低噪高可靠辅助变流器设计及试验验证_饶东杰.pdf

产业与科技论坛2022年第21卷第24期Industrial&Science Tribune2022（21）24低噪高可靠辅助变流器设计及试验验证饶东杰刘永江赵清良王明魏周艳刘清李志杰刘呈宏熊辉明李泽庶【内容摘要】重点介绍了一款型号为 tPower AI5 型辅助变流器，该产品电路拓扑成熟，具有噪声低、冗余性好、可靠性高等优点，基于整车负载统计，设计容量为 160kVA，可适配不同编组列车，特别适合整车并联供电。对该变流器进行强度仿真，并完成所有型式试验，仿真和试验结果表明该款变流器的所有性能指标满足技术合同要求。同时文章详细阐述了低噪设计思路和方法，为其它风冷变流器研发提供了设计参照。【关键词】地铁列车;辅助变流器;并联供电;低噪设计【通讯作者】饶东杰(1988 12)，男，湖北天门人，株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通技术中心工程师，硕士;研究方向:城轨辅助变流器产品研发刘永江，赵清良，王明，魏周艳，刘清，李志杰，刘呈宏，熊辉明，李泽庶;株洲中车时代电气股份有限公司辅助变流器作为轨道交通地铁列车的核心装备之一，主要功能是将受电弓或第三轨受流器的高压直流电源转换为三相交流电源，给车辆的空调、空气压缩机、方便插座、电加热装置等交流负载供电1 2。随着技术的不断更迭，地铁车辆对辅助变流器产品的安全、可靠、舒适、维护等提出了更高的要求。株洲中车时代电气股份有限公司研发了一款型号为 tPower AI5、额定输出容量为 160kVA 的辅助变流器，该产品采用强迫风冷设计、低噪设计和成熟可靠电路设计，可以基于不同车型进行灵活编组，特别适合多台并联供电，其良好的乘车舒适性、便捷的维护性获得地铁业主青睐，并批量应用于国内多条地铁线路。本文将介绍 tPower AI5 型辅助变流器(以下简称“AI5 型辅助变流器”)产品的主电路拓扑、结构和特点，并重点阐述 AI5型辅助变流器的低噪、安全性设计理念和方法。一、电路拓扑如图 1 所示，AI5 型辅助变流器采用的二电平电压型直接逆变拓扑，其主电路成熟、简洁、可靠，主要由受电弓或受流器受电电路、高压输入保护电路、输入 LC 滤波电路、电容充放电电路、IGBT 逆变器电路、变压器隔离降压电路、交流输出滤波电路和信号检测保护电路等组成。输入电网电压经受电弓或第三轨受流器等受流装置、避雷器以及高压箱等保护装置后引入辅助变流器柜体，辅助变流器柜体的输入端设置有手动隔离开关(AQS)，高压直流输入经滤波电抗器(L1)、电容充放电电路(充放电电路由充电电阻 1、预充电接触器 KM2、短接接触器 KM1、直流支撑电容 Fc 和放电电阻 2 组成)后，送入二电平 IGBT 逆变器电路，逆变后输出 PWM 方波交流电压，紧接着再送入工频变压器(T1)进行电气隔离和降压，经变压器次边集成的漏感(L)和三相交流输出电容(ACC)滤波后获得谐波含量较低的正弦交流电压，输出三相四线制 380Vrms/50Hz 电压，其中单相电压为 220Vrms。图 1AI5 型辅助变流器主电路原理072022年第21卷第24期产业与科技论坛2022（21）24Industrial&Science Tribune基于地铁合同要求，AI5 型辅助变流器设计的主要技术参数如表 1 所示。表 1AI5 型辅助变流器主要技术参数技术参数名称技术参数指标要求标称输入电压DC1500V输入电压变化范围 DC1000V DC2000V输出电压3AC380(1 5%)V额定输出容量160kVA输出频率50Hz输出电压变化范围20%+15%(恢复时间 300ms)(负载中断、突变或网压跳变工况)过载能力120%(60s)，150%(10s)效率(额定工况)90%防护等级IP55冷却方式强迫风冷重量1150kg噪声70dB(A)(输出功率 70%，风机低速工况)65dB(A)(输出功率 70%，风机高速工况)距离柜体 1m 处，A 计权声压级测量冲击和振动满足 GB/T21563 规定的 1 类 A 级车体安装要求(一)电容充放电电路设计计算。