基于高溫環境的內燃動車組牽引變流器研制

江啟文,彭 程

(中車株洲電力機車研究所有限公司,湖南 株洲 412001)

現行中國標準GB/T 25119—2021《軌道交通 機車車輛電子裝置》與GB/T 32347.1—2015《軌道交通 設備環境條件 第1部分:機車車輛設備》要求,外界環境溫度最高為+55℃;現行歐洲標準《鐵路設施.設備的環境條件.第1部分:機車車輛與車載設備》要求,車輛外部最高環境溫度要求為+50℃。過高的環境溫度會對機車車輛牽引變流器產生較大影響,主要涉及設備的功能、可靠性、長期服役壽命等。某出口中東地區內燃動車組,要求在+60℃環境溫度下長期運行,需研制適應高溫環境的內燃動車組牽引變流器。

1 主電路設計

牽引變流器主電路如圖1所示,采用架控設計,共用中間直流回路,內部包含一個三相不控整流器模塊和兩個逆變器模塊,每個逆變器模塊給兩臺牽引電機供電。一個輔助逆變器從中間直流回路取電,并經輔助變壓器為柴油機冷卻風機供電。變流器內部設置了獨立的固定放電回路、接地檢測電路和支撐回路。牽引變流器在牽引工況時,柴油機拖動主發電機,主發電機輸出三相交流電,通過三相不控整流器輸出中間直流電壓對中間直流回路的支撐電容充電,中間電壓經逆變器轉換成頻率和電壓可變的三相電源供給異步牽引電機。制動工況時,牽引電機輸出的三相電壓牽引電機能量經逆變器,一部分能源給輔助系統供電,一部分能源通過制動電阻消耗。變流器通過對外接口與制動電阻連接,主要用于直流回路的過電壓抑制及停機后的快速放電;輔助逆變柜通過變流器對外接口從中間直流回路取電。

圖1 牽引變流器主電路

2 主要技術參數分析

2.1 三相不控整流器參數計算

三相不控整流器主電路如圖2所示,ua、ub、uc是來自于前端發電機的輸入電源,隨柴油機轉速調節發電機變頻變壓輸出空載反電勢三相交流電壓800～1300 V。假設該電路已處穩態,由于負載后級電路穩態時消耗的直流平均電流是一定的,所以分析中以電阻R作為等效負載。該電路任何時刻都只有兩個二極管導通,使電流由高電位的相出發,經VD1、VD3、VD5中某一個二極管流經負載,再由VD2、VD4、VD6中某一個二極管流回電位最低的相,該過程中非作用二極管均處于截止狀態。

圖2 三相不控整流器主電路

輸出電壓ud的波形如圖3所示,例如在I時間段,ua最高,ub最低,此時VD1、VD4導通,其他二極管處于截止狀態,整流輸出電壓ud =ua-ub。以此類推,可得出不同時刻二極管的導通情況以及負載電壓波形,則輸出電壓ud的平均值計算公式如下:

(1)

圖3 三相不控整流器電路波形

結合圖1變流器主電路,其功率流圖如圖4所示,根據變流器交流側與直流側瞬時功率相等的原理,可得下式:

(2)

圖4 功率流圖

式(2)中:P1為牽引電機額定輸出功率,P2為輔助負載功率,ηinv為逆變器效率,ηT為變壓器效率,ηufinv為輔助逆變器效率。

2.2 支撐電容器參數計算

為保證直流電壓的穩定性,在變流器中間直流回路并聯電容器,對于中間直流支撐電容器的電容值計算,一般可采用以下公式:

(3)

式(3)中:K1為中間電壓波動系數,一般取5%;K為整流器輸入電壓相數。

支撐電容設計選型時,還應考慮實際流過電容的電流。流過支撐電容的電流ic等于整流器輸出電流id與逆變器輸入電流i1+i2的差值。

逆變器輸入電流有效值可通過下式計算[1]:

(4)

式(4)中:Irms為逆變器輸出電流有效值,M為調制比,cosφ為功率因數。

2.3 固定放電電阻參數計算

固定放電電阻的作用是在規定的時間內,將主電路中支撐電容上儲存的電能快速釋放到低于人體安全電壓(36V)以下,以保障檢修人員的人身安全。放電電阻滿足下式:

(5)

式(5)中:Usafe為人體安全電壓,Udmax為中間電壓峰值,R為固定放電電阻阻值,C為支撐電容容值;

3 變流器技術參數設計

根據上述參數計算方法結合牽引變流器主電路方案,牽引變流器主要技術參數如表1所示。

表1 變流器主要技術參數

牽引變流器柜內主要發熱部件為內部IGBT器件、接觸器、功率電阻、電容、電纜,因此設計選型應該著重考慮高溫對其的影響。對于IGBT模塊溫度過高:根據IGBT器件特性,當外界溫度升高,其結溫線性升高會使得IGBT導通電流呈指數形式遞增,導致IGBT的功耗顯著增加;且IGBT芯片結溫存在一個極限值(最高允許結溫),當溫度過高時可能造成IGBT芯片結溫超過最高允許結溫,導致IGBT失效。對于接觸器溫度過高:可能導致接觸器觸頭表面發生劇烈氧化,縮短接觸器使用壽命;如果接觸電阻明顯增加會進一步導致觸頭溫度升高,甚至可能使得觸頭發生粘連,造成電氣故障。對于功率電阻溫度過高:可能導致電阻阻值發生變化,使用壽命縮短,嚴重時甚至發生燒損;對于電容溫度過高:電容的壽命會隨著溫度升高而縮短;同時溫度升高會引起的電容器損耗值增大。對于電纜溫度過高:導致電纜絕緣性能異常,容易出現絕緣擊穿現象,如與其他電纜導體接觸發生短路,嚴重時甚至會起火燃燒。所以實際工程應用設計時,需根據上述主要技術參數,結合關鍵器件的溫度降額曲線進行選型。

