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新型内燃机车辅助变流器模块的研制

发表时间：2020/7/2 来源：《电力设备》2020年第6期作者：李超罗国永黄长强

[导读] 摘要：提出了一种适应新型内燃机车辅助系统的交-直-交辅助变流器模块，模块内部集成了三相半控整流，三相逆变，系统预充电和变频启动等功能，解决了现有内燃机车采用齿轮箱调整辅发电机无法进行变压，变频控制负载输出的问题。

中车株洲电力机车研究所有限公司湖南株洲 412001

        摘要：提出了一种适应新型内燃机车辅助系统的交-直-交辅助变流器模块，模块内部集成了三相半控整流，三相逆变，系统预充电和变频启动等功能，解决了现有内燃机车采用齿轮箱调整辅发电机无法进行变压，变频控制负载输出的问题。文章主要阐述了整体结构设计，散热设计，驱动控制方案和预充电设计，并通过仿真进行了验证。
        关键词：内燃机车励磁和辅变变流器；交-直-交变流器模块；预充电回路；IGBT
        0 引言
        内燃机车在实际运用中，柴油机会在整个转速范围内运转，辅助变流器就一直在高谐波含量和宽范围的变频，变压的供电条件下工作。而且，冷却风机，空压机等负载存在启动力矩大，频繁启动/停止的特点，再加上内燃机车油污环境，恶劣的温度及风沙。使得以辅助发电机直接为负载供电的的内燃机车供电系统和采用变级调速的控制系统无法适应内燃机车传动系统的需要。所以在在这样的背景下，开发了新型内燃机车辅助变流器，不仅环保，清洁，损耗低，也使得输出电压更加稳定，波动性小。其广泛的应用将带来巨大的社会效益和经济效益。变流器模块是内燃机车辅助变流器的核心部件之一，它的研制将克服内燃机车上用接触器转换并控制柴油机提供的能量存在损耗大，故障率高，不便于控制，维修和替换困难等缺点，并在SVPWM脉冲触发下，输出稳定并适合电机负载的电压。
        1.主电路工作原理
        新型内燃机车辅变变流器系统电路原理图如下图1所示，包括5台AC-DC-AC（交-直-交）变流器（INV1～INV5）和1台AC-DC-DC充电机（BCC）。INV1、INV2变流器分别为2台冷却风扇供电，INV3、INV4变流器分别为2台空压机供电，INV5变流器为机车司机室空调、辅助变流器自身冷却风机及机车上生活用电交流设备供电；充电机为蓄电池及直流负载供电；牵引通风机由辅助发电机直接供电。其中BCC结构较为简单，本文将着重介绍为内燃机车不同功率和频率负载提供电源的INV1-INV5变流器模块：120kVA AC-DC-AC变流器模块。而AC-DC-AC变流器模块的主电路图如下图2所示；

        图1 内燃机车系统电路原理图

        图2   120KVA变流器模块主电路
        模块包括了预充电回路，三相桥式可控硅整流器，三相逆变器和驱动控制系统。通过预充电，启动三相桥式可控硅整流器，将辅助发电机提供的480V三相交流电转换为650V直流电压，然后通过三相逆变，将直流电压转换为不同输出频率和不同输出电压的三相交流电压。
        表1 AC-DC-AC辅助变流器模块技术指标

        1.1预充电和放电电路
        如上图1所示，辅助发电机通过充电电阻R1，R2，R3，进入充电控制板，对支撑电容C充电，控制板通过R21，R22监控电容C两端的电压，当电压达到阀值时，控制板提供控制信号给充电控制板，使其发出控制信号，驱动可控硅整流模块开通，进行整流模式，完成预充电。当辅助发电机停机时，电容C通过电阻R11放电，完成模块电压下降至安全电压。
        1.2逆变控制电路
        DC/AC电路采用两电平逆变电路，将整流出来6脉波的DC 650V的直流电转换为输出频率和输出电压不同的三相交流电，适应不同负载的负载。（通过控制板上对外的485通讯接口进行输出电压和频率的控制。）具体的输出如下表2所示
        表2 AC-DC-AC辅助变流器模块负载参数

