一種大功率內(nèi)燃機(jī)車牽引變流器設(shè)計(jì)

張濤，柴媛，李錦

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安，710016）

0 引言

大功率內(nèi)燃機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在鐵路貨運(yùn)和客運(yùn)中扮演著重要角色。牽引變流器作為內(nèi)燃機(jī)車的核心部件之一，在提高機(jī)車牽引力和控制能力方面起著關(guān)鍵作用，其主要功能是將內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的功率通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換為牽引力，以驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行貨運(yùn)運(yùn)輸。

本文介紹了一種具備起車和移車功能的牽引變流器的電路拓?fù)洌撓到y(tǒng)集成度高，功率密度大，智能，互聯(lián)，綠色，環(huán)保。本文分別介紹了系統(tǒng)及子部件的電氣功能、理論計(jì)算、選型方法，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和合理性、可行性。

1 系統(tǒng)概述

本文以某交流傳動(dòng)貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車為例，整車包含前后兩架，兩架共用一臺(tái)牽引變流器，每臺(tái)牽引變流器包含不控整流單元、牽引逆變單元等，主電路拓?fù)涫疽庖?jiàn)圖1。

圖1 牽引變流器主電路拓?fù)涫疽鈭D

主電路采用兩路獨(dú)立中間直流母線設(shè)計(jì)，每路包括不控整流，逆變和斬波電路。內(nèi)部器件主要包含2 組三相不控整流器、2 組牽引逆變器、2 組三相交流接觸器、1 組起機(jī)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、1 組蓄電池移車轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、2 組接地檢測(cè)單元和1 臺(tái)控制單元等組成。

2 工作原理

■2.1 主要技術(shù)參數(shù)

整車電傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示，牽引變流器技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 整車電傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

表2 牽引變流器技術(shù)參數(shù)

牽引系統(tǒng)三相不控整流器將AC 600V～2066V 電壓變換成DC850V～2650V 的中間直流回路電壓，供牽引、輔助系統(tǒng)使用。牽引逆變器將DC850V～2650V 中間直流電壓變換成AC0～2066V 交流電供給6 臺(tái)牽引電機(jī)使用。

起車時(shí)，蓄電池110V 通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)DCL，進(jìn)到中間直流母線，啟動(dòng)牽引逆變相模塊，將蓄電池電壓逆變?yōu)榻涣麟姾螅D(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)CTS 與牽引電機(jī)斷開(kāi)，與主發(fā)連接打開(kāi)，同時(shí)輸入三極接觸器斷開(kāi)，將三相交流電返回到主發(fā)三相定子繞組里，同時(shí)主發(fā)勵(lì)磁繞組通過(guò)勵(lì)磁控制器給電，主發(fā)工作在同步電動(dòng)機(jī)模式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)柴油機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)柴油起啟動(dòng)后，主發(fā)工作在發(fā)電機(jī)模式，將DCL 打到空擋，斷開(kāi)蓄電池供電，閉合三極輸入接觸器，CTS 去主發(fā)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，去牽引電機(jī)的開(kāi)關(guān)閉合，整車開(kāi)始正常牽引。

■2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

移車時(shí)，DC110V 通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)DCL，進(jìn)到中間直流母線，啟動(dòng)牽引逆變相模塊，將110V 逆變?yōu)槿嘟涣麟姾螅珻TS 與牽引電機(jī)開(kāi)關(guān)閉合，與主發(fā)連接的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，整車開(kāi)始移動(dòng)。

牽引變流器主電路原圖見(jiàn)圖2。

圖2 牽引變流器主電路原理圖

牽引變流器包含2 架電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用架控方式進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，每臺(tái)牽引逆變器驅(qū)動(dòng)一架3 臺(tái)牽引電機(jī)，該架控方式應(yīng)用成熟，控制成熟，可靠性高。

不控整流輸出增加直流電抗器，與直流母線支撐電容一起構(gòu)成LC 濾波器，改善主電路諧波情況，提升中間直流母線品質(zhì)。

牽引系統(tǒng)具備蓄電池移車及起車功能，可減少柴油機(jī)起機(jī)硬件裝置如起動(dòng)電機(jī)等的應(yīng)用，降低變流器成本，提升系統(tǒng)可靠性。

■2.3 牽引變流器控制和保護(hù)功能

牽引變流器的控制功能主要包括：機(jī)車牽引特性控制；機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)特性控制；蓄電池110V 起車制動(dòng)控制；蓄電池110V 移車控制功能；主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制功能；中間電路過(guò)壓抑制控制；機(jī)車自負(fù)荷試驗(yàn)控制功能；在線監(jiān)測(cè)和調(diào)試功能。

牽引變流器具備完善的保護(hù)動(dòng)作，主要包括以下保護(hù)功能：中間直流環(huán)節(jié)放電保護(hù)；接地保護(hù)；直流回路過(guò)壓保護(hù)；牽引逆變器輸出過(guò)流保護(hù)；牽引逆變輸出缺相保護(hù)；冷卻系統(tǒng)水溫水壓異常保護(hù)；斬波回路過(guò)流保護(hù)；空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)；超速保護(hù)；檢修時(shí)的安全聯(lián)鎖保護(hù)等。

