《CRH6AA型短编城际动车组牵引变流器设计》
本文是变流器和动车组类本科论文怎么写和动车组有关论文写作参考范文.
摘 要：短编（通常为 4 辆）城际动车组相较于标准 8 辆动车组动车数较少,牵引变流器故障损失动力时会对车辆运营造成更严重的影响.首先介绍一种采用主辅充一体化设计理念的大功率水冷牵引变流器,包括其主电路设计、工作原理和总体结构.然后对可单重运行四象限整流器、冷却系统等重点技术进行分析.试验与实际运营表明,该牵引变流器的技术性能能够满足大功率短编城际动车组的应用要求.
关键词：城际动车组;短编;牵引变流器;一体化设计;单重四象限
中图分类号：TM46
城际动车组是在继承高速动车组技术平台的基础上,融合了地铁车辆技术,具有“速度快、起停快”等特点,能有效满足城市群内的快速通勤需求.同时,许多城市群客流量较小,而又同样具有快速通勤需求,若运营使用标准8辆编组动车组不免浪费运能,增加運营成本,因此短编城际动车组应运而生.使用短编动车组既可以充分利用运能,又可以缩短发车间隔,满足用户需求.短编动车组也可以重联运行,单次载客量加倍,满足部分城市群大运量的需求.与现有标准8辆编组动车组不同,短编动车组动力车数少,一旦有动车损失动力,列车会降速运行甚至停车,严重影响列车到达的准点性,甚至会影响其他车辆的运行.近年来,大功率牵引变流器一体化设计成为交流传动变流器的发展方向.此外,随着车辆技术的日益成熟,牵引变流器的设计可靠性、可用性和可维护性要求日益提高.结合城际动车组的特点,本文将介绍最新研制的采用主辅充一体化设计的大功率水冷牵引变流器.
1 主电路设计与工作原理
1.1 主电路设计
牵引变流器采用一体化设计方案,即牵引变流器系统将牵引变流器、水冷装置、辅助逆变器和DC110V充电机一体化集成在同一箱体内.牵引变流器主电路原理图如图1所示.
牵引变流器主要由预充电回路、四象限整流器模块、牵引逆变器模块、辅助逆变器模块和充电机模块组成.四象限整流器模块与逆变器模块共用中间直流1800 V母线,2个四象限整流器模块和2个牵引逆变器模块均可独立运行.辅助逆变器模块与牵引逆变器模块统型化设计,可等同替换.此外,牵引变流器还设有无火回送和充电机应急启动功能.
1.2 工作原理
25 kV交流电从受电弓引下后,经过牵引变压器降压为AC 970 V进入牵引变流器.四象限整流器将变压器副边交流电整流为DC 1 800 V,2个四象限整流器互相错开一定的相位角度,减小对电网的谐波污染.2个四象限整流器的直流输出环节并联,再经牵引逆变器逆变成电压和频率均可控制的三相交流电以驱动电机.再生制动工况时,牵引电机处于制动发电状态,通过四象限整流器向电网馈电.辅助逆变系统从中间直流环节取电,将其逆变为三相380 V/50 Hz交流电,为列车中压负载供电.整列车2个辅助系统采用并网控制,全列贯通3AC380 V母线.充电机模块将3AC 380 V整流为110V直流电给整列车低压负载和蓄电池组供电.
当牵引变流器发生故障需救援时,可通过启动无火回送模式为辅助负载供电.无火回送电源模块将DC110V蓄电池电变换为DC 600 V,为牵引电机励磁.在施救车辆的拖动下,牵引逆变器进行制动发电将中间直流电压抬升至DC 1 800 V并稳定运行,使辅助系统可正常工作,保证乘客的基本需求.
当车辆蓄电池亏电时,可通过车间供电插座外接3AC 380 V电压,采用司机室按钮激活应急启动模式,此时牵引变流器应急启动电源输出DC 110 V电压供充电机控制器使用,从而启动充电机,为整车低压负载供电.
牵引变流器各子系统主要技术参数如表1所示.
