城轨列车大功率高频辅助逆变器技术研究

彭 驹

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

现有城轨车辆的辅助逆变器主要采用工频辅助逆变器，工频逆变器是一种DC/AC的转换器，将DC1 500 V直流电转化成输出电压和频率稳定的交流电源，工频逆变器首先把直流电逆变成工频低压交流电，再通过工频变压器升压成AC380 V、50 Hz的交流电供负载使用，其优点是结构简单，但因其为工频变压器，故重量重。高频辅助逆变器首先通过高频DC/DC变换技术，逆变成稳定的高压直流电，而后通过工频逆变电路得到AC380 V、50 Hz电流，因此高频辅助逆变器具有体积小、重量轻的特点。

随着技术的进步，城轨车辆正朝着轻量化方面发展，采用高频辅助逆变器能很好地解决辅助系统轻量化的问题，因此本文提出了一种应用于地铁、有轨电车等城轨车辆使用的大功率高频辅助变流器，并与目前应用较普遍的工频辅助变流器进行了对比分析。本高频辅助逆变器设计在国内轨道交通装备领域具备前瞻性，目前通过了装车验证，达到了预期效果。

1 高频辅助逆变器容量设计

目前城轨车辆普遍采用每列车配备2台辅助逆变器给列车380 V交流负载供电，根据国内B型城轨车辆对辅助逆变器功率容量的要求，6节编组的列车(两单元)总功率需求，AC380 V交流一般需要440 kVA，DC110 V直流一般需要60 kW，虽然目前小容量的高频辅助逆变器已开始小批量应用，但小容量的高频辅助逆变器只适用于4节编组的城轨列车，对于6节编组的城轨列车还无法满足负载需求。故开发一套满足6节车辆编组要求的大容量高频辅助逆变器已势在必行。

在进行辅助逆变器的容量设计时，既需要充分考虑车辆的可用性和冗余性，也需要充分考虑项目的经济性，因此当一台辅助逆变器故障时，为了提高车辆的可用性和冗余性，可通过切除一些非必需的交流负载来提高列车的可用性，尽量减少由于辅助逆变器故障带来的影响。表1展示了一台辅助逆变器故障情况下，还能满足列车对辅助供电的基本要求理论计算。

表1 列车交流负载计算表

续表1

2 高频辅助逆变器电路设计

高频辅助变流器由输入模块(输入变换器)、输出模块(充电机和三相逆变器)和控制模块(控制单元和通信单元)组成，DC1 500 V电压经受电弓送入高压箱，经高压箱内的三位置转换开关(BQS)、辅助隔离二极管、直流熔断器(F1)送入辅助逆变器。直流DC1 500 V电压输入到辅助逆变器后，经高压隔离模块(HVM)进行高压隔离，并变换为20 kHz的中高频PWM电压，并送入高频变压器隔离及后级整流电路。DC670 V电压经过逆变电路(API)变换为三相交流AC380 V交流输出。 蓄电池充电机(BCM)将DC670 V电压变换为DC110 V输出，电气原理拓扑图如图1所示。

图1 高中频辅助逆变器电气原理拓扑图

从图1可知，高频辅助逆变器的输入变换器由输入Boost变换器和谐振变换器组成，输入Boost变换器将变化的输入直流电抬升至一个恒定的高压直流电。恒定的高压直流为后面的谐振变换器谐振点的选取提供了良好的输入工况，有利于谐振变换器工作在零开关状态，谐振变换器无开关损耗；另一方面，随着电压的升高，谐振变换器的工作电流变小，可使谐振变换器的导通损耗减少，从而使辅助逆变器效率得到有效提高。

与工频辅助逆变器相比，高频辅助逆变器IGBT开关管的电压应力会更低，有利于选择低耐压、高性能的IGBT开关器件来进一步降低电路的损耗，在额定电压和额定负载工况下，传统的工频辅助逆变器效率一般为89%左右，高频辅助变流器效率接近94%，其效率高于传统辅助逆变器转换效率，效率对比图如图2所示。

图2 工频辅助逆变器与中高频辅助逆变器效率对比

从图2可知，本高频辅助逆变器较高的转换效率，对用户的最直接好处就是降低了损耗，降低了碳排放，提高了经济效益。

3 高频辅助逆变器控制设计

同时满足如下条件辅助逆变器将启动：高频辅逆变无故障；高频辅逆变输入电压满足DC1 000 V～DC1 800 V；高频辅逆变控制电源(DC110 V)有电。

满足如下任意条件，辅助逆变器将停机：高频辅逆变输入高压低于DC1 000 V并且持续50 ms；高频辅逆变控制电源(DC110 V)失电；高频辅逆变器无启动指令。

具体辅助逆变器正常启动/停止时序流程图如图3所示。

图3 高中频辅助逆变器启动/停止时序图

4 高频辅助逆变器轻量化设计

高频辅助逆变器相比传统的工频辅助逆变器，高频辅助逆变器具有轻量化的特点。在传统的工频辅助逆变器中，辅助逆变器的工作原理为：直接将输入高压DC1 500 V进行三相逆变，并通过工频变压器(AEB)隔离后输出车辆所需的三相AC380 V交流；对于直流DC110 V的输出，AC380 V三相交流电通过直流充电机进行变换，并经变压器隔离整理滤波后输出DC110 V，工频辅助逆变器电气原理拓扑如图4所示。

图4 工频辅助逆变器电气原理拓扑图

根据分析计算可知，在整个辅助逆变器部件中，磁性元器件不仅在重量上占有很大的比重，同时在体积上亦占有很大的比重。因此辅助逆变器的重量很大一部分集中在隔离输出变压器(AEB)的磁性铁芯上。根据变压器磁芯选型Ap法：

(1)

可知：变压器的Ap值(变压器的截面积与窗口面积乘积)与工作频率f成反比，而Ap值直接取决于所选变压器磁芯的大小，磁芯越大，Ap值越大。所以当工作频率越大时，所选的变压器所需磁芯越小，变压器重量就会越轻。同等输出功率情况下，由于采用高频技术，工作频率直接从50 Hz工作频率提升至20 kHz工作频率，根据计算，高频逆变器相比传统工频辅助逆变器重量轻50%左右。

另一方面，根据法拉第定律：

(2)

可知：在相同的输入电压情况下，变压器的绕线匝数N与工作频率f成反比，所以当工作频率越大时，所需的变压器匝数越少，即所需的导电线圈越少，变压器的重量也会越轻。

所以，当选用高频辅助逆变器方案后，所有的磁性元器件体积将大幅度减小，从而带动整个机箱体积的减小，进一步带来机箱重量的减轻。

综上可知，当辅逆变压器的工作频率由50 Hz提升至20 kHz时，其变压器只需要选择更小的磁芯，使用更少的导电线圈，其结果就是变压器的重量将大幅度降低，对整车的重量控制及设备布置都是一个极大的改善。

5 结语

本高频辅助逆变器顺利通过了各项设计评审及型式试验，及装车后的整车调试及相关的型式试验，试验证明该型号的高频辅助逆变器各项技术性能都符合设计要求，所有的试验和调试都达到了预期效果，通过了装车前专家评审、载客运营前专家评审，并于2021年2月完成了50 000 km载客试运营，期间各项性能情况良好，各指标满足设计要求，节能效果明显，给用户带来了直接的经济效益。2021年5月完成了专家评审，具备进一步推广的价值。