高速動車組牽引變流器研制

■ 李紅 楊寧 金煒 程建 華

高速動車組牽引變流器研制

■ 李紅 楊寧 金煒 程建 華

牽引變流器是高速動車組的核心部件，牽引變流器的自主研制具有重要而深遠的意義。對高速動車組牽引變流器研制成果進行梳理和總結(jié)，以牽引變流器設(shè)計平臺為基礎(chǔ)實現(xiàn)變流器的可靠設(shè)計。從技術(shù)方案、箱體強度研究、熱仿真分析、電氣性能仿真、關(guān)鍵部件研制、控制單元軟件設(shè)計、牽引系統(tǒng)綜合試驗等方面進行平臺到設(shè)計的詳細介紹。自主研制的牽引變流器順利完成型式試驗并已通過正線運營考核，驗證了可靠性和可用性，提高了我國設(shè)計生產(chǎn)牽引變流器的能力，對推動我國高速鐵路發(fā)展發(fā)揮著重要的作用，同時也突顯出其服務(wù)價值、經(jīng)濟價值與社會價值。

動車組；牽引變流器；開發(fā)平臺；箱體強度；功率模塊；仿真

0 引言

牽引變流器作為高速動車組交流傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，直接決定了動車組的使用性能、安全運行和運營能力。高速動車組的原型車從國外引進，無論從技術(shù)或價格上都嚴重影響高速動車組的長期穩(wěn)定運營和維護，因此研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速動車組牽引變流器是提升自身設(shè)計能力、確保動車組正常運營的基礎(chǔ)和保障，同時也是實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)高速動車組研制的必經(jīng)之路。

中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所已建成牽引變流器研發(fā)與試驗平臺，具備自主設(shè)計能力與條件，如牽引計算平臺、電氣性能仿真平臺、軟件開發(fā)平臺、半實物仿真平臺、變流器熱仿真計算平臺、箱體強度仿真平臺、IGBT試驗臺、功率模塊試驗臺和牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗平臺，設(shè)計能力覆蓋不同速度等級、不同功率等級的動車、機車、城際、地鐵的牽引變流器。

1 技術(shù)方案

高速動車組牽引變流器通過吊軸懸掛安裝在動車組車廂車體下，主要由機箱、牽引控制單元（TCU）和主電路組成，整體采用模塊化緊湊設(shè)計。牽引變流器主電路主要由2個四象限整流器、帶諧振電路的中間電壓電路、過壓限制器、短路器和1個輸出脈寬調(diào)制逆變器組成。

牽引變流器的研制是個系統(tǒng)工程，包括設(shè)計、組裝、試驗和檢驗等系統(tǒng)嚴謹?shù)牧鞒蹋瑥脑O(shè)計研究和試驗檢驗角度對牽引變流器的研制進行闡述。

2 牽引仿真計算平臺

針對高速列車牽引系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件，建立了包括牽引變壓器、牽引變流器、牽引控制裝置等關(guān)鍵部件的仿真設(shè)計平臺，可以完成牽引系統(tǒng)各部件的特性分析與設(shè)計優(yōu)化，以支撐牽引系統(tǒng)和牽引變流器研發(fā)能力的提升。

利用牽引仿真計算平臺開展牽引系統(tǒng)方案設(shè)計，包括計算列車牽引功率、設(shè)計列車牽引制動特性及優(yōu)化設(shè)計牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機等方案。

3 電氣性能仿真

牽引變流器電氣部件選型及器件工作特性分析是變流器設(shè)計的重要組成部分。為了對變流器電氣特性進行研究，搭建了變流器電氣性能仿真平臺。該平臺可以仿真不同車型牽引變流器的電氣性能，對于校驗并優(yōu)化主電路電氣參數(shù)、器件自主選型具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