2 结构设计
牵引变流器整体通过14个M20螺栓吊装在车体底部,箱体采用SUS 304不锈钢材质,框架为型材焊接,蒙皮为塞焊结构,底部门板采用不锈钢保险丝防松措施,整机质量为3 200 kg（±100 kg）.牵引变流器结构设计如图2所示.
牵引变流器箱体总体结构设计遵循高低压电路分离设计的原则,并结合输入输出的电气接口进行了布局优化.总体划分为高压区、中压区、低压区、控制器区、冷却系统区和检修维护区.其中,高压区主要包括主电路中的预充电回路（2,3）、四象限整流器模块（4,5）、中间直流环节电路（6）、牵引逆变器模块（7,8）以及辅助逆变器模块（91）.中压区主要包括工频变压器（93）和三相交流滤波电容（94）.低压区主要包括充电机模块（11）和应急启动电源模块（12）.控制器区主要包括牵引控制器及其对外连接器.冷却系统区主要包括风机、水泵、热交换器、过滤器、过滤网、水箱及传感器等.
考虑到可维护性,牵引变流器设计大面积的检修维护区,方便从箱体底部（无须拆卸裙板）进行检修维护,提高检修维护效率.而维护频率较高的进风口滤网底部采用卡槽固定,维护时只需拆除顶部的M8螺栓,方便快捷.
牵引变流器箱可分为开放腔（IP20）和密闭腔（IP65）,如图3所示.图3中黑框所围腔体为开放腔,其余腔体为密闭腔.根据冷却系统的功能分布,可将冷却系统分为外循环冷却系统和内循环冷却系统,其中外循环冷却系统位于开放腔内,内循环冷却系统位于密闭腔内.
3 重点设计技术
3.1 可单重运行四象限整流器设计
若中间直流环节发生短路故障,中间直流环节并联的牵引变流器会整机停止工作,而中间直流环节完全独立的牵引变流器则可保留一半动力运行.事实上,牵引变流器密闭腔的防护等级设计通常不小于IP54,且中间直流环节采用复合母排连接,因此发生中间直流环节短路故障的概率较小.对于中间直流环节独立的牵引变流器,由器件增加所带来的器件故障率增加却难以克服.
要使牵引变流器可单重四象限独立运行,首先需对牵引变流器主电路进行优化设计,使其具备可单重四象限运行的硬件基础,即2个四象限整流器模块、2个牵引逆变器模块、1个辅助逆变系统共用中间直流电压回路,同时2个四象限整流器模块可以独立控制;此外,每个四象限整流器模块设有自己独立的预充电回路,使得某一重四象限整流器发生故障后,另外一重可重新预充电启机.
在可单重四象限运行的牵引变流器中,2个四象限整流器模块采用主从并网切换的控制策略,根据车速滞环调节.其中一重四象限整流器模块设计为主四象限模块,二重四象限整流器模块设计为从四象限模块.当2个四象限整流器模块均无故障时,车辆启动后由主四象限模块单重运行.当车速超过10km/h后,由主四象限模块单重运行切换为2个四象限整流器模块并网运行;当车速小于7km/h时,由2个四象限整流器模块并网运行切换为主四象限模块单重运行;若主四象限模块有故障,变流器自动切换为从四象限模块运行.
车辆正常运行且车速超过10km/h时,2个四象限整流器模块并网运行.此时若单重四象限整流器模块发生故障,则牵引变流器由2个四象限整流器模块并网运行切换为单重四象限整流器模块运行,不需要牵引变流器斷电重新启机.此故障处理方案能够最大限度地保持车辆动力,同时允许辅助系统满载工作,从而最大限度地满足乘客和运行需求.单重四象限整流器的故障处理流程如图4所示.
3.2 水冷 + 风冷复合冷却系统设计
CRH6A-A型城际动车组牵引变流器冷却系统包括水冷系统和风冷系统,水冷系统以其散热效果优异、安全、环保、节能等优点,在牵引变流器中得到广泛应用.水冷系统的冷却介质是由工业纯水和乙二醇及其他添加剂按一定比例混合而成的冷却液,可在-25℃的低温下正常工作不冻结.CRH6A-A型城际动车组牵引变流器冷却系统主要器件包括空气过滤器、外循环热交换器、外循环风机1和2、内循环热交换器、内循环风机、水箱、水泵、功率模块水冷板、传感器（压力传感器、温度传感器、液位传感器）,以及管道、阀门、接头等连接件.