■2.4 主電路參數(shù)計(jì)算

根據(jù)整車功率需求，對(duì)牽引主電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，作為器件選型的依據(jù)。

（1）牽引不控整流器計(jì)算

根據(jù)主發(fā)參數(shù)額定輸入電壓AC600V～2066V，額定輸入電流984/2=492A，額定頻率83.3Hz,發(fā)電機(jī)額定功率3400kW（雙路輸出）。額定輸出電壓為2650VDC，考慮不控整流效率為0.99，額定輸出電流3400/2×0.99/2650=635A。

根據(jù)輪周功率反推至輸入端，計(jì)算最大輸入電流18 33×1000/0.99/2066/1.732/0.95=545A，最大輸出電流1833×1000/2650=692A。

（2）中間直流母線計(jì)算

中間母線功率是牽引逆變功率與輔助功率之和：

其中：逆變器效率ηinverter=0.985；Pout_aux=200kW ；ηaux=0.9。計(jì)算得到中間母線功率1833kW。

（3）牽引逆變器計(jì)算

根據(jù)機(jī)車調(diào)速的需求，逆變器通過(guò)脈沖寬度控制，將中間直流電壓變換為所需要的頻率和幅值的三相交流電壓供給交流牽引電機(jī)，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)列車。

逆變器輸出側(cè)通常涉及兩路電流傳感器，用于進(jìn)行輸入電流的測(cè)量及實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)流、短路等保護(hù)的功能。

逆變器持續(xù)工作電流通過(guò)軸功率進(jìn)行計(jì)算：

其中： 軸功率Paxle_power=1400kW ； 電機(jī)的效率ηmotor=0.9；齒輪箱效率ηgearbox=0.98。計(jì)算得到逆變器輸出額定功率：1587kW。

其中：cos?=0.918;Uinvter_out=×1040 =1801.28V。

計(jì)算得到逆變器輸出電流960A。

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，最大電流為350A，逆變器輸出最大電流為3×350=1050A。

■2.5 主電路器件選型

主電路器件選型如表3 所示。

表3 主電路器件選型明細(xì)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變流器位于車體內(nèi)部，根據(jù)整車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)維護(hù)不便的部件進(jìn)行模塊化單元設(shè)計(jì)。柜體整體布局采用高壓，中壓和低壓分區(qū)布局方式實(shí)現(xiàn)。高壓接口分布在柜體前部下方區(qū)域，便于接線；重量較大的電器器件位于柜體中間部分，便于檢修維護(hù)；低壓器件位于柜體右上區(qū)域，接近于主機(jī)廠低壓接口位置，方便接線。

變流器從警示標(biāo)識(shí)、高壓檢測(cè)、吊掛設(shè)計(jì)、柜體安全等方面進(jìn)行人員防護(hù)，確保操作人員安全；柜體及部件非金屬材料選用、器件優(yōu)化、防火探測(cè)等方法進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，保證變流柜防火設(shè)計(jì)安全；變流柜內(nèi)部所有器件均可打開(kāi)門(mén)后進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試，方便技術(shù)人員故障排查，提高故障分析效率，縮短故障修復(fù)時(shí)間。變流器結(jié)構(gòu)的總體布局如圖3 所示。

圖3 牽引變流器結(jié)構(gòu)布局圖

4 仿真分析

根據(jù)牽引系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)主電路參數(shù)計(jì)算、仿真，對(duì)牽引充電機(jī)系統(tǒng)各種額定運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，保證設(shè)計(jì)合理性。主電路不控整流、中間直流母線、逆變單元仿真波形如圖4～8 所示，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 牽引變流器額定點(diǎn)仿真結(jié)果

圖4 牽引不控整流輸入電壓仿真波形

圖5 牽引不控整流輸入電流仿真波形

圖6 中間直流母線電壓仿真波形

圖8 牽引逆變器輸出電流仿真波形

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證大功率內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照機(jī)車實(shí)際配置及運(yùn)行要求，搭建全尺寸地面模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

如圖9 所示，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及鐵路標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該牽引變流器樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出電壓、電流等參數(shù)的檢測(cè)，驗(yàn)證了牽引系統(tǒng)具有良好的電氣性能，可以滿足針對(duì)牽引系統(tǒng)供電的功能需求。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)位搭建

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種大功率內(nèi)燃機(jī)車牽引變流器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)主電路工作原理和功能分析，結(jié)合整車對(duì)牽引系統(tǒng)的性能需求，介紹了牽引系統(tǒng)主電路計(jì)算及部件選型方法。通過(guò)電氣仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，該牽引系統(tǒng)具有主電路拓?fù)涑墒臁⒖煽啃愿叩忍匦裕黜?xiàng)性能指標(biāo)均能滿足整車技術(shù)需求。目前該型牽引變流器已完成各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將推動(dòng)中國(guó)貨運(yùn)干線內(nèi)燃機(jī)車發(fā)展達(dá)到新的高度。