高速動車組牽引變流器設(shè)計中分別對四象限整流器和逆變器2個子系統(tǒng)獨立建模，然后將二者組合成一個完整的牽引變流器系統(tǒng)進行仿真分析，并對牽引變流器中選擇的電氣元件（如IGBT、接觸器、諧振電容）結(jié)合不同工況進行參數(shù)選型與參數(shù)校驗，同時根據(jù)仿真結(jié)果驗證并調(diào)整控制方案。高速動車組牽引變流器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

4 牽引控制單元軟件設(shè)計

（1）軟件開發(fā)平臺。牽引變流器的核心控制設(shè)備是TCU，而變流器的可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS）指標很大程度上也受到軟件設(shè)計影響。國外各大牽引系統(tǒng)供應(yīng)商都具有成熟的、支持實時操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。牽引控制單元除具備自主知識產(chǎn)權(quán)的控制單元硬件外，還自主開發(fā)了基于硬件的軟件開發(fā)平臺TKDET，支持圖形化的編程，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的底層庫。該開發(fā)平臺使得軟件編程分工明確，模塊化、形式化/半形式化語言開發(fā)相結(jié)合，與國際標準相接軌。牽引控制單元軟件設(shè)計完全基于自主研發(fā)的TKDET軟件平臺，軟件層次清晰，邏輯分明，具有較好的可讀性與可移植性。

（2）半實物仿真平臺。為了對控制單元的控制邏輯與控制策略進行分析，搭建了硬件在回路的DSPACE半實物仿真平臺，該平臺可實現(xiàn)實時快速在線仿真和離線仿真。在設(shè)計初期可以在該仿真平臺進行控制軟件的測試與驗證。

5 牽引變流器熱仿真分析

牽引變流器作為大功率電力電子產(chǎn)品，可靠性問題越來越受到重視，在眾多影響電力電子產(chǎn)品可靠性的因素中，一項重要指標就是熱設(shè)計。變流器箱體結(jié)構(gòu)直接影響變流器電氣與電子器件的發(fā)熱，關(guān)系著變流器運行可靠性，因此變流器箱體設(shè)計是變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，也是其技術(shù)難點。區(qū)別于傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計，以CFD軟件Flotherm建立箱體熱仿真平臺，對箱體熱設(shè)計在設(shè)計初期采用計算機輔助軟件對熱設(shè)計方案建模，通過有限元分析計算，仿真驗證熱設(shè)計方案的可行性。這樣可以在生產(chǎn)樣機之前反復(fù)對方案進行修正，達到熱設(shè)計方案直觀、可控的效果，節(jié)省了時間，減少了成本。

表1 高速動車組牽引變流器主要技術(shù)參數(shù)

牽引變流器箱體通過幾何建模、損耗計算、材料設(shè)定、冷卻條件限定、迭代仿真計算的流程對牽引變流器箱體進行熱分析。內(nèi)部器件溫度場與功率模塊溫度場分布云圖見圖1、圖2。依據(jù)熱仿真結(jié)果，樣機滿足熱仿真設(shè)計預(yù)期。

6 牽引變流器箱體強度研究與設(shè)計

牽引變流器箱體強度是一項重要指標，強度保證了牽引變流器機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和電氣部件的可靠，因此變流器箱體強度的研究是箱體設(shè)計的重點與難點。牽引變流器強度研究主要包括以下幾方面內(nèi)容。

（1）自主設(shè)計牽引變流器箱體強度計算。根據(jù)箱體設(shè)計圖紙進行三維建模，通過仿真軟件對箱體進行強度校核，了解牽引變流器箱體應(yīng)力分布狀況。牽引變流器橫向工況應(yīng)力計算結(jié)果見圖3。

圖1 變流器內(nèi)部器件溫度場

圖2 功率模塊溫度場

圖3 牽引變流器橫向工況應(yīng)力計算結(jié)果

（2）自主設(shè)計牽引變流器箱體靜強度試驗。牽引變流器自主設(shè)計箱體是由國內(nèi)制造廠商進行生產(chǎn)制造，此研究是對自主設(shè)計牽引變流器成品箱體做強度校核，確認自主箱體是否符合相關(guān)標準在靜強度方面的要求。牽引變流器箱體靜強度試驗布置見圖4。