如图5所示,内循环热交换器、内循环风机、功率模块水冷板及相关管道位于密闭腔内组成内循环冷却系统.外循环热交换器、外循环风机1和2、水箱、水泵及相关管道位于开放腔内组成外循环冷却系统,独立于密闭腔内电气模块,减小了管路故障对电气件的影响.外循环冷却系统和内循环冷却系统通过管道内部连通.
低温冷却液由水泵泵出,输送到功率模块水冷板及内循环热交换器.冷却液通过水冷板带走功率模块产生的热量,密闭腔内的空气在内循环风机的作用下在箱体密闭腔内循环,经内循环热交换器将热量传递给冷却液.吸热后的冷却液通过循环管路进入外循环热交换器,将热量传递给空气,并在外循环风机作用下,最终将热量排出设备外部,然后冷却液回到水泵入口.通过这样的循环,冷却液作为中间介质最终将功率模块和其他发热器件产生的热量带到设备外部,保证功率模块的正常工作温度.
4 试验波形
4.1 主从四象限整流器并网切换试验波形
车辆启动运行和制动减速时的主从四象限整流器并网切换波形如图6所示.车辆启动运行时,主四象限整流器启动运行,主四象限整流器输入电流如图6中灰色线1-2所示.当车速超过10 km/h后,从四象限整流器启动运行,从四象限整流器输入电流如图6中红色线1-3所示,运行切换点如图6中光标（Cursor）A处.当车辆制动减速,且速度小于7 km/h后,从四象限整流器停止运行,主四象限整流器单重运行,运行切换点如图6中光标（Cursor）B处.车速如图6中蓝色线2-2所示,中间直流母线电压如图6中绿色线3-2所示,逆变器输出两相电流如图6中灰色线3-1和红色线2-4所示.
由图6可知,根据车速滞环调节的2个四象限整流器采用主从并网切换的控制策略,切换过程平滑,母线波动小.这不仅可以减小绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率损耗,还可以有效利用四象限整流器的设计能力降低整机故障率.
4.2 单重四象限整流器故障试验波形
车辆正常运行且车速超过10 km/h时,一重四象限整流器出现故障时的牵引变流器工作试验波形如图7所示.Cursor A处一重四象限整流器模块过热故障,封锁一重四象限整流器脉冲,二重四象限整流器继续运行,然后封锁一个牵引逆变器脉冲.另一个牵引逆变器正常工作,辅助系统正常工作.一重四象限整流器输入电流如图7中黑色线1-2所示,二重四象限整流器输入电流如图7中红色线1-3所示.中间直流母线电压如图7中蓝色线3-2所示,始终维持DC1800V,第二个牵引逆变器输出的两相电流如图7中红色线2-4和绿色线3-1所示.
由图7可知,同时运行的2个四象限整流器,在其中一重四象限整流器发生故障后,另一重四象限整流器工作正常,对应的牵引逆变器工作正常,故障切换过程平滑,母线波动小.因此,该控制策略可以有效减小单个四象限整流器故障或预充电回路故障后的影响,从而可以充分保留车辆动力.
5 结论
CRH6A-A型城际动车组采用了先进的一体化牵引变流器设计理念,应用了先进的主从四象限并网技术和水冷+风冷的复合冷却系统技术,已批量应用于中国铁路成都局集团有限公司运营的成灌线、成雅线.试验和实际运营表明,牵引变流器的技术性能可满足大功率城际动车组的应用要求.同时,牵引变流器的设计结合了短编城际动车组的特点,在车辆发生故障时能够最大化地保留车辆动力,保证乘客的基本需求.
参考文献
[1]丁叁叁,张忠敏,何丹炉,等. 城际动车组总体技术设计[J].机车电传动,2014（6）：10-15.
[2]罗昭强,尚大为,韩东宁. 复兴号动车组牵引系统参数分析[J].大连交通大学学报,2019,40（2）：113-116.
