動車組牽引輔助變流器用電磁組件超溫保護機制研究

王 雷，張明濤，徐亞昆，丁巧婭

(中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

在軌道交通領域里，基于傳統兩電平主電路拓撲的牽引輔助變流器通常含有多個電磁部件，為了滿足牽引輔助一體式變流器的高集成度及輕量化設計要求，往往需要把這些電磁部件集成為組件[1-3]。具有高發熱密度的電磁組件的超溫保護至關重要，一般通過在高熱點的繞組中預置保護裝置間接實現超溫保護功能。目前多借助成本低、周期短的數值仿真進行熱點定位，但元件熱施加方式與實際情況有差別，這會導致數值仿真計算的溫度絕對值不準確[4]，同時，電磁組件中熱點位置會因組件結構、冷卻系統的差異而難以確定。本文以某型動車組牽引輔助變流器為研究對象，借助試驗提出一種面向軌道交通車載高發熱密度電磁組件的精準超溫保護機制，以彌補單純數值仿真的不足，具有一定的工程應用價值。

1 動車組牽引輔助變流器用電磁組件簡介

圖1為動車組牽引輔助變流器用電磁組件電路圖。

圖1 動車組牽引輔助變流器用電磁組件電路圖

對于動車組牽引輔助變流器兩電平的牽引主電路，為有效改善網側諧波、中間直流母線諧波及電動機拍頻現象，一般采取如下措施：

(1) 在牽引主電路的中間直流回路中設置二次濾波電感，但是在動車組上通常不將其集成入牽引變壓器[5]；

(2) 基于LC濾波-工頻變壓器結構的輔助變流器具有電氣原理簡單、控制方法成熟等優點，為進一步改善電源品質，在輔助變流器的輸入端額外設置直流平波電抗器[6-7]；

(3) 為將輔助逆變器輸出的PWM波轉換為正弦波，使后端工頻變壓器能夠輸出更高質量的AC 380 V電源，在電路中設置三相交流濾波電抗器，與濾波電容共同構成三相濾波回路。

若將上述電路中的電磁部件直接分立安裝于變流器柜體內部，將不利于動車組牽引輔助變流器的小型化、輕量化設計。因此，動車組牽引輔助變流器將各電磁部件集成為電磁組件，即將工頻變壓器、二次濾波電感、交流濾波電抗器和直流電抗器并列布置并吊掛于同一框架，形成電磁組件，這樣不但可提高電磁組件的功率密度，也符合牽引輔助一體化變流器的高集約化設計理念，同時還利于冷卻系統的設計。冷卻系統的散熱器和冷卻風機可分別設置于電磁組件線圈匝間間隙的兩側，冷卻氣流經散熱器進入電磁組件線圈匝間間隙，最終從變流器底部散出[8-9]。

2 電磁組件溫升試驗

2.1 電磁組件發熱原理

本文研究的電磁組件用于動車組牽引輔助變流器，其可靠性對于列車的安全運行至關重要，電磁組件熱點定位不精確會導致其超溫得不到保護，長期超溫易加速組件的絕緣材料老化，甚至引發火災[10]。因此，分析電磁組件發熱原理及探究其主被動安全保護機制非常必要。

電磁組件主要由變壓器、電抗器組成，實際運用過程中二者的發熱情況也略有不同。變壓器的發熱量(Q1)主要來自變壓器內部的損耗(包括銅損和鐵損)；電抗器一般由繞組組成，即使長期運行其發熱量(Q2)也穩定，二者發熱量的表達式分別為式(1)和式(2)：

Q1=PK+Pd

(1)

Q2=η1η2P

(2)

