淺談天水有軌電車牽引及輔助系統(tǒng)

何旭升，王建行

（天水通號有軌電車有限責(zé)任公司 甘肅 天水 741000）

1 概述

本車采用型號CC400_DC_750V_UR_400_039_A06 緊湊型牽引輔助變流器，英文縮寫CC400，是專為鐵路車輛應(yīng)用而設(shè)計的具有現(xiàn)代IGBT 技術(shù)的緊湊型穩(wěn)定單元。安裝在電車頂部。該系統(tǒng)用于將750V 直流線路電壓轉(zhuǎn)換為牽引電機(jī)的驅(qū)動電源，并為電車的輔助負(fù)載提供電源（3×380V 交流/50Hz），以及蓄電池充電[1]。

整套裝置包含牽引變流器、制動斬波器、輔助變流器和電池充電電源。電力電子系統(tǒng)基于配備IGBT 模塊。閉環(huán)控制和監(jiān)督通過一體式變流器控制箱進(jìn)行管理。牽引輔助逆變器使用水進(jìn)行有效冷卻。水冷允許采用非常緊湊的結(jié)構(gòu)。通過使用交換器來降低冷卻劑的溫度，該熱交換位于一個單獨的機(jī)柜中。變流器機(jī)柜中的空氣由內(nèi)置風(fēng)機(jī)通過氣/水熱交換器進(jìn)行冷卻。

2 變流器主要部件

有軌電車配備了兩個相同的牽引輔助逆變器，均安裝在電車兩端車頂。牽引輔助逆變器主要包括牽引逆變器輸入電路、MSR 模塊、輔助逆變器、充電機(jī)等部件，與水冷裝置、儲能、蓄電池、牽引電機(jī)等部件配套使用，每個牽引變流器為1 個轉(zhuǎn)向架的2臺電機(jī)提供牽引功率，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)牽引力大小，承擔(dān)所有變流器相關(guān)的控制、監(jiān)控與保護(hù)任務(wù)。輔助逆變器提供AC380V 給空調(diào)及為水冷裝置供電，另外還輸出DC24V 直流電為整車低壓負(fù)載供電及蓄電池充電。水冷裝置即水-空氣熱交換器位于外冷裝置（HEX10)，為牽引輔助逆變器內(nèi)功率模塊進(jìn)行散熱[2-3]。

主要部件分布及數(shù)量如圖1 所示和見表1。

圖1 牽引輔助逆變器分布圖

表1 牽引輔助逆變器分布數(shù)量統(tǒng)計

3 性能及原理

3.1 牽引輔助逆變器主要性能

牽引輔助逆變器包含了一個牽引變流器（稱為“Motorstromrichter”），以及一個給車輛三相交流系統(tǒng)（3×230/400V，50Hz）和24V 直流低壓系統(tǒng)供電的輔助變流器。其中輔助電源主要輸出：

（1）車載輔助電力3×380V/50Hz（32.5kVA，頻率為50Hz）；

（2）冷卻風(fēng)機(jī)電源3×0～380V 交流至外部換熱器；

（3）24V 直流車載電源和車輛電池充電（8kW，即27V 直流時為300A）。

牽引輔助逆變器的主原理圖如圖2 所示。

圖2 牽引輔助逆變器的主原理圖

3.2 牽引變流器的輸入電路

每個牽引變流器都通過一個熔斷器、一個直流線路斷路器（LCB）和一個輸入電感從接觸網(wǎng)連接到750V 直流線路電壓，如圖3 所示。

圖3 牽引變流器的輸入電路（虛框線標(biāo)記）

電容回路（UZK)的充電由一個電感和多個電容器組成，無需充電電路便可生效。為了避免LC 濾波器導(dǎo)致的任何電壓振蕩，MSR 模塊上的制動斬波器將在充電過程中工作。

3.3 電機(jī)變流器（MSR 模塊）

牽引變流器包含了由直流輸入電容器、牽引逆變模塊和制動斬波器組成的實際驅(qū)動器。平滑扼流圈單獨安放。

牽引變流器將中間直流電路的直流電壓變換成具有可變幅度和頻率的3 相交流電壓給牽引電機(jī)供電。所以4 個象限中的操作是可能的（正向/反向和驅(qū)動/制動）。頻率范圍為0-137Hz。

牽引變流器由具有2kHz 恒定調(diào)制頻率的脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行控制[4-5]。

制動斬波器平行于牽引變流器安放。制動斬波器將動態(tài)過電壓限制在中間直流電路，并提供了電氣制動功能（連同外部制動電阻器）。在母線可能沒有能量回收的情況下，這是有必要的。

牽引變流器和制動斬波器由IGBT 模塊組成，并使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行操作。它們由牽引控制裝置通過柵極驅(qū)動器進(jìn)行控制。如圖4 所示。

圖4 帶三個電機(jī)相位和制動斬波器的MSR 模塊

3.4 輔助電源變流器及充電機(jī)

輔助電源變流器由兩部分組成，即供應(yīng)三相交流車載電網(wǎng)電源的逆變器與供應(yīng)24V 低壓配電網(wǎng)與蓄電池充電器的直流-直流變流器（簡稱“充電機(jī)”）。兩個功能性的部件均可在HSR/BLModule 以及HBU 模塊上找到。對電流分離所必需的變壓器屬于輔助電源變流器，但并不是該模塊的一部分，如圖5所示。

圖5 輔助電源變流器示意圖

輔助電源變流器的充電電路包含一個IGBT 半導(dǎo)體并帶有并聯(lián)充電電阻器。一旦CC400 連接到網(wǎng)壓，輔助電源變流器的中間電路經(jīng)過充電電阻器充電。當(dāng)輔助電源變流器啟動時，充電電阻器則轉(zhuǎn)向旁通。

緊接中間電路之后，緊跟著兩個分開的逆變器，生成中頻范圍內(nèi)的交流電壓。在電流分離變壓器之后，提供有24V 電源以及蓄電池充電器的整流加濾波，還有HBU 模塊上兩個逆變器的整流。

牽引輔助逆變器有蓄電池充電的+24V 直流與24V 車載電網(wǎng)低壓電源的兩個單獨連接。蓄電池的充電遵循通常所說的IoUo 特性，充電電壓依規(guī)定的充電電流而不同。一旦蓄電池充滿電，則電壓達(dá)到浮充電壓的編程值，如圖6 所示。

圖6 蓄電池充電與24V 總線

低壓側(cè)的輸出電流根據(jù)直流連接電路上測得的值進(jìn)行計算。

蓄電池的充電取決于蓄電池的溫度。為此，蓄電池中有一個NTC 傳感器，其信號可通過變流器的控制器讀取。

如果沒有蓄電池連接時（通常車輛上僅有兩個蓄電池），置于連接器外殼中的電阻器則代替NTC傳感器。

充電機(jī)24V 輸出可通過并聯(lián)總線輸送，就如逆流的電流被二極管阻流一樣，為整車負(fù)載供電，如圖7 所示。

圖7 24V 總線的并聯(lián)饋電

如果一臺牽引輔助逆變器的逆變器失效，將斷開本節(jié)車的接觸器，另外一個接觸器閉合，由另外的一臺輔助變流器給全列負(fù)載供電，如圖8 所示。

圖8 車輛上的三相供電網(wǎng)以及切換的可能性

3.5 水冷裝置

熱交換器裝置HEX10 中的水泵通過接觸器供電，內(nèi)風(fēng)扇由啟動器供電。HEX10 中的風(fēng)扇由HBU2的變頻變壓電源通過接觸器和啟動器供電，因此可以對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。