适用于高温环境的内燃机车辅助变流器，对该辅助变流器的外形结构，主电路设计和电气参数进行说明，对各功率模块的外形和技术参数及相关改进设计也作出说明。关键词：内燃机车；辅助变流器；充电机；励磁调节器；电气设计DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.06.0194|电子制作 2023 年 3 月电子技术励磁调节器参数如表 3 所示。表1 辅助变流部分输入电压（恒压频比）额定3AC480V/101.6Hz最高3AC500V最低3AC200V额定容量570kVA输出电压（恒压频比）额定3AC480V/101.6Hz最高3AC480V/101.6Hz最低3AC142V/30Hz（基波有效值）波动范围 10（额定工况）电压峰值Upk 1000V电压上升斜率du/dt3000V/s负载电流80A辅助逆变器1、2，负载为冷却风扇1、2额定3AC165V/90Hz（基波有效值）波动范围 10（额定工况）电压峰值Upk 1000V电压上升斜率du/dt3000V/s负载电流121A辅助逆变器4、5，负载为空压机1、2额定3AC380V/50Hz（基波有效值）220V/50Hz（基波有效值）波动范围 5（额定工况）电压峰值Upk 1000V电压上升斜率du/dt500V/s输出谐波含量5%负载电流45A辅助逆变器3，负载为水泵、空调、生活用电效率94%（额定工况）冷却方式强迫风冷控制电压额定值DC 74V最低值DC 54V最高值DC 85V相对峰-峰纹波因数15%表2 充电机输入交流电压额定3AC480V/101.6Hz；最高3AC500V最低3AC200V额定容量10kW输出直流电压DC 74V；波动范围 2效率94%（额定工况）冷却方式强迫风冷控制电压额定值DC 74V最低值DC 54V 最高值DC 85V相对峰-峰纹波因数15%表3 励磁调节器输入交流电压额定3AC480V/101.6Hz；最高3AC500V最低3AC200V输出电压050V输出电流0210A 1.3 主要技术特点采用辅助充电机励磁一体化设计，将辅助变流器、充电机、励磁调节器集成在一个柜体里面，实现辅助和充电机设备高集成度和轻量化的目标。辅助变流器部分采用强制风冷冷却方式，实现装置小型化、轻量化设计。按照功能进行模块化设计，故障时以功能单元为单位进行更换可以快速恢复，并便于维护与检修。1.4 辅助变流器控制功能辅助变流器的控制功能主要包括：隔离运行模式逻辑；历史故障数据的故障诊断和记录功能；辅助变流部分 VVVF和 CVCF 控制；充电机具有蓄电池供电、蓄电池充电和外部供电的切换功能；充电机按照用户约定的充电特性曲线为机车的车载蓄电池充电，在车载蓄电池电量较低时采用恒流充电的控制方式，当电量较高时，采用相应的恒压充电的控制方式进行浮充；充电机同时具有温度补偿功能。在一定温度范围时，充电机根据温度补偿蓄电池充电端电压，蓄电池温度每增加 1，蓄电端电压减少一定 mV 值；超出前述温度范围时，充电端电压恒定不变。该功能可根据用户要求进行相应调整，并通过软件修改即可实现，不需要更改硬件；根据主发电机特性进行励磁控制。1.5 保护功能辅助变流器具有完善的保护动作，主要包括以下保护功能：辅助输入电压过压保护；辅助输入电压欠压保护；中间直流过压保护；各模块 IGBT 元件故障、过热保护；DC/DC、DC/AC、充电机模块过热保护；辅助逆变输出短路保护；辅助逆变输出过流保护；辅助主回路接地保护（电压型接地图 1 辅助变流器电气原理图|5电子技术检测）；接触器等部件故障保护；变压器过热保护；辅助逆变输出三相不平衡保护。充电机输入过压保护；充电机输入欠压保护；充电机输出过压保护；充电机输出过流保护；柜内温度过高保护；进风口温度过高保护；散热器过热保护。