一种地铁辅助变流器设计与应用

王明 李志杰

摘要：介绍了一种地铁车辆辅助变流器产品的方案及特点、主电路及技术参数、总体结构及主功能单元、仿真与样机试验，阐述了辅助变流器性能提升设计方法。

关键词：辅助变流器；IGBT；地铁

地铁辅助变流器将弓网的高压直流转换为三相交流电，为车辆客室空调、空压机、交流照明等提供电能，是地铁车辆的重要装备之一。株洲时代电气股份有限公司开发了一种辅助变流器，以其性能稳定、维护简易、全寿命周期成本低等特点，受到客户的青睐。本文详细介绍了这种辅助变流器的系统方案、特虑、主电路设计及参数计算、总结结构、主要部件、仿真及样机试验等。

1系统方案及特点

地铁车辆根据辅助变流器输出至车辆中压母线的形式，采用多台辅助变流器并联输出至中压母线，共同向母线下负载提供电能的方式，在单台辅助变流器故障的情况下，能够不影响车辆中压母线负载工作，从而提高了辅助变流器供电的冗余度，具有更为可靠、舒适的优点，因此，为实现辅助变流器并联运用，设计一种重量轻、噪声低、可靠性高且维护简单的中小功率辅助变流器。

本文介绍的辅助变流器的主要技术参数如下：

额定输入电压：DC1500V或DC750V

额定输出电压：3AC 380V/50Hz（带中线）

额定输出功率：100kVA

功率因数：85%（感性）

过载台旨力：150% （10s）

输出电压变化：+15%一-20%（恢复时间<200ms）

额定工况效率：>90%

冷却方式：自然冷却

噪声：<70dB（A）（距箱体1m处测量）

重量：1050kg

该辅助变流器总体考虑了车辆适应性要求，考虑车辆限界及安装要求，柜体设计成长方形，同时具有较高的电网适应性。

2主电路及技术参数

tPower-A15型辅助变流器采用二电平逆变电路，其主电路拓扑简洁、成熟，如图1所示。

其电路主要包含输入滤波电路、电容器充电电路、电容器放电电路、IGBT逆变电路、输出变压器、交流滤波电路、输出接触器、检测电路和控制电路等，从直流输入的高压电经直流滤波电抗器（L1）、电容器充电电路（KM1、KM2、R1）、直流滤波电容器（C），送至IGBT逆变器进行逆变后输出PWM波交流电压，再经输出变压器（T1）进行电压隔离、降压，交流电容器（ACC）滤波得到低谐波含量的三相准正弦电压，输出三相交流电压，交流输出端设置EMI滤波器（Z2），R2＼R3为固定放电电阻，用于辅助变流器停机后将支持电容的电压释放至安全电压以内，SVl-SV2为电压传感器，分别用于检测输入电压和电容端电压，SCl-SC3为电流传感器，分别用于检测输入电流和模块输出电流，TAl -TA3为电流互感器，用于检测三相交流电流。

2.1 IGBT参数选型

IGBT√2变电路为两电平电路结构，逆变器模块的A、B、C三个相桥臂构成一个三相逆变器，输出三相交流电压。

IGBT功率元件电压等级Um按下式计算：

Um≥ （K1xUl+Up） xK2

其中K1：过压系数，取1.2；U1：功率元件工作电压，取2100V；up：关断时的尖峰电压，取400V；K2：安全系数，取1.1；

故Um≥3102V，规格化为3300V；

IGBT功率元件电流等级lom按下式计算：

lom≥

xIMxαlxα2xα3

其中IM：额定输出电流；αl：电流尖峰系数，取1.1；α2：温度系数，取1.1；α3：过载系数，取2；

故IOM≥342A；

根据以上计算，确定IGBT元件的电压、电流参数，按照IGBT型号表及简统化原则，选择800A/3300V的IGBT元件。通过计算及仿真，可得IGBT结温约为102°C，满足使用温度要求。