式中：PK——變壓器的空載損耗，與負荷大小無關；

Pd——變壓器的短路損耗，隨負荷的大小而變化；

η1——電抗器的利用系數；

η2——電抗器的負荷系數；

P——電抗器在額定功率下的功率損耗。

由于動車組運行工況復雜，變流器冷卻系統承受的負壓變化導致電磁組件的散熱氣流量并非一成不變[11]。目前仿真技術無法準確模擬時變工況，可能導致電磁組件熱點定位存在誤差，因此借助匹配設計的地面溫升試驗進行電磁組件熱點的精準定位。

2.2 電磁組件溫升試驗測試點布置及試驗工況主要技術參數

為準確定位電磁組件的熱點進而對其實施精準保護，本文設計了特定的長時地面溫升試驗對包含電磁組件在內的變流器進行考核[12]。圖2為電磁組件溫升試驗測試點布置。圖2中有23個測試點，其位置是根據組件繞組結構的匝間間隙差異可能帶來的冷卻空氣壓力損失而確定的。在電磁組件的23個測試點位置上埋設PT100溫度傳感器，溫度傳感器由繞組出風口伸入繞組匝間間隙，其伸入的長度是繞組總長的1/3，如圖3所示。

1～6.三相工頻變壓器繞組溫度測試點；7～10.二次諧振電感繞組溫度測試點；11～16.三相濾波電抗器繞組溫度測試點；17～20.直流電抗器繞組溫度測試點；21.電磁組件環境溫度測試點；22.二次諧振電感鐵芯溫度測試點；23.三相工頻變壓器鐵芯溫度測試點。圖2 電磁組件溫升試驗測試點布置

圖3 測試點布置實物圖

為使試驗更貼近動車組的實際運行工況，借助特定的試驗工裝在變流器的冷卻系統引入一個與車型匹配的人工壓降，變流器牽引電機為滿載工況，且輔助負載采用最大設計容量(220 kVA)。溫升試驗工況的主要技術參數見表1。

表1 電磁組件溫升試驗工況主要技術參數

2.3 電磁組件溫升試驗結果分析

對包含電磁組件在內的變流器進行長時溫升試驗，試驗共持續5 h，待電磁組件環溫(測試點21)每小時的變化小于1 K(1 K=Δ1 ℃)時終止試驗[13-14]。

圖4 電磁組件溫升試驗各測試點溫升過程

圖5為溫升試驗結束時刻各測試點相對于組件環溫(37.6 ℃)的溫升情況，圖中條形頂端所標數據為具體溫升值。由圖5可以看出，23個測試點中最高溫度為77.8 ℃，對應的溫升值為40.2 K，滿足該電磁組件H級耐熱等級下耐溫不超過180 ℃的要求。此外，工頻變壓器上的測試點(測試點1～6)中最高溫度出現在測試點5，即V相繞組靠近諧振電感的一側；二次諧振電感各測試點的溫升值并不高，其靠近變壓器側的繞組上測試點(測試點7、8)的溫升值比另一側的測試點(測試點9、10)稍大；交流濾波電抗器U/V/W三相繞組的溫度熱點均在遠離二次濾波電抗器的一側。對于直流電抗器來說，因其位于交流濾波電抗器出風位置，且靠近二次濾波器一側的發熱功率更加集中，導致同一繞組的左右兩側溫升值差異較大。

圖5 溫升試驗結束時各測試點溫升結果

為驗證上述結論，在相同的試驗工況下又2次重復進行了5 h的長時溫升試驗，2次試驗的試驗結果如圖6所示。從圖6和圖5可知，在3次溫升試驗中同一測試點的溫度值雖略有起伏，但總體規律一致，即電磁組件熱點位置一致。證明當冷卻系統工作于設計風量下、電磁組件工作于額定電流或額定容量工況時，電磁組件的熱點溫度相對固定，這為針對性地布置超溫保護用溫度傳感器提供了有力依據。