2 结构设计辅助变流器按照模块化设计思路设计，根据电气原理，内部布置 8 个功率模块，模块均采用强迫风冷结构，风道设计为集中风道，采用一台风机强迫通风，风机安装在柜体顶部，柜体整体散热方式为下侧方进风，上部出风的方式散热。柜体两侧柜门均可打开，布置于柜门打开面，两面检修方式，柜体采用底部安装。柜门设置有压力开关，在打开柜门时自动检测并上传整车。柜内设置高压警示灯，并在柜门不打开即可从柜外进行观察，防止触电。变流器结构的总体布局如图 2 所示，结构外形图如图 3所示。整体外形尺寸：LBH=1350mm850mm2000mm柜体重量：约 1100kg安装方式：底部 4 个腰孔安装 M20 螺栓，背部 2 个M16 吊环孔固定到墙上。3 功率模块设计为了简统化和小型化设计，对于变流器中关键部件通常采用模块化设计。该变流器对于整流逆变的变换部分设计了整流+逆变功率模块，对充电机在不控整流后的部分采用充电机功率模块进行设计。3.1 整流+逆变功率模块（1）电气原理整流+逆变功率模块采用二极管不控整流和 IGBT 可控逆变单元组成，将辅助发电机输出的三相交流电经过 AC-DC-AC 转换，输出负载需要的三相交流电，电气原理如图 4所示。图 4 整流+逆变功率模块原理图（2）主要技术参数整流+逆变功率模块技术参数如表 4 所示。与原现有图 2 辅助变流器布局图图 3 辅助变流器外形图6|电子制作 2023 年 3 月电子技术产品技术参数对比，如表 5 所示。表4 整流+逆变功率模块技术参数序号项点参数备注1电路型式三相桥式2额定输入电压3AC500V/90Hz（1800r/min）3最低输入电压3AC200V（600r/min）4额定容量70kVA5输出电压范围AC0480V/3p6冷却方式强迫风冷表5 整流和逆变功率模块主要电气技术参数比较配属车型原已有功率模块本次设计模块需求名称晶闸管半控整流功率模块辅助逆变功率模块二极管不控整流功率模块辅助逆变功率模块额定输入电压AC1000VDC750V3AC480VDC650V额定输出电压DC750VAC 415/3pDC650VAC 380/3p额定输出电流195A200A105A150A工作环境环境温度：-25+55 存放温度：-40+70 机械间温度+70，柜内温度可能达到80环境温度：-25+45 存放温度：-25+55 海拔高度不超过1776m不超过650m平均湿度100%75%采用现有产品辅助逆变功率模块，在相同风量下，功率损耗参数对比见表 6，完全满足本次设计的技术要求，因此可采用原已有辅助逆变功率的逆变模块部分的功率器件。表6 逆变模块功率损耗对比模块类型原已有功率模块本次设计模块需求开关频率750Hz1500Hz类别单个IGBT单元功耗（W）284127单个二极管单元功耗（W）5058每个IGBT模块功耗（W）334185散热器基板温度（）100100IGBT结温（）116108DIODE结温（）104106但在整流部分，本次设计采用二极管不控整流，原模块为晶闸管半控整流，所以需要重新设计整流模块，因此以下进行整流部分功率器件的选型计算。（1）二极管额定电压的选择最 高 输 入 电 压 为 URMS=AC500V，整 流 后 的 电 压Vdc=675.5V，考虑到网压波动及反向恢复时的过压，一般选择二极管的额定电压应大于 23 倍的工作电压，即6752=1350V，所以这里选用 2000V 的双管二极管器件。（2）二极管额定电流的选择整流后输出电流的平均值：Id Po/Uo=104A其中：Po 为输出功率，Uo 为输出电压。二极管的正向平均电流：IF=35A二极管有效值：IRMS=60A考虑到 23 倍的安全裕量，因此选用整流二极管，其额定工作电流为 260A。