城際動車組牽引輔助變流器的研制

魏 興，周俊安

(西安中車永電捷通電氣有限公司，西安 710016)

1 牽引輔助變流器的結構方案

1.1 工作原理

牽引輔助變流器通過牽引變壓器二次側輸出的三相AC950 V供電，主電路由四象限變流器、中間直流電路、牽引逆變器、輔助逆變器、無火回送單元組成。主電路原理如圖1所示。控制電源DC110 V，牽引容量2×851 KVA，輔助額定輸出容量180 KVA。變流器內部集成有水冷系統，為產品整流功率模塊、逆變功率模塊、輔助功率模塊及變壓器等發熱部件提供冷卻。

牽引輔助變流器牽引部分主電路由兩個供電單元組成，每個供電單元包含一組四象限PWM整流器和VVVF逆變器，每個供電單元向一個轉向架上的兩臺牽引電機供電。兩個整流供電單元的直流環節并聯，給輔助逆變器供電，直流電源經過逆變、降壓和濾波后輸出三相AC380 V向負載供電。

圖1 牽引輔助變流器主電路原理圖

1.2 結構布局

牽引輔助變流器設備外形尺寸(長×寬×高)為：4 000 mm×2 256 mm×638 mm，重量為2 840 kg。牽引部分主要部件有主接觸器、充電接觸器、電流傳感器、功率模塊、過壓抑制電阻、慢放電阻等，輔助部分主要部件有功率模塊、變壓器、濾波器、電壓傳感器、輸出接觸器等，另外箱內集成有水冷系統。牽引輔助變流器外形圖如圖2所示。

牽引輔助變流器結構布局的主要依據是圖1主電路原理圖，此外還應綜合考慮柜體承載結構、各部件冷卻方式、重心分布、爬電距離、EMC、電氣間隙、布線結構、檢修與運維等設計因素。柜體框架采用Q345E材質折彎、焊接成型，結合電氣部件的耐低溫選型，可保證產品在-40℃～+40℃穩定存儲與工作。牽引輔助變流器內部布局如圖3所示。

圖2 牽引輔助變流器外形圖

圖3 牽引輔助變流器內部布局圖

1.3 水冷系統結構設計

該牽引輔助變流器采用模塊化的設計原則，柜內發熱部件共有整流功率模塊×2，逆變功率模塊×2，輔助功率模塊×1，變壓器×1。其中5個功率模塊均采用水冷卻方式，變壓器采用強迫風冷卻方式。水冷系統結構見圖4。水冷系統中集成有外部散熱器、水泵、風機、管路、傳感器等部件，整機通過水泵加壓，將低溫冷卻介質壓入功率模塊水冷基板入水口，冷卻介質與發熱器件之間進行熱交換，冷卻介質溫度上升并流入外部散熱器，在風機及外部散熱器的作用下，冷卻介質釋放熱量、溫度下降，循環工作。管路與水冷基板、分水器通過快插插頭連接[1]。

風機選型為無外殼離心風機，從散熱器外側吸風后，繼續將風排向變壓器，為其進行強迫風冷卻，具體如圖5所示。

圖4 牽引輔助變流器外形圖

圖5 強迫風冷散熱結構

2 水冷系統熱流場計算

水冷系統設計應滿足各器件散熱需求且不超過設計溫升。其中，整流模塊發熱功率12 kW，逆變模塊發熱功率7.4 kW，輔助模塊發熱功率8.1 kW。考慮水泵發熱量及箱內空氣的散熱，通過水冷散熱的總功率約為50 kW。為了適應-40 ℃環境的低溫，冷卻介質采用乙二醇水溶液。

2.1 模塊仿真計算

由于IGBT原件內部一般包含襯底(AlSiC)、芯片焊接層、芯片層(IGBT和二極管芯片)。因此，為準確計算水冷板表面的溫度，模塊結構簡化模型如圖6所示[2]。根據IGBT結殼溫升核算，基板表面最高溫度不得超過85 ℃。以發熱功率最高的整流模塊為例(逆變、輔助模塊基板溫升均低于整流模塊)，通過Icepak軟件進行熱流場仿真[3]，結果如圖7所示。基板表面相對于入水溫度的溫升小于16 K，進出口水溫溫差小于5 K。因此，水冷系統的最高水溫應小于74 ℃。

圖6 整流模塊簡化模型

圖7 整流模塊冷板溫度分布(入水溫度64 ℃)

圖8 變壓器線圈溫度分布

2.2 強迫風冷仿真計算

由1.3可知，空氣經由濾網和散熱器后進入風機，然后對變壓器等部件進行冷卻。對風道進行仿真，變壓器仿真結果如圖8所示，最高溫升為93 K，表面平均溫升63 K。

2.3 系統流阻計算

水冷系統管路阻力由沿程阻力損失及局部阻力損失計算獲得。根據各部件流阻及水泵揚程流量曲線，核算出水冷系統的壓力分布(表1)及各支路流量(表2)，支路流量根據各支路散熱功率進行分配。

表1 系統壓力分布

表2 各支路流量(總流量160 L/min)

2.4 系統溫升核算

根據不同的濾網堵塞率、運行海拔、進口負壓和風機轉速核算基板最高溫度如下表3所示。當濾網堵塞50%，海拔為1.5 km時，基板表面溫度仍滿足設計要求。

表3 不同工況下基板表面溫度

3 結構強度仿真

牽引輔助變流器通過頂部12個吊耳垂直吊裝在動車組車體下部，柜體框架除了承受自身重力外，還需承受來自軌道面傳遞的隨機振動加速度。為保證變流器在此工況下正常工作，需要對產品進行結構強度仿真及模態分析，以驗證柜體強度、固有頻率是否滿足相關設計標準要求。本節通過對牽引輔助變流器建立簡化模型、約束加載，進行有限元仿真計算，得到其結構特性。