（3）自主設(shè)計牽引變流器箱體疲勞強度試驗。在箱體靜強度試驗基礎(chǔ)上對箱體進行疲勞試驗，對箱體在疲勞強度試驗過程中的振動狀態(tài)、箱體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力狀況進行監(jiān)控，驗證箱體疲勞強度和使用壽命。牽引變流器箱體疲勞試驗見圖5。

（4）自主設(shè)計牽引變流器振動沖擊試驗。振動沖擊試驗是牽引變流器整機型式試驗的一部分，通過增加振動量級、縮短試驗時間的方法考核牽引變流器承受環(huán)境振動和沖擊的能力，確保牽引變流器設(shè)備能夠安全使用，是變流器裝車運用前的考核試驗。牽引變流器垂向振動沖擊試驗見圖6。

（5）自主設(shè)計牽引變流器箱體模態(tài)試驗。通過模態(tài)試驗了解牽引變流器箱體固有振動特性；通過模態(tài)試驗比較，檢驗自主箱體的制造水平和制造質(zhì)量。牽引變流器箱體振動模態(tài)試驗測點布置見圖7。

通過對上述幾部分的研究，對牽引變流器箱體在結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)特性等方面有了全面的掌握，完成了自主牽引變流器機箱的研制，具備自主設(shè)計變流器箱體的能力。

圖4 牽引變流器箱體靜強度試驗布置

圖5 牽引變流器箱體疲勞試驗

圖6 牽引變流器垂向振動沖擊試驗

7 關(guān)鍵部件研制

7.1 牽引控制單元研制

牽引控制單元作為牽引變流器的心臟，具有舉足輕重的地位。控制單元以插卡式CPCI背板總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以自主研制的CPU控制板、DSP板為核心，設(shè)計數(shù)字輸入數(shù)字輸出、模擬量輸入模擬量輸入等外圍板卡為接口，形成硬件完全自主化的牽引控制單元。控制單元實現(xiàn)了四象限控制、電機控制，具備故障保護、故障數(shù)據(jù)存儲及多種通信接口等功能。

7.2 功率模塊研制

功率模塊是牽引變流器的核心部件，直接決定了牽引變流器乃至動車組整車的性能和安全運營。IGBT試驗臺和功率模塊試驗臺為功率模塊的研制提供了有效平臺。

圖7 牽引變流器箱體振動模態(tài)試驗測點布置

（1）IGBT試驗臺。高速動車組牽引變流器功率模塊由大功率半導(dǎo)體元件IGBT等組成，實現(xiàn)功率模塊自主研制的基礎(chǔ)和條件之一是建立IGBT試驗臺。通過建立IGBT試驗臺，可以進行6 500 V/750 A以下不同等級IGBT特性測試，驅(qū)動器的設(shè)計、測試，大功率復(fù)合母排性能測試，雜散電感的特性測試。IGBT試驗臺的設(shè)計水平和試驗?zāi)芰σ堰_到國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（2）功率模塊試驗臺。功率模塊是構(gòu)成牽引變流器中四象限脈沖整流器和三相輸出逆變器的最小功率單元。功率模塊的性能決定了牽引變流器的安全性和可靠性。如何檢驗和判斷功率模塊的性能是設(shè)計功率模塊試驗臺首要解決的問題。依據(jù)此問題，研制功率模塊試驗臺，主要用于功率模塊靜態(tài)邏輯保護測試、功率模塊功率測試和溫升測試，試驗結(jié)果可作為檢驗功率模塊性能的依據(jù)。該試驗臺為自主化研制的功率模塊例行試驗的測試、型式試驗電氣性能部分試驗的測試，以及動車組變流器功率模塊的故障診斷和維修維護提供有效的技術(shù)支持和試驗測試手段。該試驗臺適用于動車、城軌、地鐵等不同功率等級功率模塊的研究與試驗，功率模塊試驗臺的設(shè)計水平和試驗?zāi)芰σ堰_到國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（3）功率模塊的研制。基于IGBT試驗臺，首先對多個廠家單管IGBT性能和雙管IGBT性能測試進行比較，選取最優(yōu)的IGBT型號；其次對自主研制的IGBT驅(qū)動器性能進行測試，確認IGBT配置的驅(qū)動器性能和邏輯保護功能。基于功率模塊試驗臺，將研制的功率模塊進行電氣性能試驗。

