內燃動車組牽引變流器設計及控制策略研究

馬法運，林顯琦，潘景宇，王 懂

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266011）

1 研究背景

在“一帶一路”政策指引下，我國鐵路運輸行業積極響應，向歐美拉非等世界各地進行商品和服務的出口。特別是在拉非等地，市場前景廣闊；但也有很多地區，受自然條件和社會環境等因素的影響，不利于鐵路的電氣化發展。

以柴油機為動力的內燃動車組設計理念，無論從適應性還是舒適性，完美契合了不同國家地區對鐵路裝備的需求。目前，運行于我國鐵路線路的內燃動車組相對較少，但在俄羅斯、意大利、美國、阿根廷等歐美國家，加納、孟加拉、蘇丹等非洲國家，印尼、泰國、馬來西亞等南亞國家內燃動車組很普遍，意味著內燃動車組仍有很大的應用市場。

內燃動車組不同于內燃機車，內燃機車只需提供動力不需承載旅客，而其既要提供動力又要承載旅客。內燃動車組的動力來源于柴油發電機組，這意味著其不能像電力機車那樣從接觸網或第三軌得到源源不斷的能量補給，只能通過能源的合理分配和使用達到最優利用，進而保證動車組安全、可靠、有效地運行。

本文介紹一種內燃動車組牽引變流器，該系統由內燃發電機作為動力包，提供交流電輸入，通過不控整流方式轉換為直流電，進而通過變頻變壓逆變實現對異步牽引電機的控制。控制軟件包括邏輯和算法兩部分，分別進行系統參數計算和控制變量輸出，實現轉矩電流和勵磁電流的雙閉環控制，并結合成熟有效的硬件設計理念，實現系統的穩定、高效運行。

2 主電路設計及系統工作原理

2.1 主電路設計

內燃動車組牽引變流器主電路原理和性能參數分別如圖1 與表1 所示。牽引變流器包含2 個獨立的功率模塊（Power Unit，PU），亦即牽引逆變模塊，每個牽引逆變模塊都配有獨立的控制器，包含不控整流橋和逆變電路。逆變器主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，整流后的直流電經支撐電容濾波后進入逆變器，經逆變器的逆變輸出三相變頻變壓（VVVF）交流電，為異步牽引電動機供電；當車輛處于制動工況時，逆變器將異步牽引電動機回饋的制動能量通過斬波支路消耗在制動電阻中。熔斷器在軟件保護不起作用時，實現最終的短路瞬態保護。2 個牽引逆變模塊中間直流母線處采用并聯方式，當一個牽引逆變模塊整流部分出現故障時，另一個牽引逆變上的整流模塊能夠為后級2 個逆變模塊提供能量。接地采用中點接地方式，當系統某點出現對地阻抗變小即發生漏電情況時，分壓電阻的電壓值會出現不均衡，從而可以判斷出發生漏電故障。

圖1 內燃動車組牽引變流器主電路原理

為有效抑制網側波動和為后級逆變器提供穩定電壓輸入，地鐵車輛牽引逆變器輸入側、城際動車組牽引變流器中間直流母線都會并聯較大容值的支撐電容。當變流器上電瞬間，為避免在支撐電容兩端產生較大的沖擊電流而造成部件損壞，通常在直-交流輸入端設置預充電環節；在變流器上電時，通過預充電電阻給支撐電容充電，當電容兩端電壓達到目標電壓的90%時，再將網壓完全接入變流器中，可有效避免沖擊電流的產生。預充電電路通常由預充電接觸器、預充電電阻以及用于電氣連接的線纜或銅排組成，接觸器和電阻等部件的增加在一定程度上增大了系統的故障率，從而增加了使用維護成本。

從以上2 個角度出發，內燃動車組牽引變流器結合內燃牽引系統特點，采用勵磁控制器控制發電機輸出電壓緩慢升壓的策略，既可避免出現網壓瞬間接入支撐電容產生沖擊電流的現象，又可避免因引入預充電接觸器、預充電電阻而增加系統的故障率。

2.2 系統工作原理

牽引變流器由發電機供電，經過牽引變流器箱內部前級不控整流橋整流成直流電后，經三相逆變電路從中間直流母線取電，輸出幅值、頻率可調的三相交流電，驅動牽引電機為整車提供動力。

表1 內燃動車組牽引變流器性能參數

3 結構設計

3.1 箱體設計

牽引變流器箱采用框架、蒙皮焊接形式，保證了箱體的結構強度。同時牽引變流器的功能器件均以組件形式排布，布局合理，操作維護面板均在可視、較易維護區域，便于生產組裝以及后續維護檢修。變流器通風散熱風道的結構較為簡潔，風阻較小，因此適用于該變流器的散熱系統設計。牽引變流器的功率模塊均為單獨組裝模塊，具有較高的集成性，安裝、維護便捷，可降低生產和維護成本。整個變流器的結構相關設計均做到了可裝配性、可維護性、高集成性，滿足該牽引變流器的需求設計。

