高速動車組輔助變流器研制

■ 左鵬 馬穎濤 王永翔 謝望玉

高速動車組輔助變流器研制

■ 左鵬 馬穎濤 王永翔 謝望玉

輔助變流器是高速動車組的重要組成部分之一。北京縱橫機電技術開發公司開展了對輔助變流器及關鍵部件的自主研制。首先介紹自主化輔助變流器技術方案，在搭建設計和實驗平臺基礎上進行箱體設計與強度計算、熱設計、控制器和功率模塊等關鍵部件的自主研發、控制算法研究。針對動車組輔助供電系統，自主化的輔助變流器及關鍵部件通過了型式試驗，完成了裝車運用考核及中國鐵路總公司組織的技術評審。

高速動車組；輔助變流器；強度計算；熱仿真；并聯算法；運用考核

0 引言

近年來，我國高速鐵路快速發展，高速動車組已廣泛用于京津、京廣、京滬、哈大等高鐵運營線路。2013年9月和10月中國國家主席習近平分別提出建設“新絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的戰略構想（簡稱“一帶一路”）。作為國家經濟大動脈的鐵路，將起到至關重要的作用。“走出去”步伐日益加快、競爭力不斷提升的中國高鐵正成為這一戰略的助推器。

高速動車組是多項復雜技術的總成，輔助變流器是其中的重要組成部分[1]。作為一個三相交流供電系統，為眾多車載設備供電。輔助電源的穩定可靠運行是列車牽引控制系統穩定工作的前提，同時輔助電源也直接關系到列車的乘坐舒適性。因此輔助變流器是高速動車組技術的重要組成部分。

開展高速動車組輔助變流器及關鍵部件的自主研制，不僅能夠提升自身的設計能力，對確保高速動車組長期穩定運營和維護也具有很大現實意義，也推動了高速動車組的自主創新、提高了企業的國際競爭力。

掌握高速動車組輔助變流器的核心技術，將極大推進中國標準動車組、城際動車組及地鐵輔助變流器的開發，實現產品系列化、標準化。

1 輔助變流器結構與工作原理

輔助變流器的輸入有不同類型，本文討論的輔助變流器的輸入從牽引變流器中間直流回路取電。輔助變流器將直流電逆變為期望的三相交流電。列車上所有輔助變流器同時并聯工作，為貫通整列車的三相母線供電。

單輔助變流器包含1個輔助變流器單元，雙輔助變流器內含2個輔助變流器單元（見圖1、圖2）。

圖1 自主化單輔助變流器

圖2 自主化雙輔助變流器

輔助變流器主電路結構見圖3，主要包括支撐電容、輔助功率模塊、正弦波濾波器等。正弦波濾波器包含了濾波電感、濾波電容和隔離變壓器。

功率模塊將直流電壓逆變成脈寬調制方波電壓，經正弦波濾波器后輸出正弦交流電壓。

單個輔助變流器單元主要技術指標和參數見表1。

2 輔助變流器開發平臺

為滿足輔助變流器的設計需求，分別搭建了輔助變流器邏輯控制試驗臺、半實物仿真試驗臺、IGBT試驗臺、功率模塊試驗臺、型式試驗臺。

2.1 邏輯控制試驗臺

輔助變流器邏輯控制試驗臺主要對控制器的各種外設接口進行模擬，為控制器邏輯控制、部分模擬量保護、各種開關類的保護設計提供有力支撐。

2.2 半實物仿真試驗臺

輔助變流器半實物仿真試驗臺是對輔助變流器主電路進行建模，通過工控機上的數據采集卡、信號調理電路等實現仿真數據與輔助變流器控制器間的實時信息交互，從而建立“實際控制器+虛擬被控對象”的半實物仿真系統。該半實物仿真試驗臺對輔助變流器控制器的開發創造了條件和研發手段，加快了輔助變流器的開發進程[2]。