通過IGBT試驗臺和功率模塊試驗臺，完成了IGBT選型與功率模塊的測試，驗證了自主設(shè)計模塊的性能。自主牽引變流器功率模塊實物見圖8。

自主研制的牽引變流器功率模塊和短路模塊等關(guān)鍵部件順利通過了例行試驗、型式試驗和熱沖擊與綜合振動沖擊試驗（三綜合試驗）的全面測試，性能達到了設(shè)計要求。

8 牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗臺

中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所交流傳動實驗室按照IEC國際標準搭建牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗臺，該試驗臺可針對各種類型動車、城軌和地鐵進行牽引系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗、牽引變流、牽引電機及控制裝置的性能試驗和研究性試驗。該試驗臺可進行軸控、架控和車控等不同供電方式的牽引系統(tǒng)試驗。牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗臺見圖9。

自主研制的牽引變流器在牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗臺進行了研究性試驗、部分型式試驗和地面聯(lián)調(diào)試驗。

9 牽引變流器試驗驗證

自主知識產(chǎn)權(quán)的牽引變流器整機順利通過例行試驗和型式試驗。測試結(jié)果表明整機性能達到設(shè)計要求。牽引變流器整機測試情況見圖10，型式試驗見圖11。

10 運營考核及現(xiàn)實意義

高速動車組牽引變流器的研制本著自主開發(fā)的原則，解決了研制過程中的技術(shù)難點，并提出了創(chuàng)新點，成功完成了高速動車組牽引變流器產(chǎn)品開發(fā)、型式試驗、安裝調(diào)試及運營考核等工作。截至2015年5月，自主設(shè)計牽引變流器在廣州南動車段動車組運營考核里程分別為86萬km和89萬km，運營狀況良好。

所研制的高速動車組牽引變流器對于運用維護的各階段已經(jīng)開始產(chǎn)生巨大的社會效益。

圖8 自主牽引變流器功率模塊

圖9 牽引傳動系統(tǒng)綜合試驗臺

圖10 牽引變流器整機測試

圖11 牽引變流器型式試驗

（1）服務(wù)價值。平臺面向運行中的高速動車組運用、維修中出現(xiàn)的大量問題，滿足制造、運用檢修需求；提供良好、可靠的運用維護和維修。

（2）間接經(jīng)濟價值。打造我國自己的動車組牽引變流器制造平臺，為將來高速動車組牽引系統(tǒng)自主創(chuàng)新和技術(shù)進步提供一個長遠的舞臺。

（3）社會價值。開展自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，從頂層設(shè)計到技術(shù)和產(chǎn)品實現(xiàn)，實踐高速動車組關(guān)鍵系統(tǒng)正向設(shè)計的全過程，最終全面掌握動車組關(guān)鍵系統(tǒng)的核心技術(shù)，為實現(xiàn)我國動車組的持續(xù)創(chuàng)新和標準體系建設(shè)奠定基礎(chǔ)，對提高國產(chǎn)化動車組在國際市場的競爭力具有十分重要的意義。

11 參考文獻

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李 紅：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

楊 寧：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

金 煒：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

程建華：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0068-05

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012J002-A-07）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。