城軌列車大功率高頻輔助逆變器技術研究

彭 駒

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

現有城軌車輛的輔助逆變器主要采用工頻輔助逆變器，工頻逆變器是一種DC/AC的轉換器，將DC1 500 V直流電轉化成輸出電壓和頻率穩定的交流電源，工頻逆變器首先把直流電逆變成工頻低壓交流電，再通過工頻變壓器升壓成AC380 V、50 Hz的交流電供負載使用，其優點是結構簡單，但因其為工頻變壓器，故重量重。高頻輔助逆變器首先通過高頻DC/DC變換技術，逆變成穩定的高壓直流電，而后通過工頻逆變電路得到AC380 V、50 Hz電流，因此高頻輔助逆變器具有體積小、重量輕的特點。

隨著技術的進步，城軌車輛正朝著輕量化方面發展，采用高頻輔助逆變器能很好地解決輔助系統輕量化的問題，因此本文提出了一種應用于地鐵、有軌電車等城軌車輛使用的大功率高頻輔助變流器，并與目前應用較普遍的工頻輔助變流器進行了對比分析。本高頻輔助逆變器設計在國內軌道交通裝備領域具備前瞻性，目前通過了裝車驗證，達到了預期效果。

1 高頻輔助逆變器容量設計

目前城軌車輛普遍采用每列車配備2臺輔助逆變器給列車380 V交流負載供電，根據國內B型城軌車輛對輔助逆變器功率容量的要求，6節編組的列車(兩單元)總功率需求，AC380 V交流一般需要440 kVA，DC110 V直流一般需要60 kW，雖然目前小容量的高頻輔助逆變器已開始小批量應用，但小容量的高頻輔助逆變器只適用于4節編組的城軌列車，對于6節編組的城軌列車還無法滿足負載需求。故開發一套滿足6節車輛編組要求的大容量高頻輔助逆變器已勢在必行。

在進行輔助逆變器的容量設計時，既需要充分考慮車輛的可用性和冗余性，也需要充分考慮項目的經濟性，因此當一臺輔助逆變器故障時，為了提高車輛的可用性和冗余性，可通過切除一些非必需的交流負載來提高列車的可用性，盡量減少由于輔助逆變器故障帶來的影響。表1展示了一臺輔助逆變器故障情況下，還能滿足列車對輔助供電的基本要求理論計算。

表1 列車交流負載計算表

續表1

2 高頻輔助逆變器電路設計

高頻輔助變流器由輸入模塊(輸入變換器)、輸出模塊(充電機和三相逆變器)和控制模塊(控制單元和通信單元)組成，DC1 500 V電壓經受電弓送入高壓箱，經高壓箱內的三位置轉換開關(BQS)、輔助隔離二極管、直流熔斷器(F1)送入輔助逆變器。直流DC1 500 V電壓輸入到輔助逆變器后，經高壓隔離模塊(HVM)進行高壓隔離，并變換為20 kHz的中高頻PWM電壓，并送入高頻變壓器隔離及后級整流電路。DC670 V電壓經過逆變電路(API)變換為三相交流AC380 V交流輸出。 蓄電池充電機(BCM)將DC670 V電壓變換為DC110 V輸出，電氣原理拓撲圖如圖1所示。

圖1 高中頻輔助逆變器電氣原理拓撲圖

從圖1可知，高頻輔助逆變器的輸入變換器由輸入Boost變換器和諧振變換器組成，輸入Boost變換器將變化的輸入直流電抬升至一個恒定的高壓直流電。恒定的高壓直流為后面的諧振變換器諧振點的選取提供了良好的輸入工況，有利于諧振變換器工作在零開關狀態，諧振變換器無開關損耗；另一方面，隨著電壓的升高，諧振變換器的工作電流變小，可使諧振變換器的導通損耗減少，從而使輔助逆變器效率得到有效提高。