圖3 輔助變流器主電路結構

表1 單個輔助變流器單元主要參數

2.3 IGBT試驗臺和功率模塊試驗臺

針對動車組和大功率機車變流器功率模塊的技術特點和使用條件，研究、設計并建設了IGBT試驗臺、功率模塊試驗臺。IGBT試驗臺和功率模塊試驗臺可以完成各廠家6 500 V/750 A及以下不同電壓等級、電流等級的IGBT的性能測試、驅動器及復合母排的設計研究、測試，試驗臺性能指標和試驗能力達到了國際先進、國內領先水平，為輔助變流器功率模塊的研制奠定了基礎[3]。

3 箱體設計與強度計算

輔助變流器箱體設計是變流器研制的重要部分，其吊裝在高速動車組車身下方，工作環境比較惡劣。因此，采用在強度、低溫韌性和耐腐蝕等方面符合要求的箱體材料，確保其可承受高速動車組運行時產生的振動和沖擊，可以滿足長期安全使用的要求。針對高速動車組輔助變流器箱體的研究主要包括以下幾項內容：

（1）強度計算。根據原型箱體設計圖紙進行三維建模，通過仿真軟件對箱體進行強度校核，分析箱體的應力分布狀況。

（2）靜強度試驗。對輔助變流器成品箱體做強度校核，確認箱體是否符合靜強度方面要求。

（3）疲勞強度試驗。在箱體靜強度試驗基礎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、箱體結構的動應力狀況進行監控，驗證箱體的疲勞強度和使用壽命。

（4）振動沖擊試驗。通過增加振動量級、縮短試驗時間的方法考核輔助變流器承受環境振動和沖擊的能力，以確保輔助變流器設備能夠安全使用。輔助變流器振動沖擊試驗見圖4。

（5）模態試驗。研究輔助變流器箱體的固有振動特性，檢驗箱體的制造水平和質量。

輔助變流器箱體在結構設計、結構強度、結構特性方面已進行了全面研究，結果表明，自主研發的輔助變流器箱體在強度方面符合各相關標準要求（EN 12663：2010《鐵路應用 鐵路車輛車體的結構要求》、TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》、IEC 61373—2010《軌道交通 機車車輛設備 沖擊振動試驗》），可以滿足裝車運用的要求[4]。

圖4 輔助變流器振動沖擊試驗

4 輔助變流器熱設計

熱設計的性能直接影響輔助變流器的可靠性。在箱體設計初期對設計方案進行建模。在設置材料參數、發熱器件功率估算、設置邊界條件后，通過有限元分析對熱力場進行計算，驗證熱設計的性能。輔助變流器熱仿真分析重點關注各電氣部件的發熱損耗、輔助變流器內部溫度場的分布、風道內流場分布（見圖5）及設計合理性。在生產樣機之前即可對方案進行修正，使熱設計方案直觀、可控，既節省了成本，又縮短了設計時間[5]。

5 輔助變流器關鍵部件研制

輔助變流器關鍵部件包括控制器、功率模塊、隔離變壓器、交流濾波電容等。

5.1 控制器

控制器是輔助變流器的關鍵部件，自主化控制器設計是以MCU芯片、DSP芯片、FPGA芯片3個可編程處理器為中心、以可靠的外圍電路為保障的輔助變流器控制系統。自主化輔助變流器控制器見圖6。

圖5 輔助變流器空氣溫度截面透視圖

控制器實現對輔助變流器輸出電壓和輸出電流的反饋控制，保證其輸出電壓、頻率穩定，波形正弦；實現多個輔助變流器單元的并聯運行控制，均分負載功率；實現單個機組的工作邏輯、故障保護動作、故障數據存儲、計算機監控軟件通信及與MVB網絡交換數據。

5.2 功率模塊

功率模塊是輔助變流器中最重要的執行單元之一（見圖7），其服從控制器的指令，將直流輸入電壓逆變為三相脈沖電壓。基于自主開發的IGBT試驗臺和功率模塊試驗臺研制成功的IGBT驅動板，具備對IGBT的驅動和各種保護功能。