2.2输出滤波电路

交流滤波电路由输出电压器的漏电抗、三相AC滤波电容器（ACC）组成。交流滤波电路是一个低通LC滤波器，它将变压器输出的电压经过低通滤波后得到接近正弦波的三相交流电压输出。辅助逆变器的输出变压器（T1）联接组别为Dynll，是集成了交流输出滤波电路所需的三相电抗的高漏磁变压器，交流滤波电容器采用三角形接法。

交流滤波电路的截止频率fo为：

截止频率fo通常选在300Hz左右，经Matlab仿真核算，三相输出电压谐波含量小于5%。

3总体结构及主功能单元

辅助变流器总体结构布置如图2所示。柜体设计为长方形结构，外壳采用不锈钢材料，通过柜体顶部的8个M12吊耳吊装于车体底部。柜体采用框架式结构设计，重量最重的变压器、逆变器模块布置于柜体中部，并安装于柜体框架梁上，确保柜体的重心以及整柜的结构强度，巧妙的将逆变模块安装嵌入柜体内部，逆变模块散热器部分安装于箱体骨架外侧，在确保散热性能的同时又满足柜体尺寸限制。根据对辅助变流器的功能区域共划分6个腔室，分为高压输入室、逆变模块室、变压器室、交流输出室、电容器室和控制室，将高压部分与低压控制部分完全分离，其控制接口分布于柜体两侧，整体布局清晰流畅，功率部件逆变模块散热器和变压器上下板采用开孔设计，利于散热，柜内部件不仅体现了模块化设计理念，也确保了可维护性及操作安全性。

3.1 IGBT逆变模块

IGBT逆变模块集成了6个IGBT元件、热管散热器、温度继电器、PT100温度传感器、门极驱动单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器、低感母排等部件。IGBT逆变模块安装结构采取基板与箱体骨架通过螺栓固定，在散热器外框处采用螺栓与箱体骨架连接，散热器翅片采取热管散热方式。IGBT功率模块外形如图3所示。

3.2控制单元

控制单元采用双MCU+FPGA+CPLD结构，实现辅助变流器的逻辑控制、实时监视、逆变控制、通讯、数据交换功能、AD管理，DlO管理及扩展接口管理等功能。结构采用多层叠板式结构，单板之间采用子母板形式组装，整体安装于专用的金属屏蔽盒内，金属盒通过底板上的6个安装孔安装在柜体内壁上。

4仿真与试验

4.1强度仿真

辅助变流器的安装方式是通过吊耳吊装于车体底部，整柜重量约1050kg，由板金件焊接和螺栓紧固而成，其结构的强度对内部电气设备的影响及行车安装至关重量，因此在设计阶段对柜体进行静强度、振动模块和随机振动疲劳分析，可以有效指导样机设计，该柜体结构不完全对称，取整体结构建立有限元力学模型。

静强度仿真结果最大位移为2.5mm，模态分析第一阶振动频率为19.14Hz。

仿真結果显示辅助变流器柜体结构设计满足标准要求，为验证仿真结果准确性及结构强度，对辅助变流器样机进行振动与冲击试验，按照IEC61373：2010铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验1类A级通过试验。

4.2样机实验

按IEC61287-1：2005轨道交通机车车辆用电力变流器第1部分：特性和试验方法对辅助变流器样机进行试验并通过试验，证明辅助变流器具有良好的电气性能，达到设计目的。

5结语

本文介绍的一种地铁辅助变流器产品，具有电路成熟、性能稳定、可靠性高、验证充分、维护简单等特点，各项性能指标已达到国内外同类型产品的先进水平。目前该型辅助变流器已批量在国内外多个地铁项目的车辆中推广应用，赢得用户及业界的普遍认可。

参考文献

[1]赵清良，刘清，曾明高.城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J].机车电传动，2012 （1）：52-57.

[2]王鑫，赵清良.地铁车辆辅助逆变器的设计与仿真[J].机车电传动，2006，（4）：43-46.

[3]翁星方.北京地铁国产化列车IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2008 （4）：45-47.