與工頻輔助逆變器相比，高頻輔助逆變器IGBT開關管的電壓應力會更低，有利于選擇低耐壓、高性能的IGBT開關器件來進一步降低電路的損耗，在額定電壓和額定負載工況下，傳統的工頻輔助逆變器效率一般為89%左右，高頻輔助變流器效率接近94%，其效率高于傳統輔助逆變器轉換效率，效率對比圖如圖2所示。

圖2 工頻輔助逆變器與中高頻輔助逆變器效率對比

從圖2可知，本高頻輔助逆變器較高的轉換效率，對用戶的最直接好處就是降低了損耗，降低了碳排放，提高了經濟效益。

3 高頻輔助逆變器控制設計

同時滿足如下條件輔助逆變器將啟動：高頻輔逆變無故障；高頻輔逆變輸入電壓滿足DC1 000 V～DC1 800 V；高頻輔逆變控制電源(DC110 V)有電。

滿足如下任意條件，輔助逆變器將停機：高頻輔逆變輸入高壓低于DC1 000 V并且持續50 ms；高頻輔逆變控制電源(DC110 V)失電；高頻輔逆變器無啟動指令。

具體輔助逆變器正常啟動/停止時序流程圖如圖3所示。

圖3 高中頻輔助逆變器啟動/停止時序圖

4 高頻輔助逆變器輕量化設計

高頻輔助逆變器相比傳統的工頻輔助逆變器，高頻輔助逆變器具有輕量化的特點。在傳統的工頻輔助逆變器中，輔助逆變器的工作原理為：直接將輸入高壓DC1 500 V進行三相逆變，并通過工頻變壓器(AEB)隔離后輸出車輛所需的三相AC380 V交流；對于直流DC110 V的輸出，AC380 V三相交流電通過直流充電機進行變換，并經變壓器隔離整理濾波后輸出DC110 V，工頻輔助逆變器電氣原理拓撲如圖4所示。

圖4 工頻輔助逆變器電氣原理拓撲圖

根據分析計算可知，在整個輔助逆變器部件中，磁性元器件不僅在重量上占有很大的比重，同時在體積上亦占有很大的比重。因此輔助逆變器的重量很大一部分集中在隔離輸出變壓器(AEB)的磁性鐵芯上。根據變壓器磁芯選型Ap法：

(1)

可知：變壓器的Ap值(變壓器的截面積與窗口面積乘積)與工作頻率f成反比，而Ap值直接取決于所選變壓器磁芯的大小，磁芯越大，Ap值越大。所以當工作頻率越大時，所選的變壓器所需磁芯越小，變壓器重量就會越輕。同等輸出功率情況下，由于采用高頻技術，工作頻率直接從50 Hz工作頻率提升至20 kHz工作頻率，根據計算，高頻逆變器相比傳統工頻輔助逆變器重量輕50%左右。

另一方面，根據法拉第定律：

(2)

可知：在相同的輸入電壓情況下，變壓器的繞線匝數N與工作頻率f成反比，所以當工作頻率越大時，所需的變壓器匝數越少，即所需的導電線圈越少，變壓器的重量也會越輕。

所以，當選用高頻輔助逆變器方案后，所有的磁性元器件體積將大幅度減小，從而帶動整個機箱體積的減小，進一步帶來機箱重量的減輕。

綜上可知，當輔逆變壓器的工作頻率由50 Hz提升至20 kHz時，其變壓器只需要選擇更小的磁芯，使用更少的導電線圈，其結果就是變壓器的重量將大幅度降低，對整車的重量控制及設備布置都是一個極大的改善。

5 結語

本高頻輔助逆變器順利通過了各項設計評審及型式試驗，及裝車后的整車調試及相關的型式試驗，試驗證明該型號的高頻輔助逆變器各項技術性能都符合設計要求，所有的試驗和調試都達到了預期效果，通過了裝車前專家評審、載客運營前專家評審，并于2021年2月完成了50 000 km載客試運營，期間各項性能情況良好，各指標滿足設計要求，節能效果明顯，給用戶帶來了直接的經濟效益。2021年5月完成了專家評審，具備進一步推廣的價值。