高速動(dòng)車組輔助變流器研制

■ 左鵬 馬穎濤 王永翔 謝望玉

高速動(dòng)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(dòng)車組的重要組成部分之一。北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司開展了對(duì)輔助變流器及關(guān)鍵部件的自主研制。首先介紹自主化輔助變流器技術(shù)方案，在搭建設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行箱體設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算、熱設(shè)計(jì)、控制器和功率模塊等關(guān)鍵部件的自主研發(fā)、控制算法研究。針對(duì)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)，自主化的輔助變流器及關(guān)鍵部件通過了型式試驗(yàn)，完成了裝車運(yùn)用考核及中國鐵路總公司組織的技術(shù)評(píng)審。

高速動(dòng)車組；輔助變流器；強(qiáng)度計(jì)算；熱仿真；并聯(lián)算法；運(yùn)用考核

0 引言

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，高速動(dòng)車組已廣泛用于京津、京廣、京滬、哈大等高鐵運(yùn)營線路。2013年9月和10月中國國家主席習(xí)近平分別提出建設(shè)“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的戰(zhàn)略構(gòu)想（簡(jiǎn)稱“一帶一路”）。作為國家經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈的鐵路，將起到至關(guān)重要的作用。“走出去”步伐日益加快、競(jìng)爭(zhēng)力不斷提升的中國高鐵正成為這一戰(zhàn)略的助推器。

高速動(dòng)車組是多項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)的總成，輔助變流器是其中的重要組成部分[1]。作為一個(gè)三相交流供電系統(tǒng)，為眾多車載設(shè)備供電。輔助電源的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是列車牽引控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，同時(shí)輔助電源也直接關(guān)系到列車的乘坐舒適性。因此輔助變流器是高速動(dòng)車組技術(shù)的重要組成部分。

開展高速動(dòng)車組輔助變流器及關(guān)鍵部件的自主研制，不僅能夠提升自身的設(shè)計(jì)能力，對(duì)確保高速動(dòng)車組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營和維護(hù)也具有很大現(xiàn)實(shí)意義，也推動(dòng)了高速動(dòng)車組的自主創(chuàng)新、提高了企業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力。

掌握高速動(dòng)車組輔助變流器的核心技術(shù)，將極大推進(jìn)中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組、城際動(dòng)車組及地鐵輔助變流器的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 輔助變流器結(jié)構(gòu)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?yōu)槠谕娜嘟涣麟姟Ａ熊嚿纤休o助變流器同時(shí)并聯(lián)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(gè)輔助變流器單元，雙輔助變流器內(nèi)含2個(gè)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(jié)構(gòu)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(diào)制方波電壓，經(jīng)正弦波濾波器后輸出正弦交流電壓。

單個(gè)輔助變流器單元主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)見表1。

2 輔助變流器開發(fā)平臺(tái)

為滿足輔助變流器的設(shè)計(jì)需求，分別搭建了輔助變流器邏輯控制試驗(yàn)臺(tái)、半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)、IGBT試驗(yàn)臺(tái)、功率模塊試驗(yàn)臺(tái)、型式試驗(yàn)臺(tái)。

2.1 邏輯控制試驗(yàn)臺(tái)

輔助變流器邏輯控制試驗(yàn)臺(tái)主要對(duì)控制器的各種外設(shè)接口進(jìn)行模擬，為控制器邏輯控制、部分模擬量保護(hù)、各種開關(guān)類的保護(hù)設(shè)計(jì)提供有力支撐。

2.2 半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)

輔助變流器半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)輔助變流器主電路進(jìn)行建模，通過工控機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路等實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與輔助變流器控制器間的實(shí)時(shí)信息交互，從而建立“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。該半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)對(duì)輔助變流器控制器的開發(fā)創(chuàng)造了條件和研發(fā)手段，加快了輔助變流器的開發(fā)進(jìn)程[2]。

圖3 輔助變流器主電路結(jié)構(gòu)

表1 單個(gè)輔助變流器單元主要參數(shù)

2.3 IGBT試驗(yàn)臺(tái)和功率模塊試驗(yàn)臺(tái)

針對(duì)動(dòng)車組和大功率機(jī)車變流器功率模塊的技術(shù)特點(diǎn)和使用條件，研究、設(shè)計(jì)并建設(shè)了IGBT試驗(yàn)臺(tái)、功率模塊試驗(yàn)臺(tái)。IGBT試驗(yàn)臺(tái)和功率模塊試驗(yàn)臺(tái)可以完成各廠家6 500 V/750 A及以下不同電壓等級(jí)、電流等級(jí)的IGBT的性能測(cè)試、驅(qū)動(dòng)器及復(fù)合母排的設(shè)計(jì)研究、測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo)和試驗(yàn)?zāi)芰_(dá)到了國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平，為輔助變流器功率模塊的研制奠定了基礎(chǔ)[3]。

3 箱體設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

輔助變流器箱體設(shè)計(jì)是變流器研制的重要部分，其吊裝在高速動(dòng)車組車身下方，工作環(huán)境比較惡劣。因此，采用在強(qiáng)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(dòng)車組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，可以滿足長(zhǎng)期安全使用的要求。針對(duì)高速動(dòng)車組輔助變流器箱體的研究主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1）強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)原型箱體設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行三維建模，通過仿真軟件對(duì)箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析箱體的應(yīng)力分布狀況。

（2）靜強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)輔助變流器成品箱體做強(qiáng)度校核，確認(rèn)箱體是否符合靜強(qiáng)度方面要求。

（3）疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。在箱體靜強(qiáng)度試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)箱體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)箱體在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)過程中的振動(dòng)狀態(tài)、箱體結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力狀況進(jìn)行監(jiān)控，驗(yàn)證箱體的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