电容充电电路由高压直流输入电压、直流支撑电容器(Fc)、充电接触器(KM2)、充电电阻(1)及短接接触器(KM1)等构成。电容放电电路由电容器(Fc)和放电电阻(2)构成。辅助变流器(SIV)经过受电电路后，先通过充电电阻(1)给电容器(Fc)限流充电，当其电压充电到 1000V 以上时闭合短接接触器(KM1)，对充电接触器(KM2)和充电电阻(1)进行短接，此电容充电方案可以降低电容器的冲击电流，提升电容寿命。电容放电方案通过对电容并联放电电阻(2)将电容电压放电到 50V 以下的时间小于 5min。(1)充电电阻依据以下公式设计选型:Ui=Us(1 et)式中:Ui 电容预充电完成后电压，单位 V，辅助变流器输入电压达到标准电压范围应当启动工作，这里取值为 1,000;Us 输入网压，单位 V，一般为 DC1500V 供电系统的标称输入电压，这里取值为 1,500;t 充电时间，单位 s，一般充电时间设置 1 2s，这里取值为 1;阻容乘积，为 1 Fc，1单位为，Fc 为支撑电容，单位为法拉(F)。计算并选型充电电阻 1为 230。(2)放电电阻选型计算:要求电容器上的电压在没有快速放电的情况下从 1,800V 降到 50V 时的时间 5min，依据以下公式计算:Uo=Um e300式中:Uo 电容放电完成后电压，单位 V，这里取值为 50;Um 最高持续输入网压，单位 V，根据标准，这里取值为 1,800;阻容乘积，为 2 Fc，2单位为，Fc 为支撑电容，单位为法拉(F)。计算并选型放电电阻 2为 20k。(二)IGBT 逆变器电路设计计算。IGBT 逆变器电路为二电平电压型逆变电路，输出为 PWM 波形交流电压，其基波频率为 50Hz。为提高了逆变电路可靠性和效率，IGBT 逆变器电路采用高度集成的模块化设计，该逆变器模块集成了直流滤波电容器、三相桥臂 IGBT 组件、翅片散热器、门极驱动单元、低感复合母排、温度继电器、电流检测传感器、光纤等器件。IGBT 开关器件选用按以下步骤进行，并相应计算整个IGBT 逆变电路的功率损耗。(1)不考虑变压器的功率损耗以及输出滤波电路功率损耗，在辅助变流器 2 倍过载工况，理论计算逆变电路流过 IG-BT 元件的最大基波电流 Ic max:Ic max=2 2 S3 Uc 式中:S 额定输出功率，单位 VA，这里取值为 160kVA;Uc 逆变电路输出基波线电压，单位 V，在 DC1500V供电网压下，考虑最低供电电压 1000V，同时采用提升直流电压利用率的 HISPWM(注入谐波按正弦规律进行脉冲宽度调制)控制技术，考虑一定的阻抗压降，Uc计算后取值为 640V;辅助变流器整机效率，这里取值为 0.9。计算可得逆变电路流过 IGBT 的最大基波电流 Ic max=453.55A。(2)确定 IGBT 的峰值电流 Icp:基于最大基波电流，选取1.25 倍 的 IGBT 电 流 安 全 系 数，计 算 Icp=1.25 Ic max=566.94A。(3)确定 IGBT 的电压等级:在最高输入网压条件下，考虑 IGBT 元件的关断过电压和 1.2 倍电压安全系数要求，理论计算得到 IGBT 额定电压值，根据市场高压 IGBT 产品的型号分类，确定合适 IGBT 电压等级。在二电平逆变电路中，辅助变流器标称输入电压为 DC1500V 时选用 3300V 电压等级的 IGBT 元件。由以上步骤(1)、(2)、(3)确定 IGBT 元件的电流和电压参数，选 定 合 适 的 开 关 频 率，AI5 型 辅 助 变 流 器 选 用FZ80033KF2C 开关元件。同时计算标称输入电压、额定输出功率等条件下 IGBT 逆变电路的功率损耗约为 4140W。(三)输出变压器、交流输出滤波电路设计计算。AI5 型辅助变流器输出变压器(T1)采用高漏磁变压器，在整个电路中起到降压、隔离和输出滤波的作用。