一种混合动力动车组牵引变流器

一种混合动力动车组牵引变流器

孙亚运

（株洲中车时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001）

摘要：详细介绍了一种混动动力动车组牵引变流器的工作原理、主电路、主要电气参数及总体结构，重点分析了该牵引变流器的技术特点。通过仿真及试验，表明该型牵引变流器的可行性。

关键词：混合动力；动车组；牵引变流器；内燃

引言：

随着社会经济和科学技术的发展，促进油田开采工程项目体随着轨道交通行业的发展，轨道交通车辆越来越迫切地需要混合动力系统来满足轨道交通特殊的工作环境。传统电力和内燃发电相结合的混合动力是目前比较理想的选择。牵引变流器作为混合动力动车组电气牵引传动系统的核心部件，直接影响混合动力动车组的性能。本文详细阐述了一种混动动力动车组牵引变流器的工作原理、主电路、主要电气参数及总体结构，重点分析了该牵引变流器的技术特点。

1牵引变流器主电路及工作原理

1.1牵引变流器主电路

牵引变流器主电路见图1，图中牵引变流器双点划线框内包含的部分为其主电路。牵引变流器主要包括1台四象限整流模块，2台VVVF逆变器模块，1台三相全桥可控整流模块，1台辅助逆变器模块，1台DC110V充电机模块，每台VVVF逆变器模块驱动两台牵引电机。

图1牵引逆变器主电路图

1.2工作原理

如图1所示，AC25kV供电方式，牵引传动系统采用“交-直-交”变换，牵引变压器将从电网得到的25kV单相交流电转换为AC970V，作为整流模块的输入，经整流后转换成直流电，牵引变流器的逆变器将直流电逆变成频率及电压可变的三相交流电，给一个转向架上2台（1台）异步牵引动电机供电，实现动车的牵引。电制动工况时，牵引电动机作为发电机使用，将动车的动能转化为电能输入至牵引变流器中间直流环节，再经四象限整流器单相逆变后通过牵引变压器、受电弓反馈回电网。电气牵引系统的辅助逆变器从牵引主回路的中间环节取电，输出三相四线的AC380V/50Hz，充电机从辅变三项滤波输出取电，输入电压3AC380V，输出DC110V。

柴油机动力包供电方式，内燃模式下，柴油机带动永磁发电机，永磁发电机发出的电通过三相交流接触器，经三相全桥可控整流模块稳定中间直流回路电压，牵引变流器的逆变器将直流电逆变成频率及电压可变的三相交流电，给一个转向架上2台（1台）异步牵引动电机供电，实现动车的牵引；电制动工况时，牵引电动机作为发电机使用，将动车的动能转化为电能输入至牵引变流器中间直流环节，先给辅助逆变器供电，剩下通过制动电阻消耗；电气牵引系统的辅助逆变器从牵引主回路的中间环节取电，输出三相四线的AC380V/50Hz，充电机从辅变三项滤波输出取电，输入电压3AC380V，输出DC110V。

2主要技术参数

1）四象限脉冲整流器

输入电压：2×AC970V/50Hz

额定输入电流：2×722A

额定效率：约98％

2）三相全桥可控整流器

输入电压：三相600～1350V

输入最大功率：660.7kW

最大输入电流：378A

3）中间直流环节

标称直流电压：DC1500V/DC1800V

4）VVVF逆变器

标称输入电压：DC1500V/DC1800V

输出电压：三相AC0～1404V

额定输出电流：2×360A

5）辅助逆变器

标称输入电压：DC1500V/DC1800V

输出电压（降压滤波后）：AC380±5%V

输出频率：50±1Hz

额定输出容量：205kVA

6）充电机

标称输入电压：三相AC380V

输出电压：DC110V

额定输出容量：25kW

7）其它参数

冷却方式：强迫水循环冷却

变流器效率：≥96%

外形尺寸：3900mm×2300mm×672mm（长×宽×高）

重量：≤3050kg

3总体结构及技术特点

牵引变流器机械接口如图2所示，满足主机厂车底布置和车辆限界的要求，机械连接部位有足够的强度冗余，能够满足各种线路的运营，并留有维修空间。

图2牵引逆变器外形图

3.1预充电及短接

电力模式下，由充电接触器KM3和功率电阻R1组成充电支路，变流器启动时，DCU控制KM3闭合，电网通过充电电阻向支撑电容Cd预充电，然后DCU控制KM1、KM2闭合，断开充电支路，由电网对变流器直接供电；内燃模式下，通过DCU控制在永磁发电机送电前闭合KS1，利用永磁整流模块的二极管整流进行充电。

