DC750V集成式牵引变流器平台方案设计

高翔

重庆轨道交通集团有限公司，重庆 400015

目前国内城轨市场上国外牵引电传动系统供应商如庞巴迪、阿尔斯通、西门子、日立等均早就设计生产出大集成式牵引变流器。国内牵引电传动系统供应商也逐渐从原来老一代的分散式变流系统向集成式方向发展。集成式牵引变流器更有利于产品的平台化、模块化，能有效减少牵引变流器与车辆之间的电气接口和机械接口，能减少车辆为悬挂各设备而增加的横梁，减轻自身车重，另外通过合理的布局和设计使得牵引变流器能在降重、减噪方面有巨大优势。

整个集成式牵引逆变器严格依据相关国际标准、国家标准、行业标准以及企业标准进行设计生产，从结构和电气性能等方面进行仿真分析和试验，不断的修改完善，以期望能达到最优的配合[1]。

1 整体性能要求

输入电压：DC750V（500～900V）

额定输出容量：2×450kVA

输出电压：0～585V

输出频率：0～160Hz

启动输出最小频率：0.1Hz

开关频率：500Hz

标称输出电流：2×446A

牵引最大输出电流：2×656A（有效值）

制动最大输出电流：2×824A（有效值）

额定工作点效率：0.98

防护等级：IP55

过压抑制斩波开关频率：300Hz

过压抑制斩波最大电流：720A

控制方式：VVVF直接转矩控制

体积：2104mm×1600mm×605mm（L×W×H）

重量：≤820kg

冲击和振动：满足IEC61373-2010中1类A级要求

冷却方式：热管走行风冷

噪声：≤75dB（除地面外，所有面距箱体表面1米处平均噪声）

绝缘电压：高压回路对控制回路、地，AC4800V/50Hz，1min

控制回路对地，AC1500V/50Hz，1min

2 主电路设计

DC750V牵引系统车控和架控模式主电路主要元器件代号说明如表1。

表1 器件代号

电路简要说明如下：

DC750V高压电源从受流器/受电弓送到输入：一路经主隔离开关MQS、快速熔断器FU1、高速断路器HB1、电流传感器LH1、充放电回路（KM1、KM2、R1），到电抗器L，再到两个逆变器模块INVMK1、INVMK2，最后通过模块输出侧电流传感器到牵引电机；另一路通过经跨车供电接触器BLB、高速断路器BHB后输出。

各部件及其功能说明：（1）MQS与MQS1连锁，MQS为主开关，MQS1为辅助开关，用于支撑电容放电。（2）FU1熔断器配合高速断路器HB1对主电路进行保护，高速断路器具有瞬时脱扣过流保护和整定值保护功能。FU1用于对严重短路接地故障时分断后续电路。（3）LH1和LH2用于主回路的输入和输出电流检测，逻辑控制单元通过比较主电路输入输出电流，可以判定后续电路是否有短路或者接地故障，起保护作用。（4）VH1、VH2分别测量直流侧网压和中间回路支撑电容两端电压，其检测信号用来对输入欠压、过压、中间直流过压，欠压等情况进行保护。（5）KM1、KM2、R1构成充电短接回路。HB闭合后，司机室方向手柄离开零位时，短接接触器KM2闭合，通过电阻R1给中间支撑电容充电，正常情况下KM2闭合3s后闭合KM1接触器，并延时断开 KM2，充电过程完成。（6）LH3、LH4、LH5、LH6分别测量逆变器交流输出侧电流，其信号用于各种保护，如逆变过流、输出三相电流是否平衡等。LH7、LH8用于斩波电流检测。（7）支撑电容C放电分三级：斩波管斩波快速放电、固定放电电阻R2放电、隔离开关MQS1与R1回路放电。（8）INVMK1和INVMK2为核心部件，变流器模块，其中支撑电容C集成在其中，并且模块上预埋了温度继电器，用于过温保护。（9）电抗器L为系统储能和平波用，可以减少系统震荡冲击，但本集成式逆变器不包含电抗器。（10）制动电阻BR为系统电制动能量消耗设备，也不在本方案范围以内。

3 关键元器件设计选型

3.1 变流器模块

变流器模块作为变流器的CPU，其关键性不言而喻。本方案选用应用成熟的IBCM60G1（TE003X000000） 型模块，其专为DC750V系统设计，在北京地铁房山线、昆明地铁首期工程、马来西亚安邦线、天津地铁2号线增购车都有应用业绩。

3.2 高速断路器

高速断路器HB和HB1选用瑞士SECHERON公司的UR6-31产品，为电磁保持空气断路器，顶端带灭弧罩，过流脱扣可按实际需要在允许范围内调节。参考型号：UR631TD-ZZZZZE1EDN2ids=2650A。主要参数见产品手册。

3.3 电流传感器和电压传感器

传感器选型时需先考虑所使用的传感器的测量原理是否满足需求，根据预估被测量量的大致范围定传感器额定值，再选择传感器及其接线的安装方式等。

根据DC750V系统的额定电压电流，本方案选择NT1000C-S/SP3型电流传感器，NCV1-1500/SP3型电压传感器。具体参数见器件手册。

3.4 固定放电电阻

沿用老平台产品器件，组件图号：TE325-230000。电阻型号为RX24-300W-A/3K±5%。一个组件上两个电阻元件串联使用。

3.5 充电电阻

充电电阻选用RXQ-S-750W-A-65RJ。车控模式时，时间常数 τ=RC=65×8.6×10-3=0.559s，3τ=1.677s，C=4300μF。

3.6 接触器选型

短接接触器：根据额定发热电流、操作频率、灭弧防护、控制电源。

4 三维结构设计

4.1 整体结构设计

图1 前视图

图2 后视图

图3 测视图

整体结构设计如图1、图2、图3所示，两个变流模块分别布置在柜体两侧，中间留有接线盒检修空间（600mm），通过6个吊耳用M16的高强度螺栓与车体连接。柜体一共设有8个活动和半活动门，用于组装，维护。其中DCU门1、BHB门2、HV门3、模块2后门5、模块1后门6、门7为全活动门，方便维护。高压电源输入门4、门8为螺栓安装的半活动门，主要用于不常开启的位置。

4.2 关键元器件布局

主要高压元器件都以铜母线方式连接，部分位置使用电缆进行连接，控制插头和以太网接口布置在DCU上方。

4.3 设计优化

4.3.1 模块化、兼容性设计

整体采用兼容性设计：DC750V集成式牵引变流器平台，兼容车控和架控模式，预留了架控接触器安装空间和接口，只需稍作变形设计，即可作为架控变流器使用；DC750V平台，兼容DC1500V变流器，只需对变流器模块进行同系列更换，将HB更换为UR6-32型即可，同时去除不需要的部件。

4.3.2 模块化设计

尽可能采用模块化设计思想，将零碎可继承部件继承在一起，然后再进行组装，方便统型和维护。

4.3.3 优化接口

将原高压箱和其他高压部件和逆变器继承后，在对外接口上省略了很多，车辆布线也减少。虽然集成后逆变器复杂度比原来逆变器增加，但整车可靠性却得以提高。

4.3.4 降重处理

为降低整柜产品重量，对弱载荷部分，采用弱处理方式，既要满足强度要求，又要留有一定裕量；对不承力部分，采用铝板蒙板铆接形式；对重载荷区域，着重加强处理。

以上方案只为初步方案，后续要继续完善三维设计，优化器件参数，逐步进行结构强度仿真、热仿真、电气仿真，并通过后续实际产品型式试验来做以验证。