基于油电混合动力调车主牵引变流器的研制

基于油电混合动力调车主牵引变流器的研制

邹白苏[1]

株洲中车时代电气股份有限公司，湖南  株洲  412001

摘  要：本文重点阐述了油电混合动力调车主牵引变流器的研制目的、以及主电路、工作原理、性能参数和技术特点，并对该牵引变流器的关键器件、冷却系统进行选型设计，最后通过地面试验和装车考核证明该牵引变流器完全能够满足整车的性能要求。

关键词：油电；混合动力；牵引变流器；动力蓄电池

0 引言

随着全球经济的发展，化石能源的消耗所带来的空气污染日益加重，这对石油资源和生态环境带来极大的挑战，能源危机和环境保护已经成为全球所面临的重大挑战。纯内燃动力调车因其独立的供电模式和特殊运用场景的需要，在现有电车普及的情况下依然占据一定比例，为适应时代发展以及响应国家的号召，国内各主机厂都在大力开发混合动力类型机车。下面主要讲述一种基于油电混合动力调车主牵引变流器的研制，实现在现有内燃动力技术基础上大幅度提高燃油经济性并减少排放，达到节能减排的目的。

1牵引变流器主电路结构及主要技术参数

这种油电混合动力调车牵引电传动系统包括主发电机、动力蓄电池、牵引变流器、牵引电机。每台调车配备一台牵引变流器，其中牵引变流器采用主辅一体化设计，向2个转向架的4台牵引电机以及辅助负载供电。

1.1主电路结构

牵引变流器主电路由一组三相短接与预充电组件+一组不可控整流器+中间直流环节+4组VVVF牵引逆变器+1组CVCF辅助逆变器组成，采用轴控方式，各轴控制相对独立，可以单轴控制各轴输出功率，当1台牵引电机或1组逆变器出现故障时，可通过传动控制单元对故障轴进行隔离，调车仅损失1/4动力，其余牵引电机以及逆变器仍然可以正常工作，提高了调车的运行冗余度。

下面以单台牵引电机的驱动为例来说明牵引变流器的工作原理：在启动柴油发电机前，先闭合三相交流接触器K7，随柴油机转速提升，柴油发电机组输出的三相交流电电压缓慢上升，通过K7给牵引变流器供电，不可控整流器将其整流为直流，通过中间直流环节支撑电容器的滤波，可得到平缓的DC1600V（柴油机额定转速下），再经过逆变器逆变为幅值、频率变化的三相交流电供给牵引电机，并通过变频变压来控制电机转速，从而控制调车运行状态；另外的一个辅助逆变模块，将直流电逆变为频率和电压都固定的三相交流电，经过牵引变流器输出三相接触器K5对外供电，整车配置的隔离变压器和三相滤波电容器对其进行降压滤波后给调车上的辅助负载供电；调车电制动或自负荷时，调车的动能或柴油机的输出转化为电能输入至牵引变流器中间直流环节，相应逆变器的斩波支路开通，由动力蓄电池将该能量吸收，或者由制动电阻（BR1/2）消耗。

牵引变流器中间直流环节设置有固定放电电阻，用于快速放电电路失效后，将支撑电容器上的电压降低至安全电压以下；固定放电电阻同时可作为直流分压电阻，其中点接地，用于主电路接地检测；逆变器半导体功率器件采用大功率高压IGBT元件，通过强迫风冷的冷却方式为器件进行有效的散热。

图1牵引变流器主电路图

1.2主要技术参数

牵引变流器主要技术参数如下：

1）三相不可控整流器

额定输入电压       三相 AC 1248V

最大输入电压       三相 AC 1265V

额定输入电流       三相 AC 264A

整流器效率    99％

2）中间直流环节

标称直流电压            DC 1600V

3）VVVF牵引逆变器（单组）

标称输入电压            DC 1600V

输出电压                三相 AC 0～1248V

额定输出电流        AC 478A

最大输出电流        AC 545A

4）CVCF辅助逆变器（单组）

标称输入电压            DC 1600V

输出电压                三相 AC 720V

额定输出电流        AC 160A

2 牵引变流器关键器件选型

2.1 不可控整流器

不可控整流器电路结构通常为三相不可控整流电路，其电路结构简单，应用可靠性高，在内燃调车领域，经常应用于发电机输出端，将发电机输出三相交流电进行整流。其中关键元件二极管选型如下。