该变压器次边集成了交流输出滤波电路所需的三相电感，联接组别为 Dyn11，能将逆变输出的 PWM 电压变换为三相四线制的 380Vrms/50Hz交流输出电压(基波)，并能对弓网输入高压与交流输出电压间进行电气隔离。研发过程中主要对变压器的额定功率、冷却方式、电压变比、温升、阻抗电压、噪声、负载损耗、重量、体积和安装方式等关键指标提出了具体要求，并进行了相应的试验验证。17产业与科技论坛2022年第21卷第24期Industrial&Science Tribune2022（21）24AI5 型辅助变流器交流输出采用成熟的 LC 滤波电路，该滤波电路主要由集成在变压器内部的次边漏感(L)和三相交流输出滤波电容器(ACC)组成，变压器次边的漏电感值由变压器的额定功率、电压变比和阻抗电压值等计算推导。采用三角形接法将三相交流输出滤波电容器接入主电路，为便于计算，将其转换为星形接法进行等效计算。三角形接法的每相容值 C 对应转换为星形的 3C，如图 2 所示。图 2交流输出滤波电容器等效电路转换LC 交流滤波电路的截止频率 f0由下公式计算:f0=12 L 3C截止频率 f0一般参照逆变器输出电压的基波频率 f1和开关频率 fs共同确定，选取原则为:LC 滤波的截止频率要求远大于交流输出的基波频率 f1，同时又要满足远小于 IGBT 开关频率 fs，一般选择截止频率 f0为 0.1fs0.4fs3，AI5 型辅助变流器交流输出的基波频率 f1为 50Hz，IGBT 开关频率 fs为1200Hz 2000Hz，这里计算得 fo取值范围在120 800Hz。二、产品特点(一)通用性好、结构布局优、维护便捷。如图 3 所示，AI5 型辅助变流器柜体为不锈钢长方体结构，柜体尺寸设计为 1650mm(长)1750mm(宽)540mm(高)。考虑到地铁车辆底部空间紧凑，为便于车下安装，该辅助变流器柜体在长度方向、宽度方向和高度方向相比已有产品均进行了大幅缩减，吊耳也可在车体行车方向和纵向进行配置，安装通用性好，能同时适应不锈钢车体、铝合金车体等各种地铁车辆不同安装形式。AI5 型辅助变流器所有可能需要维护的逆变器模块、控制单元、接触器、传感器等均布置于柜体两侧，维护人员在列车两旁打开柜门后就可以很方便维护、检修和更换，相较部分变流器需要车下部地沟维护，大大提升了维护的便捷性，降低了维护的难度。图 3AI5 型辅助变流器柜体布置图(二)系统供电冗余性好。AI5 型辅助变流器系统交流输出采用并联供电方式，一般采用 3 台及以上并联输出给AC380V 交流负载供电，相较传统的扩展供电方式，供电冗余性好、系统可靠性高、乘客舒适性高4。如图4 所示，以8 节编组列车为例，传统的扩展供电方式一般整车布置 2 台辅助变流器和 1 台扩展接触器，将列车的交流负载均分两单元，每台辅助变流器分别给单元列车的交流负载供电，单台故障时，通过扩展接触器的闭合，将正常端的交流供电引入故障单元负载。因单台容量设置较大会导致变流器体积、重量大，布置到 Tc 拖车，导致 Tc 轴重偏重，整车布局不如并联供电，而且如果单台辅助变流器发生故障，由于辅助系统容量下降一半，空调负载需要减载一半;如果两台辅助变流器发生故障，整车失去所有的交流供电，此时整车只能下线或清客，整车舒适型低且对运营影响大。如图5 所示，仍以8 节编组为例，并联供电方式一般整车布置 4 台辅助变流器和 3 台中压母线接触器(也可不设置)，将交流负载母线打断为 4 端，正常供电时 3 台母线接触器均闭合，4 台变流器并联输出给交流负载供电。故障模式，按以下方式执行:单台辅助变流器故障后，其它辅助变流器仍然满足整车交流负载使用需求，空调负载不用减载;发生两台辅助变流器故障，此时才需要空调负载进行相应减载;发生 3台辅助变流器故障，只有 1 台辅助变流器正常工作，所有空调负载减载，保留其它交流负载的供电，但整车不用下线或清客。从整车舒适性和运营可靠性而言，并联供电