（4）振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。通過增加振動(dòng)量級(jí)、縮短試驗(yàn)時(shí)間的方法考核輔助變流器承受環(huán)境振動(dòng)和沖擊的能力，以確保輔助變流器設(shè)備能夠安全使用。輔助變流器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)見圖4。

（5）模態(tài)試驗(yàn)。研究輔助變流器箱體的固有振動(dòng)特性，檢驗(yàn)箱體的制造水平和質(zhì)量。

輔助變流器箱體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特性方面已進(jìn)行了全面研究，結(jié)果表明，自主研發(fā)的輔助變流器箱體在強(qiáng)度方面符合各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（EN 12663：2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》、TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、IEC 61373—2010《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》），可以滿足裝車運(yùn)用的要求[4]。

圖4 輔助變流器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

4 輔助變流器熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)的性能直接影響輔助變流器的可靠性。在箱體設(shè)計(jì)初期對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模。在設(shè)置材料參數(shù)、發(fā)熱器件功率估算、設(shè)置邊界條件后，通過有限元分析對(duì)熱力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的性能。輔助變流器熱仿真分析重點(diǎn)關(guān)注各電氣部件的發(fā)熱損耗、輔助變流器內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布、風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)分布（見圖5）及設(shè)計(jì)合理性。在生產(chǎn)樣機(jī)之前即可對(duì)方案進(jìn)行修正，使熱設(shè)計(jì)方案直觀、可控，既節(jié)省了成本，又縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間[5]。

5 輔助變流器關(guān)鍵部件研制

輔助變流器關(guān)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(guān)鍵部件，自主化控制器設(shè)計(jì)是以MCU芯片、DSP芯片、FPGA芯片3個(gè)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(tǒng)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wěn)定，波形正弦；實(shí)現(xiàn)多個(gè)輔助變流器單元的并聯(lián)運(yùn)行控制，均分負(fù)載功率；實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)組的工作邏輯、故障保護(hù)動(dòng)作、故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件通信及與MVB網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。

5.2 功率模塊

功率模塊是輔助變流器中最重要的執(zhí)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?yōu)槿嗝}沖電壓。基于自主開發(fā)的IGBT試驗(yàn)臺(tái)和功率模塊試驗(yàn)臺(tái)研制成功的IGBT驅(qū)動(dòng)板，具備對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)和各種保護(hù)功能。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

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

試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了自主研發(fā)的輔助變流器關(guān)鍵部件，不僅性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且能夠通過嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值和頻率的穩(wěn)定、電壓波形質(zhì)量的控制、輔助變流器單元的并聯(lián)自動(dòng)均流。

以64 kW負(fù)載為例，得到2個(gè)輔助變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的工況波形見圖8。通道CH1和CH2分別為2個(gè)輔助變流器單元輸出的AB線電壓；CH3和CH4分別為2個(gè)單元A相輸出電流；Math通道為CH3與CH4之差。可以看出，其環(huán)流（基波環(huán)流、諧波環(huán)流）非常小，2個(gè)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(gè)輔助變流器單元并聯(lián)

7 輔助變流器試驗(yàn)驗(yàn)證及運(yùn)用考核

自主化的輔助變流器組裝完成后，對(duì)整機(jī)進(jìn)行例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)來驗(yàn)證其性能，以確認(rèn)輔助變流器是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求。型式試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：自主化單輔助變流器和雙輔助變流器整機(jī)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

中國鐵道科學(xué)研究院北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司完成了自主化輔助變流器和關(guān)鍵部件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安全影響分析、裝車?yán)袦y(cè)試和正線動(dòng)靜態(tài)測(cè)試全部工作，并在廣州鐵路（集團(tuán)）公司高速動(dòng)車組進(jìn)行了裝車運(yùn)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(yùn)用考核。

在運(yùn)用考核過程中，自主化單、雙輔助變流器和關(guān)鍵部件工作正常，未出現(xiàn)影響行車安全及行車秩序的故障，性能和技術(shù)指標(biāo)均滿足高速動(dòng)車組技術(shù)要求。

8 結(jié)束語

自主化輔助變流器和關(guān)鍵部件的研制完成，突破了輔助變流器的技術(shù)瓶頸，標(biāo)志著中國鐵道科學(xué)研究院北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司已具備了輔助變流器和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、維修和試驗(yàn)研究能力，將對(duì)既有動(dòng)車組輔助變流器的維護(hù)、確保動(dòng)車組正常運(yùn)營提供有效保障；技術(shù)的掌握、設(shè)計(jì)和研發(fā)能力的提高也將對(duì)中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組、城際動(dòng)車組、地鐵輔助變流器的設(shè)計(jì)和研制提供有效的技術(shù)支持；在高速動(dòng)車組輔助變流器上的自主創(chuàng)新有效提高了企業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力。

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

[2] 宋術(shù)全，王永翔．CRH3型動(dòng)車組輔助變流器半實(shí)物仿真系統(tǒng)[J]．中國鐵道科學(xué)，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(jī)車車輛車體用部件機(jī)械結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)研究[J]．鐵道機(jī)車車輛，2012，32(3)：1-4．

[5] 楊寧，宋術(shù)全．高速動(dòng)車組輔助變流器箱體的熱仿真設(shè)計(jì)方法[J]．中國鐵道科學(xué)，2013，34(3)：87-92．

[6] 馬穎濤，宋術(shù)全，李紅．高速動(dòng)車組輔助變流器并聯(lián)運(yùn)行的脈寬調(diào)制技術(shù)[J]．鐵道機(jī)車車輛，2013，33(5)：22-25．

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

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

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

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

責(zé)任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0073-04

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2012J002-A-04）。

所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：2014年度中國鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。