3.2快速放电及固定放电

快速放电：主逆变模块中的斩波IGBT元件和制动电阻构成支撑电容器快速放电电路，故障保护或停机时，由DCU控制斩波IGBT元件将支撑电容上的电荷通过制动电阻快速放电。

固定放电：R3～R10为固定放电电阻，支撑电容通过R3缓慢放电。

3.3接地故障检测

通过中间回路半电压电压传感器VH1和全电压电压传感器VH2、VH3的检测，DCU对所采集的两个电压信号进行比较，如果两者差值超出预定值，则会发出报警信号或者控制主断路器跳开。

3.4电压电流检测

电压传感器VH1用于检测中间回路半电压，VH2和VH3用于检测中间回路全电压，VH7、VH8用于检测经辅助变压器降压滤波后的辅助系统电源电压，VH7、VH8用于检测辅助系统电源母线电压。

电流传感器LH1和LH2用以检测交流输入侧电流、LH5、LH8分别检测电阻制动斩波电流，LH3、LH4检测主逆变模块1输出电流，LH7、LH8检测主逆变模块2输出电流，LH9～LH11检测辅助逆变模块输出电流，LH12、LH13检测内燃发电机输出电流。

3.5单相四象限整流

采用一个IGBT单相四象限整流模块。一个四象限整流模块包括8个IGBT元件；模块中还集成了温度继电器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元等器件，具备过压、过流和过热保护功能，采用水冷散热。

3.6三相全桥可控整流

采用1个IGBT三相全桥可控整流模块。一个三相全桥可控整流模块包括6个IGBT元件；模块中还集成了温度继电器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元等器件，具备过压、过流和过热保护功能，采用水冷散热。

3.7牵引逆变

采用两个IGBT主逆变模块，每个模块驱动一个转向架上的两台电机。一个主逆变模块包括8个IGBT元件，其中6个作为三相逆变器的三相桥臂，另外2个作为电阻制动/过压斩波桥臂；主逆变模块中还集成了温度继电器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元等器件，具备过压、过流和过热保护功能，采用水冷散热。

3.8辅助逆变

采用一个辅逆变模块，辅逆变模块集成了6个IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂。

3.9辅助降压和滤波

辅助滤波变压器将辅助逆变模块输出的3相交流电降压为3相380V/50Hz，经过3相滤波电容器滤波，为列车提供辅助系统电源。

3.10故障诊断、保护、记录

模块级：各模块内部均设计有元件级的过压、过流诊断和保护功能，以及过热保护功能、并具有自恢复功能；模块过热、元件故障等信号送DCU进行牵引变流器级保护。

牵引变流器级和传动系统级：变流器内配置各种检测传感器、信号电缆及接口；DCU进行故障诊断、保护和记录。DCU实现的保护功能如下：直流输入过流保护；主逆变输出过流保护；电网电压过压、欠压保护；直流输入瞬时过电压保护；IGBT元件故障保护；主回路接地保护；电机缺相、过热保护；主、辅逆变模块过热保护；制动电阻过热保护；列车超速保护；直流输入电流差动保护；接触器等部件故障保护；辅助逆变器输出过流、过压、接地保护；辅助变压器温升过高保护；辅助逆变器输出三相不平衡保护。

3.11冷却系统

牵引变流器采用强迫风冷水循环冷却。通过水泵使冷却液在管路系统中持续循环，冷却液经过各个功率模块冷却板吸收功率元件散发的热量，进入热交换器后通过冷却风机转动将热量散入大气中，具有冷却效率高、体积小、使用清洁、维护简单、不受环境影响等特点。

4结语

本牵引变流器采用电力和内燃两种供电制式对牵引电机供电，可以满足不同的应用需求。通过联调试验表明，该牵引变流器各项技术性能指标达到技术条件的要求。目前该款产品已完成联调试验，并为后续混合动力牵引变流器的开发及批量应用奠定坚实基础。

参考文献

[1]樊运新，高殿柱.双源制电力牵引调车机车的研发[J].电力机车与城轨车辆，2012（9）.

[2]李华，荣智林.城际动车组主辅一体变流器的开发[J].机车电传动，2015（06）.