可通过式（1）得知整流器额定输入电压：

                                                   （1）

式中：为三相桥式整流电路考虑换相重叠损失后的换算系数；为中间电压。

通过式（2）与式可推出整流器额定输入电流：

                                             （2）

式中：为额定输入容量，kVA；

通过式（3）与式（2）可推出中间直流环节额定电流：

                                                   （3）

式中：为三相桥式整流电路考虑换相重叠损失后的换算系数。

可通过式（4）与式（3）得知整流器每个桥臂的电流有效值：

                                                     （4）

可通过式（5）与式（4）得知整流器每个二极管的平均电流：

                                                   （5）

可通过式（6）与式（1）得知整流器每个二极管的最大反向电压：

                                                 （6）

通过以上计算，结合实际工程应用经验，可确定二极管器件选型。

2.2 IGBT器件

IGBT器件作为变流器模块的核心部分，其运行是否可靠直接影响了牵引变流器的可靠性，因此IGBT器件的选型应当按照最恶劣的工况进行选型。

根据式（7）、式（8）可得知器件电流、电压定额：

                                      （7）

式中： ――过电压系统；

 ――安全系统；

――额定直流电压最大值；

 ――关断即将结束时的尖峰电压。

                                          （8）

式中： ――电流尖峰系数；

――温度降额系数；

――过载系数。

根据现场使用以及参照样本，可确定IGBT选型器件。

2.3 支撑电容器

支撑电容器的电容值计算主要考虑负载的无功、提供瞬态电流和直流电路的滤波，可根据下述估算式（9）进行估算，最后根据实际工况采用Matlab主电路仿真对电容值进行修正。

直流支撑电容器估算

                                                   （9）

式中：K――经验系数；

――频率系数。

3 牵引变流器功能单元

3.1 总体布局

混合动力内燃调车牵引变流器采用模块化结构布局，变流器模块对称分布在柜体A、B两侧，在柜体A侧，从上往下、从做往右依次为三相隔离接触器、直流接触器与预充电电阻组件、不可控整流模块、传感器与固定放电电阻组件、牵引逆变器1号和2号，在柜体B侧，同样顺序为直流接触器与预充电电阻组件、DCU、斩波电阻、辅助逆变器、牵引逆变器3号和4号。整个布局中，两边逆变模块对称布置，可方便集中从中间直流母排取得整流后的直流电，简化中间直流母排的设计，同时，对外输出端子全部放置在柜体两侧的底部，柜内主电路多采用铜排连接，对称美观，同时有利于优化柜内温升。牵引变流器外形尺寸为1750mm×1660mm×2200mm（长×宽×高），重量约为1700kg，如图3所示。

图2牵引变流器外观图（左-A侧，右-B侧）

3.2 变流器模块

变流器模块采用时代电气通用化标准模块，每个模块集成了8个IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂及斩波相桥臂。该模块还包括散热器、温度传感器、电源、支撑电容器等部件。模块化设计便于整柜组装、测试以及售后维护，其外形如图4所示。

图3变流器模块外观图

4 牵引变流器热仿真

4.1 热仿真

在明确系统需求之后，了解运行环境等因素，对关键器件损耗进行仿真计算，得出牵引变流器的总损耗。根据牵引变流器的损耗设计合适的散热方式，该型号混合动力内燃调车牵引变流器采用强迫风冷冷却。IGBT器件直接安装在带翅片的基板上，下面对IGBT器件温升仿真，其结果如图所示：

图5 IGBT热仿真结果

通过图5仿真结果可知，IGBT器件在环境温度为40℃时，散热器台面最高温度为82℃，最高结温为94.3℃。根据目前IGBT器件工程应用经验，最高结温一般控制在125℃以下，因此满足要求。

5结语

该型号混合动力内燃调车牵引变流器已顺利通过装车调试以及现场运用考核，目前已在应用现场运行多年，牵引变流器性能发挥稳定，各项性能指标满足整车技术要求。

参考文献：

[1] 忻 力.兆瓦级IGBT牵引逆变器的开发[J].机车电传动，2000（5）.

[2] 丁荣军，黄济荣.现代变流器技术与电气传动[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 饶沛南，柴多，张义.基于混合动力型内燃机车主变流器的研制[J].机车电传动，2012（6）：1-4.

[4] 肖功彬，张东方，陈华国.SDA1型交流传动内燃机车电气牵引系统及技术创新点[J].机车电传动，2013（1）：27-30.

作者简介：

邹白苏（1988年），男，本科，现从事牵引变流器总体设计及系统方面的研究工作。