圖6 第2次和第3次試驗各測試點溫升試驗結果

3 電磁組件超溫保護機制

電磁組件超溫保護裝置的選取通常考慮以下3種情況：

(1) 溫度傳感器和溫度開關都可用作超溫保護裝置，前者多用來監測實時溫度，而后者僅用來判別電磁組件的溫度狀態，具體采用哪一種方式需根據產品的相關協議協商決定；

(2) 超溫保護裝置的選取需考慮電磁組件復雜的干擾環境，選取帶屏蔽功能的產品；

(3) 超溫保護裝置的選取還需充分考慮冗余性。

動車組的中央控制單元需實時讀取牽引輔助變流器中工頻變壓器和二次諧振電感的溫度值，需設置相應的溫度傳感器，但其所占用的數據采集及傳輸資源較設置溫度開關而言偏多，因此根據溫升試驗結果進行溫度傳感器的精準布置顯得尤為重要。結合溫升試驗中熱點位置分布及試驗結果設置電磁組件超溫保護裝置，圖2中，在變壓器繞組中測試點5的上下位置各設置1組溫度傳感器(其中1個溫度傳感器為備用)，在二次諧振電感繞組中測試點7和8位置各設置1組溫度傳感器(其中1個溫度傳感器為備用)；對于不需監測溫度的交流濾波電抗器和直流電抗器，在交流濾波電抗器繞組中熱點位置(測試點14～16)串聯使用3個常閉型溫度開關，在直流電抗器繞組中熱點位置(測試點19和20)串聯使用2個常閉型溫度開關，這樣便可簡化控制單元采樣板卡的設計，并能準確采集和傳遞反饋的狀態信息，進而實現相關的保護功能。

在此基礎上，控制單元超溫保護的邏輯閾值或溫度開關的開啟溫度均可以根據電磁組件H級耐熱等級選擇為180 ℃，雖該耐熱等級繞組的短時極限溫度可允許達220 ℃[15]，但冷卻風機停機后繞組溫度仍將有一定程度的抬升，長此以往會影響組件的使用壽命。恢復溫度的設置則可以參考低一級的耐熱等級進行選擇。

4 電磁組件超溫保護機制試驗驗證

為驗證本文提出的電磁組件超溫保護機制的有效性進行了特定的故障模擬試驗，試驗結果表明，本文提出的電磁組件熱點定位方法及其保護機制可行且有效。具體試驗方法是：針對輔助變壓器超溫保護故障，在輔助變流器輕載工況下，通過不同程度地將冷卻散熱器進風口堵塞來模擬超溫故障，如圖7所示。故障模擬試驗的相關技術參數及試驗結果見表2。

圖7 超溫故障模擬試驗方法示意圖

表2 故障模擬試驗的相關參數及試驗結果

試驗結果顯示：

(1) 負載容量100 kVA和50 kVA工況下，變壓器溫度低且上升速度緩慢，而交流濾波電抗器溫度上升速度快，很快便因突破180 ℃而報“輔助變壓器溫度過高”“交流濾波電抗器溫度超限”故障，這是因為交流濾波電抗器電流更接近其額定值，如圖8(a)所示；

圖8 模擬試驗結果界面

(2) 濾波電抗器的三相繞組因冷卻氣流差異而溫度略有不同，但只要任意相繞組發生超溫故障，超溫保護裝置便可對濾波電抗器整體實施保護；

(3) 負載容量50 kVA、堵塞率90%工況下，交流濾波電抗器W相繞組達183.3 ℃而實施保護，停機2 min后該處溫度便快速下降至138.5 ℃，符合恢復溫度為(150±15) ℃的要求，使交流濾波電抗器溫度開關狀態反饋功能恢復正常，如圖8(b)所示。

5 結束語

本文基于溫升試驗提出了一種牽引輔助變流器用電磁組件繞組熱點定位方法及其保護機制，并通過故障模擬試驗證實了其可行性和有效性。該方法彌補了單純仿真計算的不足，提高了變流器相關超溫保護的精準度，具有一定的工程應用價值，同時利于動車組日常運維措施的制定。