[3]姜东杰. CRH3型动车组牵引传动系统[J].铁道机车车辆,2008,28（z1）：95-99.
[4]羊利芬,曾明高,李小文,等.辅助变流器控制装置研究[J].现代城市轨道交通,2019（9）：57-60.
[5]朱琴跃,王俊哲,刘爱雷. CRH1与CRH2动车组牵引变流器性能比较与优化[J].计算机工程与应用,2013,49（21）：255-261.
[6]杨显进. CRH5牵引变流器的研究[D].四川成都：西南交通大学,2009.
[7]李仕栋,陈乐恒,符建民,等. 架控式牵引系统在城际动车组中的应用[J].机车电传动,2016（5）：81-84.
[8]马大炜. 沪宁城际铁路动车组选型研究[J].现代城市轨道交通,2005（3）：1-4.
[9]潘庆建. CRH2型动车组牵引变流器装置的设计与应用[D].上海：上海交通大学,2018.
[10] 章志兵,荣智林,姚中红.城际动车组交流传动系统[J].机车电传动,2015（5）：6-11.
[11] 江伟,张薇琳,杨展. 地铁车辆逆变器预充电回路故障处理[J].城市轨道交通研究,2016,19（8）：104-105.
[12] 苟斌. 电力牵引变流器故障诊断与容错控制技术研究[D].四川成都：西南交通大学,2016.
[13] 徐广伟. CRH2型动车组持续250km/h运行电气性能分析[J].现代城市轨道交通,2011（4）：18-20.
[14] 张龙燕. 大功率机车牵引变流器液冷装置设计方法及传热性能研究[D].湖南长沙：中南大学,2014.
[15] 曾云峰,姚磊,何凯,等. 基于计算流体力学的电力电子牵引变压器热分析[J].大功率变流技术,2017（4）：92-95,100.
[16] 丁杰,李江红,陈燕平,等. 流动状态与热源简化方式对IGBT水冷板仿真结果的影响[J].机车电传动,2011（5）：21-25.
[17] 余小玲,张荣婷,冯全科. 大功率模块用新型冷板的传热性能研究[J].电力电子技术,2009,43（12）：79-81.
[18] 李建涛. 城轨车辆牵引电传动系统冷却产品技术现状[J].铁道机车与动车,2017（4）：1-4.
[19] 姜冬. 高速电动车组冷却技术及产品的现状和发展[J].内燃机车,2011（7）：1-7,17,55.
[20] 丁杰. 电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析[J].铁道机车车辆,2014,34（4）：8-13.
[21]胡建辉,李锦庚,邹继斌,等. 变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报,2009,24（3）：159-163.
[22]侯韵卿. 德国160km/h模块化动车组[J].现代城市轨道交通,2007（6）：77-80,84.
收稿日期 2020-03-07
责任编辑 党选丽
Design of CRH6A-A short consist intercity EMU traction converter
Jia Zhijun, Du Guangqun, Bao Qingchen
Abstract： The number of short consist （usually 4-car） intercity EMUs is less than that of the standard 8-car EMUs, and the loss of power due to traction converter fault will cause more serious impact on vehicle operation. Therefore, this paper introduces a high-power water-cooled traction converter which adopts the integrated design concept of main and auxiliary charging, including its main circuit design, working principle and overall structure. It further analyzes the key technologies such as single operation four quadrant rectifier and cooling system. The test and practical operation show that the technical performance of the traction converter meets the application requirements of high-power short consist intercity EMU.
Keywords： intercity EMU, short consist, traction converter, integrated design, single quadrant
基金項目：国家重点研发计划——轨道交通列车高效变流装置（2017YFB1200900）
作者简介：贾智军（1985—）,男,高级工程师
本文结束语:上文是一篇关于动车组方面的相关大学硕士和变流器和动车组本科毕业论文以及相关变流器和动车组论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
变流器和动车组引用文献:
[1] 变流器和动车组论文范文检索 关于变流器和动车组方面论文写作参考范文2万字
[2] 动车组论文范文 动车组类在职研究生论文范文2万字
[3] 动车组论文范文 动车组方面有关研究生毕业论文范文2万字