5.3 試驗驗證

輔助變流器關鍵部件（如輔助變流器控制器、功率模塊）除通過型式試驗外，還進行了熱沖擊試驗和溫度、濕度、振動“三綜合試驗”。

試驗結果充分驗證了自主研發的輔助變流器關鍵部件，不僅性能達到了設計要求，而且能夠通過嚴酷的環境試驗，證明其具備良好的可靠性。

6 輔助變流器控制算法

輔助變流器的控制策略是輔助變流器控制的核心，其功能是實現輸出電壓幅值和頻率的穩定、電壓波形質量的控制、輔助變流器單元的并聯自動均流。

以64 kW負載為例，得到2個輔助變流器并聯運行時的工況波形見圖8。通道CH1和CH2分別為2個輔助變流器單元輸出的AB線電壓；CH3和CH4分別為2個單元A相輸出電流；Math通道為CH3與CH4之差?？梢钥闯觯洵h流（基波環流、諧波環流）非常小，2個單元輸出電流波形基本一致，具有較好的均流特性[6]。

圖6 自主化輔助變流器控制器

圖7 自主化輔助變流器功率模塊

圖8 2個輔助變流器單元并聯

7 輔助變流器試驗驗證及運用考核

自主化的輔助變流器組裝完成后，對整機進行例行試驗和型式試驗來驗證其性能，以確認輔助變流器是否到達設計要求。型式試驗測試結果表明：自主化單輔助變流器和雙輔助變流器整機性能達到了設計要求。

中國鐵道科學研究院北京縱橫機電技術開發公司完成了自主化輔助變流器和關鍵部件的產品設計、安全影響分析、裝車例行測試和正線動靜態測試全部工作，并在廣州鐵路（集團）公司高速動車組進行了裝車運用考核，截至2015年5月4日，分別完成了86萬km和89萬km的運用考核。

在運用考核過程中，自主化單、雙輔助變流器和關鍵部件工作正常，未出現影響行車安全及行車秩序的故障，性能和技術指標均滿足高速動車組技術要求。

8 結束語

自主化輔助變流器和關鍵部件的研制完成，突破了輔助變流器的技術瓶頸，標志著中國鐵道科學研究院北京縱橫機電技術開發公司已具備了輔助變流器和關鍵部件設計、制造、測試、維修和試驗研究能力，將對既有動車組輔助變流器的維護、確保動車組正常運營提供有效保障；技術的掌握、設計和研發能力的提高也將對中國標準動車組、城際動車組、地鐵輔助變流器的設計和研制提供有效的技術支持；在高速動車組輔助變流器上的自主創新有效提高了企業的國際競爭力。

[1] 張文斌，宮衛南．淺析動車組的輔助供電系統[J]．鐵道機車車輛，2011，31(2)：21-23．

[2] 宋術全，王永翔．CRH3型動車組輔助變流器半實物仿真系統[J]．中國鐵道科學，2012，33(2)：138-144．

[3] Li Hong，Zuo Peng，Liu Weizhi．Research of Converter Design Technology[C]//10th World Congress on Railway Research，Sydney，Australia，2013．

[4] 金煒，黃磊杰．機車車輛車體用部件機械結構耐久性試驗研究[J]．鐵道機車車輛，2012，32(3)：1-4．

[5] 楊寧，宋術全．高速動車組輔助變流器箱體的熱仿真設計方法[J]．中國鐵道科學，2013，34(3)：87-92．

[6] 馬穎濤，宋術全，李紅．高速動車組輔助變流器并聯運行的脈寬調制技術[J]．鐵道機車車輛，2013，33(5)：22-25．

左 鵬：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/100094

馬穎濤：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/100094

王永翔：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/100094

謝望玉：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/100094

責任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0073-04

鐵道部科技研究開發計劃項目（2012J002-A-04）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。