牽引變流器通過4 個M20 螺栓吊裝在車體底部，箱體采用SUS 304 不銹鋼材質，整機質量為3 200 kg（±100 kg），其結構設計如圖2 所示。牽引變流器箱體的總體結構遵循高低壓電路分離設計的原則，并結合輸入、輸出電氣接口進行布局優化，總體劃分為高壓變流區、中壓冷卻區、低壓控制區和接線檢修維護區。

圖2 牽引變流器結構設計

考慮到可維護性，牽引變流器設計出大面積的檢修維護區，方便從箱體底部（無須拆卸裙板）進行檢修維護，從而可提高檢修維護的效率。維護頻率較高的進風口濾網底部采用卡槽固定的方式，維護時只需拆除頂部的M8 螺栓，方便快捷。

3.2 功率模塊設計

內燃動車組牽引變流器包含2 個牽引逆變模塊，每個牽引逆變模塊驅動2 臺牽引電機。牽引逆變模塊由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、疊層母排、散熱片、風道、絕緣板、驅動電路及光纖連接器等部件構成，實物如圖 3 所示。

圖3 牽引逆變模塊實物

在驅動信號接口方面，驅動電路接收來自脈沖寬度調制（PWM）的光信號，將其轉換為+15 V/-10 V 的電信號，驅動IGBT 的開通與關斷。當牽引逆變模塊發生故障時，驅動電路檢測IGBT 的電壓、電流信號，按照觸發機制封鎖IGBT，并將故障信號上傳。

在主功率接口方面，牽引逆變模塊接收來自發電機輸出的三相交流電，與支撐電容正負極連接，輸出均通過疊層母排組件完成。疊層母排的雜散電感直接影響牽引逆變模塊的工作安全性和壽命，當疊層母排雜散電感過高，IGBT 在關斷時刻會在支撐電容兩端產生較大的電壓沖擊，當該尖峰電壓過高時支撐電容和IGBT 均存在一定的損傷風險，因此有效降低母排雜散電感是母排設計的關鍵內容。本文從母排雜散電感產生機理入手，結合牽引逆變模塊結構布局，優化疊層母排結構，并通過母排仿真對雜散電感值進行預估，按照當前結構設計，母排雜散電感小于50 nH。

3.3 散熱設計

牽引變流器采用強迫風冷的冷卻方式，因此變流器內部配有冷卻風機。當風機工作時，外部空氣通過濾網、過濾器、散熱片、專有風道帶走由散熱翅片傳遞的熱量，保證變流器長時工作的穩定性。相比傳統熱管冷卻方式，強迫風冷冷卻方式的變流器具有體積小、功率密度高等優勢，能夠保證變流器在設計條件最嚴苛的環境條件下長時、正常、穩定工作。

根據牽引變流器內部選用的整流二極管、IGBT，結合英飛凌提供的損耗計算軟件對箱體熱損耗進行計算，計算結果如圖4 所示。

圖4 內燃動車組牽引PU 模塊損耗分布（單位：W）

根據風機工作曲線，并結合箱體結構計算得出的風機風量為1 678.6 m3/ h，風壓為439.8 Pa，牽引逆變模塊的溫度仿真云圖如圖5 所示。由圖可見，牽引逆變模塊表面功率器件的最高溫度為80.9 ℃，考慮IGBT 基板和IGBT 內核之間的熱阻，此時IGBT 的結溫最高應不超過100 ℃。本項目選用FF800R17KP4_B2 型IGBT，該IGBT 能夠承受的最高結溫為150 ℃，箱體散熱余量充足，由此可見箱體散熱設計合理。

4 控制策略設計

4.1 系統控制

內燃動車組整車包含2 臺牽引變流器，每臺牽引變流器驅動4 臺牽引電機，為車輛提供動力。當1 臺牽引變流器內的1 臺牽引逆變模塊停止工作，整車將丟失1/4 動力；當1 臺牽引變流器內的勵磁控制器停止工作，整車丟失1/2 動力。

內燃動車組牽引變流器包含2 臺牽引控制器和1 臺勵磁控制器。每臺牽引控制器控制1 臺牽引逆變模塊、驅動2 臺牽引電機，勵磁控制器負責為發電機組勵磁模塊提供勵磁電壓。