4 冷卻系統設計

變流器冷卻系統采取密閉式循環水冷與強迫風冷結合的方式,組成單元包含了板翅式換熱器、濾網、水泵、溫度壓力傳感器、內循環換熱器等。變流器冷卻系統的工作原理如下:功率模塊的熱量通過水冷基板傳遞與冷卻液進行熱量交換,導致冷卻液的溫度升高;高溫冷卻液在水泵的驅動作用下進入換熱器,位于換熱器后端的風機強迫冷卻空氣流過濾網、換熱器,當冷卻空氣通過換熱器時與高溫冷卻液發生熱交換,使冷卻液的溫度降低用于下一個循環散熱周期使用,而吸收一定熱量的冷空氣則繼續流向輔助變壓器,然后通過出風口最終流向外部環境。

4.1 損耗計算

對于變流器冷卻系統的功率設計,首先需要將變流器的各個主要發熱部件損耗進行相關計算,計算方法參考文獻[2]。該牽引變流器裝有一重三相不控整流模塊、兩重主逆變器及一重輔助逆變器,根據牽引變流器運行參數和IGBT器件出廠手冊相關數據,計算得到牽引變流器損耗,如表2所示。

4.2 風量計算

依照牽引變流器最大牽引功率工況情況下,計算得到的變流器損耗約為23.84 kW,根據熱平衡方程[3],可計算需要的冷卻通風風量:q=Q/CρρΔTL。式中:Cρ為空氣比熱容,單位J/(kg·℃);Q為發熱量,單位W;ρ為空氣密度,單位kg/m3;ΔTL為流過換熱器冷卻空氣的進出口溫差,單位K。

4.3 內循環設計

牽引變流器冷卻系統中,兩臺主冷卻風機位于變流器柜體上方,冷卻空氣從變流器側面進風口經熱交換器與高溫冷卻液發生熱交換,使冷卻液的溫度降低用于下一個循環散熱周期,而吸收一定熱量的冷空氣則繼續流向輔助變壓器,然后通過出風口最終流向外部環境?？紤]到功率器件均裝在密閉柜體空間內,為規避柜內局部熱點和均衡柜內空氣溫度,因此設置了內循環系統。根據選型內循環風機的P-Q曲線,風機工作點的靜壓約為220Pa,風機的性能如圖5所示。

圖5 風機特性曲線

5 試驗驗證

牽引變流器研制完成后,為驗證其相關性能,根據GB/T 25122.1—2018《軌道交通 機車車輛用電力變流器 第1部分:特性和試驗方法》進行型式試驗,各項試驗均順利通過,滿足標準要求。

5.1 沖擊和振動試驗

依據標準GB/T 21563—2018《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》中1類A級的要求對牽引變流器在地面進行沖擊振動試驗,試驗結果如表3和表4所示。

表3 模擬長壽命試驗結果

表4 沖擊試驗結果

5.2 溫升試驗

為進一步監測牽引變流器內部關鍵器件溫升情況,在牽引變流器內部布置溫度采集傳感器。使牽引變流器在表3所示工況下運行,對牽引變流器進行溫升試驗考核。當牽引變流器內部各部件達到熱平衡狀態時,對試驗數據進行分析,如圖6所示。CON進水口和出水口的溫差穩定在2.2 ℃,INV1進水口和出水口的溫差穩定在1.4 ℃,INV2進水口和出水口的溫差穩定在2.2 ℃,UFINV進水口和出水口的溫差穩定在0.9 ℃。通過上述溫升試驗表明,變流器內部關鍵部件溫升趨于穩定,性能指標滿足系統設計要求。

圖6 各模塊進出水口溫度監測

5.3 高溫試驗

為進一步驗證牽引變流器在60.0℃高溫情況下的可靠性,使牽引變流器在表1所示工況下運行,進行60.0℃環溫下的高溫試驗驗證。測試牽引變流器內部關鍵器件溫度并進行評估。具體結果如表5所示,在60.0℃的高溫箱內以額定工況運行2小時后,模塊內部驅動板最高溫度點為驅動電阻85.3℃、支撐電容溫度為66.6℃、輔助變壓器溫度為86.5℃、主風機機殼溫度為87.2℃,均未超過設計限值要求。

表5 高溫試驗結果

通過上述試驗結果表明, 牽引變流器的各項性能指標滿足技術規范的相關要求。

6 結語

對內燃動車組牽引變流器主要技術參數進行研究,為適應高溫環境要求,系統設計充分考慮高溫對柜內關鍵部件工作的影響,對冷卻系統進行精準設計,確保牽引變流器的散熱性能滿足系統運行要求。目前,該產品已通過型式試驗,試驗各項關鍵指標達到了系統設計要求,并完成了裝車調試和考核,現場運行穩定,能滿足內燃動車組在高溫環境中的運行要求。