        2.主要参数选型
        通过对表1和表2的分析，并考虑到温度补偿，电压波动，过载和电流，电压尖峰的影响，对AC-DC-AC的主要器件选型结果如下
        表3 AC-DC-AC辅助变流器模块主要元件参数

        3.新型内燃机车辅助变流器 AC-DC-AC变流模块设计
        3.1模块减振方案
        1）振动源及其影响
        模块支撑电容采用多个圆筒电容并联，常规的安装方式为前后安装板夹紧电容的方式，具体如下图3所示：

        图三常规电容安装方式
        但由于电容间存在高度误差，以至于整体夹紧后，某些电容还处于可移动状态，而电容又是通过母排连接IGBT，导致内燃机车运行过程中，电容通过母排，拉扯IGBT的端子，使得IGBT端子的绑定线脱焊或断裂。
        2）电容组件减振设计
        为了确保在振动过程中，电容不会拉扯IGBT导致出现故障，必须保证电容不可移动。采用了水平，垂直方向多点同时紧固的方法，具体如下图所示：将前挡板分为上挡板和下挡板，通过多个水平支撑杆和固定螺钉分别于后挡板对电容进行水平方向固定。然后上，下挡板之间再通过垂直支撑杆对电容进行垂直方向固定。解决了单个电容水平，垂直由于受力不均，导致出现位移的现象。

        图四优化后的电容安装方式
        3）振动试验验证
        将改进前后的AC-DC-AC模块进行振动测试，测试时IGBT端子位置的振动频谱图如下图所示：


        图五优化前，水平方向和垂直方向振动频谱图


        图六优化后，水平方向和垂直方向振动频谱图
        对频谱图中的数据进行提取，优化前后的测试数据如下表4所示，优化方案在谐振频率上有了显著的提高，而在振幅上有了明显的降低。证明优化方案能能起到减震作用。
        表4 优化前后方案振动频谱对比

        3.2模块总体设计

        图七 120KVA变流器模块结构图
        120KVA变流器模块的结构和三维模型如图7，图8所示。模块由型材散热器，IGBT元件，可控硅元件，充电电阻，7M电阻，充电控制板，支撑电容，温度继电器，电流传感器，IGBT驱动板，以及一套完整的控制单元，使整个系统具有完整的启动，驱动，控制，保护的功能。

        图八 120KVA变流器模块三维模块
        由可控硅元件，充电控制板，充电电阻，7M电阻和部分控制电路构成了模块的预充电回路及整流电路。它代替了由接触器，电压传感器，和控制板直接控制的传统模式，（此改进大大节省了模块空间，并极大的节约了模块的制造成本）使模块在接入110V控制电压后就可以进行正常的启动。
        模块上设置的温度继电器，实现了对模块温度的监控及保护，而安装的电流传感器，使系统具有过流保护及输出调节的功能。
        3.3模块控制方案
        本模块的控制单元分为两个部分，一个是控制并驱动可控硅的充电控制板（图4），它在中间支持电容充电完成后，对主电路的电压通过电阻分压，电容稳压，驱动可控硅开通。一个是集成了CPU控制单元和电源板的MINI控制平台（图5）。CPU控制单元由CPUB板与CPU扩展板叠成安装，而电源板与CPU扩展板则平铺在控制盒内，这样则充分的满足插件的散热性。它以DSP控制技术为控制系统的核心。具有对外部通信，产生SVPWM脉冲信号，接收并反馈各种故障信号然后进行保护等功能。