（3）二极管结温计算散热参数采用已有模块的风量和压降要求，二极管结温如表 7 所示，能够满足散热要求。表7 二极管结温计算单个二极管单元功耗（W）32每个二极管模块功耗（W）64散热器基板温度（）100二极管结温（）106二极管型号(2000V/260A)（双管）)数量3只（4）结构外形整流逆变模块的整流部分重新进行选型设计后，更新整流逆变功率模块三维结构图如图 5 所示。图 5 整流逆变功率模块外形图 3.2 充电机功率模块（1）电气原理充电机功率模块的输入为经过三相不控整流后的直流电，通过斩波电路和变压器，以及其后的电感电容滤波，将输入侧的直流 560V 电压控制输出为稳定的 74V 直流电。在单个开关周期的前半段，半桥斩波电路的上管 IBGT导通，变压器原边线圈上正下负，电压值为输入端直流母线电压的一半，副边二极管整流电路上端二极管正向导通，下端二极管负向关闭，充电机输出上正下负；在单个开关周期的后半段，变压器原边线圈下正上负，电压值为输入端直流母线电压的一半，副本二极管整流电路上端二极管负向关闭，下端二极管正向导通，充电机输出同样上正下负。|7电子技术充电机功率模块的电气原理如图 6 所示。图 6 充电机功率模块原理图（2）主要技术参数充电机功率模块技术参数如表 8 所示。表8 充电机功率模块技术参数序号项点参数备注1额定输入电压DC560V2额定输出功率10kW3额定输出电压DC74V4开关频率25kHz5冷却方式强迫风冷（3）结构外形充电机功率模块已有大批量成熟应用的产品，能够满足本次设计要求，该模块的外形如图 7 所示。图 7 充电机功率模块外形图 3.3 励磁调节器励磁控制器功率模块采用不控整流和斩波单元组成，将三相交流变压器输出的交流电经过整流和斩波，输出主发电机和辅助发电机所需的可控励磁电流，从而控制主、辅发电机工作，为整车提供能源。励磁控制器的主电路电气原理如图 8 所示。励磁调节器技术参数如表 9 所示。励磁调节器已有成熟应用的产品，集成在控制单元中。图 8 励磁调节器主电路原理图表9 励磁调节器技术参数序号项目参数备注1额定输入电压3AC480V2最低输入电压3AC200V3输出电压050V4输出电流0210A4 结论辅助变流器的功率转换部分基于成熟产品，对二极管进行了重新参数设计和选型，改进功率模块设计，满足整车设计需求。在充电机主电路的功率转换中，采用先进行整流，然后通过高频 DCDC 和极性转变，并通过高频变压器进行电压降压，副边整流出直流电的设计方案，虽然该方案在早年间看来，高频转换电路要多增加几级转换，不仅电路复杂而且控制难度高，但经过多年控制技术的发展，已经能够成熟应用，并且其变换频率为 25kHz，能够减少变压器等功率器件的体积，达成高功率密度而得到广泛采用。该辅助变流器可以给各类辅助负载供电，并给发电机提供励磁，该变流器能很好地应用于高温环境内燃机车。参考文献 1 罗国永,谭渺,刘长清.高温环境应用内燃机车辅助变流器的设计 J.大功率变流技术,2016,(01):17-20.2 刘长清,王佳佳,蹇芳,周文勇,张宁.HXD1C 型电力机车辅助变流器的设计 J.大功率变流技术,2010,No.406(04):9-11.3 牛勇,张晋芳,李相锋,陈宏.CRH_5 型动车组充电机技术研究 J.铁道机车与动车,2014,(07):12-15+19+5.4 陈宏,张晋芳,牛勇,刘革莉,张丹,赵一洁.智能型充电机在高速动车组中的应用J.铁道机车车辆,2014,34(04):58-61+89.5葸代其,张宇龙,李东.机车辅助变流器及其控制系统设计J.电力电子技术,2020,54(08):29-31+57.