內燃動車組的牽引控制器、勵磁控制器通過多功能車輛總線（MVB）與司機屏建立通信，實時將自身工作狀態信息、故障信息上傳給司機屏顯示。

內燃動車組牽引變流器包含3 個以太網維護端口，分別為牽引控制器1、牽引控制器2 和勵磁控制器的維護端口。車輛通過線纜將維護端口引至車上，方便維護檢修人員在線監測變流器狀態。內燃動車組對外信號接口示意圖如圖6 所示。

圖5 牽引逆變模塊溫度仿真云圖（單位：℃）

4.2 邏輯控制

邏輯控制主要包含轉矩、電流計算模塊（模塊1），電壓、頻率計算模塊（模塊2）和電容電壓控制模塊（模塊3）3 個模塊，如圖7 所示。

根據提供的控制參數，模塊1 的輸入參數有參考轉矩Tref（N · m）-速度v（km/h）曲線、磁鏈Ψ（Wb）-速度v（km/h）曲線及相關電機參數，包括電機勵磁電感Lm（H）-磁鏈Ψ（Wb）曲線、定子電阻Rs（Ω）、轉子電阻Rr（Ω）、定子漏感Lsl（H）和轉子漏感Lrl（H）；輸出參數有勵磁電流控制值Id_con（A）、轉矩電流控制值 It_con（A）和勵磁電感值Lm_con（H）。

圖6 內燃動車組對外信號接口示意圖

圖7 邏輯控制框圖

模塊3 的輸入參數有直流母線電壓Udc（V）和級位Gear，輸出參數有電流限值Ilmt（A）和占空比限值Mlmt（%）。該模塊通過判斷不同級位的工況，根據級位-直流母線電壓曲線，查表得輸出Ilmt和Mlmt，防止牽引制動時直流母線電壓波動超出范圍，從而導致發電機發生異常。

模塊2 承接模塊1 和模塊3 輸入，輸出參數包括控制電壓Us（V）和控制頻率Fs（Hz）。

模塊2 和模塊3 的輸出量共同輸入PWM 模塊。

4.2.1 轉矩、電流控制

轉矩、電流控制算法的執行周期為20 ms。

Ψ-v 曲線為電機額定電壓Udc_rated下的設計特性，不同輸入電壓Udc下的磁鏈控制值Ψcon由下式得到：

式（1）中，Ψ 表示在已知速度v 下，根據Ψ-v 曲線得到的磁鏈值。

然后根據Lm-Ψ 曲線得到勵磁電感Lm_con，進而得出勵磁電流分量控制值Id_con，其計算公式為：

式（3）中，Tref為在已知速度v 下，根據Tref-v 曲線得到的轉矩值；p 為電機極對數。

4.2.2 電壓、頻率控制

電壓、頻率控制算法的執行周期為200 μs。

異步電機狀態空間方程如下：

式（4）中，Ud，Uq分別為旋轉坐標系（dq）下的定子電壓分量；σ 為電機漏感系數，

式（5）中，Fr為轉子頻率，通過速度傳感器得到；Rr為電機轉子電阻。

控制電壓Us由下式得到：

5 仿真與裝車實驗

5.1 系統參數及仿真

系統參數如表2 所示。

表2 系統參數

在MATLAB/Simulink 環境下，搭建仿真模型，仿真結果如圖8 所示。其中v 為車速，Ufc為支撐電容電壓，Iu為電機U 相電流。

由圖8 可見，系統在牽引、惰行、制動工況下運行正常，車速加減平穩，電機電流穩定，啟動電流逐漸增大，無明顯沖擊，且電機電流正弦度良好，波形正常。仿真結果驗證了控制策略的有效性。

5.2 裝車實驗

將該牽引變流器應用于某典型內燃動車組，在主機廠內試驗線上額定載荷、額定速度（0 ～70 km/h）、最大牽引制動級位工況下進行加減速實驗，波形如圖9 所示。其中，曲線1 為直流母線電壓Udc（A：785 V，B：950 V），曲線2 為電機定子電流Is，曲線3 為手柄級位Gear（A：7，B：-7），曲線4 為車速v（A：75 km/h，B：5 km/h）。實驗結果驗證了本文軟硬件設計方案的有效性，但由于實驗電機與仿真參數不同，因而波形存在數值差異。

圖8 MATLAB / Simulink 仿真結果

圖9 裝車實驗波形

6 結語

本文通過對內燃動車組牽引變流器主電路設計、工作原理、硬件結構等的介紹，闡述了該類型變流器的設計理念，并結合現代電機控制思想，基于特有的控制器，實現了對內燃動車組的電傳動控制。最后采用仿真與裝車實驗的方法，驗證了變流裝置的有效性、可靠性和適應性。本研究對內燃動車組的工程應用及市場化批量生產具有良好的借鑒意義。