        图九充电控制板

        图十控制盒
        （一）充电控制板
        充电控制板实现了利用强电控制弱电来驱动可控硅的功能，此举大大简化了此插件的硬件结构，也保证了驱动的稳定性。在启动过程中，先通过充电电阻给中间支撑电容充电，当充电完成后，通过7M电阻检测，将电压信号传输给CPU板，然后由CPU板发出电压信号给充电控制板，是充电控制板通过内部电阻分压，电容稳压，将输入端的高电压转化成驱动可控硅的低电压。驱动可控硅开通。完成整个启动过程。
        （二）MINI控制平台
        MINI平台主要包括CPU控制单元和开关电源板，关联关系如下图5，CPU控制单元的主要电路功能模块有：AD采样、数字量采集、PWM脉冲、电平转换、RS232通信、实时时钟、故障记录以及与外部网络的RS485通信功能等等，扩展板的主要功能就是为CPU控制单元做过度接口，根据输入输出的要求完成信号连接，同时提供PLC与DSP之间的RS485通信功能。如图6所示

        图11 控制板电路
        开关电源板为CPU控制单元，IGBT驱动板来提供电源（外围电流传感器是先从驱动板上取电），是其能够正常工作，开关电源板的主要参数如下：
        取电方式：控制电源由蓄电池供电
        额定电压：DC74V
        电压范围：DC44.4V～103.6V
        3.4模块散热方案
        AC-DC-AC模块散热设计主要考虑的是安装在散热器上的功率开关器件IGBT和可控硅整流桥。各器件的工作参数如下表5所示。相对于常规内燃机车辅变系统，新型内燃机车辅助变流器功率开关器件更多，同时器件的开关频率也随之提高，导致器件的开关损耗也随之增加，此外，新型内燃机车辅助变流器的结构更为紧凑，对模块散热提出了更高的要求。
        表5 模块主要功率器件的工作条件

        1）可控硅三相整流电路的原件热损耗
        可控硅三相整流桥的损耗主要包括晶闸管的开关损耗和导通损耗和二极管的导通损耗，由于晶闸管只有在完成预充电后，会出现一次开关损耗。相对于导通损耗，可以忽略不计。后续只对二极管和晶闸管的导通损耗进行计算。
        二极管导通损耗为：
                    （1）
        式（1）中，为整流桥输出电流有效值。为整流桥二极管和晶闸管的导通压降。
        2）三相逆变电路的原件热损耗
        三相逆变电路的原件损耗主要包括IGBT的开关损耗和导通损耗、并联的二极管的导通损耗和关断损耗，由于关断损耗与器件漏电流和承受的反压有关，只能通过试验测试得到。相关损耗计算如下：
        IGBT开关损耗为
                      （2）
        ‚IGBT导通损耗为
                （3）
        ƒ二极管导通损耗为
                  （4）
        式中，为器件开关频率，为器件开通损耗。为器件关断损耗。D为占空比。为IGBT导通压降。为三相逆变输出电流有效值。为IGBT并联二极管的导通压降。
        综上所述，AC-DC-AC模块器件损耗计算结果如下图6所示。
        表6 AC-AC模块器件的损耗

        根据表6中的损耗计算结果，进行散热仿真，设定模块进风口风速为6，由于选用的型材散热器，散热器翅片与基板的接触热阻可忽略不计。仿真结果如下图12所示。


        图12 散热仿真温升和风压降结果
        根据仿真测试，模块最高温升为25.9K，远远低于系统要求的散热器台面温升45K的标准。分析器件芯片的最高结温，根据导热硅脂的接触热阻为0.009K/W，IGBT的结壳热阻为0.051K/W，二极管的结壳热阻为0.087/W，最后计算的IGBT最高节温为77.2K，而二极管的最高结温为81.7K。都低于器件的标准结温。评估可以满足器件和系统的要求。
        4.结语
        120KVA变流器模块是内燃车变流器的核心部件之一，它将直接影响变流器能否正常，稳定的运行。变流器的模块是具有完全自主知识产权的模块平台化产品。其紧凑的布局，完整的启动，驱动，控制，保护功能，保证了模块在整流，逆变过程中的稳定，高效。而模块的易于拆卸和安装的优势，也使得产品在售后维护和改进升级等方面有着较大的优势。目前120KVA变流器模块已在巴基斯坦内燃车，伊拉克内燃车，泰国内燃车等项目上广泛使用，并运行良好。各方面都满足要求。
        参考文献：
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