3.1 仿真計算條件

首先對柜體的三維模型進行簡化，生成幾何模型，柜體各部位所用的材質為碳鋼Q345E，密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.28，材料屈服強度345 Mpa，許用應力按300 MPa設計。柜體主要結構為鈑金件，使用殼單元進行離散，殼網格尺寸為10 mm，共計約47萬個網格。門蓋和質量較大的部件均簡化為質量點。對柜體剛度影響較小的質量點使用deformable連接，對柜體剛度影響較大的質量點使用rigid連接。邊界條件為：柜體通過12個吊耳安裝孔與車體連接，使用完全固定約束，依據標準EN 12663-1要求，施加靜強度分析所用的工況。仿真分析軟件為：ANSYS Mechanical 18.2。

3.2 仿真計算結果

模態分析主要是計算產品的固有頻率并確定其結構的振動形式[4]，進而判定產品的固有頻率與車輛、軌道是否存在共振點或共振范圍重疊。通過模態仿真計算，產品第一階到第六階振型對應的固有頻率分別為34.1 Hz、35 Hz、35.5 Hz、36.1 Hz、37.2 Hz、38.1 Hz。本產品一階振型如圖9所示。柜體結構設計要求最低階的固有頻率為30 Hz，本模態分析最低階固有頻率約為34.1 Hz，滿足設計標準要求。產品靜力學仿真分析計算結果如圖10所示，結果表明，柜體最大應力出現在EN12663-1標準工況5下，即受垂向向下3 g加速度時，柜體與吊耳焊接處最大應力約為170 MPa，安全系數為1.76，滿足結構靜強度設計要求。

圖9 模態仿真分析計算結果

圖10 靜力學仿真分析計算結果

圖11 牽引輔助變流器裝車照片

4 試驗驗證

通過上述仿真分析與計算從理論上驗證了產品結構方案。為了進一步驗證產品結構設計的合理性、仿真結果的準確性以及產品的可靠性，在完成產品樣機的試制后，需要對牽引輔助變流器樣機進行溫升試驗、沖擊振動試驗。研制的牽引輔助變流器產品照片如圖11所示。

4.1 溫升試驗

產品輸入電壓為三相AC950 V，輸出帶電機負載功率340 kW，輸出頻率115 Hz，輔助負載180 KVA、過濾網堵塞15%的工況下連續工作，通電時間以各部件的溫度達到穩定(1 h溫度變化不超過1 K)為準，環境溫度38.4 ℃。牽引輔助變流器內部布置了多個熱電偶溫度探測點以及溫度標簽，對發熱部件、空氣溫度進行監測。產品連續運行4 h，熱電偶以0.5 Hz的頻率記錄溫升數據。

圖12 牽引輔助變流器溫升曲線

圖12為牽引輔助變流器的溫升曲線。橫坐標為時間，縱坐標為溫度值，隨著時間t的變化，各監測點的溫度均在緩慢上升，因為每個監測點的發熱功率不一樣、散熱效率也不同，每條溫升曲線上升的趨勢也有所不同，當冷卻系統的散熱功率與各個功率器件的發熱損耗達到平衡后，溫度上升逐漸趨于平緩，并最終達到穩態。各監測部件溫度詳見表4，其中整流功率模塊水冷基板表面的最終穩定溫度為50.5 ℃，溫升為12.1 K，滿足散熱器最大溫升23 K的要求，逆變功率模塊水冷基板表面最終穩定溫度為49.7 ℃，溫升為11.3 K，滿足散熱器最大溫升23 K的要求，輔助功率模塊水冷基板表面的最終穩定溫度為46.1 ℃，溫升為7.7 K最大溫升23 K的要求。輸出變壓器表面溫度69.3 ℃，溫升30.9 K，均滿足部件設計要求。上述試驗結果與仿真結果較為吻合，表明該牽引輔助變流器在其最高的環境溫度(40 ℃)下長時間工作時，冷卻系統能很好地滿足產品的散熱需求，能夠長時間穩定運行。

表4 各發熱部件的實測溫度

圖13 牽引輔助變流器振動沖擊試驗

4.2 沖擊和振動試驗

為驗證牽引輔助變流器產品的結構強度、仿真分析結果的準確性、結構設計的可靠性，對其進行沖擊和振動試驗，依據標準為IEC 61373-2010；試驗量級：1類A級；設備重量2 840 kg；試驗頻率：f1=0.88 Hz，f2=26.4 Hz；將牽引輔助變流器按實際吊裝狀態安裝至試驗工裝，產品與工裝、工裝與試驗臺均為剛性連接，激振源采用平均控制模式，分別進行模擬長壽命試驗、沖擊試驗、功能隨機振動試驗。試驗結果表明柜體結構完全滿足設計標準要求。

5 結語

我們研制的城際動車組牽引輔助變流器解決了變流裝置發熱功率大、發熱部件集中的散熱難題。在重量、體積及功率密度(重量功率密度：0.662 kW/kg，體積功率密度：326.5 kW/m)上也有較大優勢，模塊化的設計原則有利于各部件單元的在線更換、檢修和維護工作。在牽引輔助變流器設計階段通過仿真分析手段可以有效指導產品的設計驗證及方案優化，節約研發成本、降低研發風險,最終通過相關地面試驗驗證，表明城際動車組水冷牽引輔助變流器滿足各項結構設計標準要求，具有較高的產品應用價值。目前該系列產品已小批量裝車運行。