100%低地板車輔助變流器濾波器設計

王武俊， 吳曉威， 劉 榮

（中車永濟電機有限公司， 陜西 西安 710018）

1 低地板車研究背景

近些年隨著城市軌道交通行業的發展，低地板輕軌車運輸系統，以其快捷、投資少、環境危害小等優點，成為人們優選的交通工具，尤其其具備無需修建站臺，旅客上下車方便，非常適合老人、兒童及殘疾人乘車，而備受青睞。其中，輔助逆變器作為車輛輔助供應電源設備，獨立運行于牽引系統，為車輛提供穩定的三相四線制50 Hz，AC380V或AC220V的電源，為主壓縮機、空調、冷卻、電加熱、照明等交流負載供電。由于其寬輸入電壓變化范圍、和運行過程中負載突變等復雜運行工況，其性能直接關系到車輛能否正常運行，在設計中對主電路器件選型提出了高的要求。

2 輔助逆變器系統構成

現有低地板車輔助系統，主要由直-交-直和直-交-直-交兩種電路結構。中車永濟電機有限公司100%低地板車輔助系統由DC602 V蓄電池供電、DC24 V控制供電、AC400 V輔助供電三部分構成，其中，DC602 V蓄電池供電輔助系統獨立運行；DC24 V控制供電、AC400 V輔助供電變流器共用輸入濾波單元，其主電路拓撲圖如圖1。

圖1 DC24V控制供電&AC400V輔助供電變流器拓撲圖

本文主要以AC400V系統為例，開展濾波器件參數設計。AC400V輔助變流器由全橋變換器和三相逆變器連接構成，經過高頻升壓隔離、不控整流、可控逆變等環節將直流電壓轉換為三相四線制的交流電壓，主電路原理如圖2。

圖2 AC400V輔助供電變流器電氣原理圖

AC400V輔助變流器主要性能指標如下:

額定輸入電壓為DC 750 V（12脈波整流），輸入電壓范圍為DC 400～900 V；輸出電壓形式為3P+N（帶中性點），輸出額定電壓為AC 400 V（波動范圍±10%）；額定輸出功率為20 kW，最大輸出功率為25 kW；額定輸出電流為28.9 A；額定輸出頻率為50 Hz，DCDC側IGBT開關頻率為8 000 Hz，可控逆變IGBT開關頻率為2 150 Hz；與750 V電網隔離；輸出電壓諧波≤5%。

3 關鍵器件選型

3.1 輸入濾波器的設計

直流輸入側電容主要實現兩個功能，與濾波電感共用，起濾波作用，在受電弓無電時起儲能作用。

濾波功能設計,供電回路最大輸出容量為25 kW，與DC24 V系統（12.5 kW）共用輸入濾波回路，考慮其效率損耗，取 Pload=39 kW，UN=750 V，Frectifier=600 Hz，Uripple=750 V×6%，由下式：

計算可得：C1≥1.93 mF。

儲能功能設計，車輛要求在750 V額定電壓下離線10 ms，能維持電源額定負荷的穩定供電。取UN=750 V，T=10 ms，Umin=400 V，Pload=39 kW，由下式：

計算可得：C1≥1.937 mF。

結合兩個功能計算值，取C1≥2 mF。

直流側電感主要有減小逆變部分輸入直流電流的紋波、抑制短路電流上升、抑制受電弓離線時的沖擊電流等功能。其中濾波功能與支撐電容配合構成輸入濾波器。按直流回路上的紋波電流為10%的要求進行設計，且綜合考慮器件重量和功能需要，電抗器與支撐電容的諧振點設置應小于12脈波整流主要諧波輸出頻率600 Hz，取截止頻率Fc=150 Hz，計算可得：L1=0.56 mH。

3.2 高頻變壓器設計

根據設計要求，輸入電壓為400～900 V，工作頻率：8 kHz，輸出電壓VO=602 VDC,輸出電流42 A?？紤]前級H橋占空比損失，變壓器最大占空比設計為0.9，則高頻變壓器變比近似為：

考慮可能出現的極端工況350 V網壓工況，取K=1.92。

取：P=PO÷η=25 kW÷0.98=25 kW。

3.3 中間直流環節輸出濾波器的設計

中間直流濾波電感，根據設計要求，電感電流臨界連續工作電流ΔIL=3.36 A，輸出濾波電感的值可由下式得出：

其中：D為導通占空比，取

其中：Vin為高頻變壓器原邊電壓，K為變壓器變比，VL為電感電壓，VD為不控整流二極管電壓，fs為前級逆變器開關頻率。計算得：L（2750 V）=6.51 mH；L2（900 V）=7.29 mH。

考慮余量，實際中，取濾波電感L2=9 mH。

輸出濾波電容容值與電容上電流紋波相關，電流紋波由不控整流電感電流紋波，逆變器電流紋波組成。

由前端計算，根據設計要求，電容最大紋波取20 V，輸出濾波電容的值可由下式得出：

計算得：C2=372 μF。

由后端計算，根據設計要求，電容最大紋波取20 V，取 UN=602 V,Pload=25 kW，T=1/2 150s。

綜合考慮，取濾波電容得：C2=1 mF。

3.4 三相濾波器設計

輔助逆變部分要求三相四線制輸出，交流濾波電容選星型連接以引出中性連接點。同時根據逆變電源的載波頻率fc,確定LC濾波器的截止頻率選取范圍。為使逆變器輸出交流電品質滿足要求，要求LC濾波器的截止頻率fL應遠小于輸出交流中最低次諧波頻率，同時遠大于基波頻率，本方案選取fL=158 Hz。

濾波電路特性阻抗與負載阻抗關系如下：

K取0.1～1，根據經驗值給出?？捎嬎愠觯?/p>

L3=1 120 μH

C3=900μH 。

圖3 DC24V控制供電&AC400V輔助供電變流器仿真拓撲圖（模糊）

圖4 AC400V輔助供電變流器仿真波形

4 仿真分析與試驗驗證

為驗證上述計算結果，在MATLAB中建立100%低地板車輔助系統仿真模型如上頁圖3。

通過仿真可以看出，中間環節電壓紋波3.2%完全符合理論的要求（上頁圖4-1），中間環節電壓紋波完全符合理論的要求，400V逆變器輸出電壓為379.2V（上頁圖4-2），電壓諧波含量為1.52%，滿足系統輸出要求。

5 結論

本文根據中車永濟電機有限公司100%低地板車輔助變流系統的要求及主電路拓撲，給出了主電路濾波器件參數選型設計方法，并搭建MATLAB仿真模型進行驗證。仿真結果表明：各個單元能夠穩定運行，輸出性能滿足設計要求，對小功率軌道車輛的輔助變流器濾波器件參數選擇具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 森榮二.LC濾波器設計與制作[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 姜磊.高頻隔離輕軌輔助變流器DC_DC變換器研究[J].西南交通大學學報，2014（5）：6-11.