一种高速动车组牵引辅助变流器设计

刘慧娟，吴冠霖，张明涛

（中车永济电机有限公司，山西永济，044502）

0 引言

近年来，世界各国都将安全、高效、绿色、智能的新型轨道交通作为未来公共交通发展的主导方向，同时也掀起了以信息网络、智能制造、新能源和新材料为代表的新一轮技术创新热潮。德国西门子Velaro Novo 新型高速列车，是西门子“Velaro”系列的第五代产品，列车最高速度从250km/h 到360km/h 不等。

在国内，以国家实施的“中国制造2025”为契机，抓紧技术革新和产业发展的机遇，在轨道交通牵引系统研制上大力耕耘。研发更安全、更环保、更节能、更智能的复兴号产品，实现我国高铁更高运营速度，持续我国高铁领跑优势。

本文介绍的一种牵引辅助变流器，主要为牵引电动机提供电压、频率可调的电源，实现动车组的牵引制动控制功能，并为车辆辅助负载提供AC380V/50Hz 的三相交流电。

1 变流器方案

牵引辅助变流器从25kV 接触网取电，通过AC-DC 变换将单相AC 1900V 电变换成DC 3600V 直流电，供牵引逆变器、辅助变流器使用。牵引逆变器将中间母线电压通过DC-AC 变换为AC 0V～2808V 三相交流电来驱动牵引电机工作。辅助变流器从中间直流母线取电，通过DC-DC+DC-AC变换将DC 3600V 变换为3AC 380V。牵引辅助变流器内部部件含非金属材料，所有部件防火均满足EN 45545-2 要求。

1.1 电气原理

牵引辅助变流器主电路拓扑如图1 所示，包含预充电单元、四象限整流单元、中间直流回路、接地检测回路、过压抑制单元及牵引逆变单元。其中，四象限整流模块给牵引逆变模块供电，牵引逆变模块通过一个三极隔离接触器给牵引电机供电。辅助变流器从中间直流回路取电，由DC/DC 功率模块和DC/AC 功率模块构成。系统采用强迫水循环风冷散热方式，四象限整流模块和牵引逆变模块采用强迫水冷散热，变压器电抗器组件采用强迫风冷散热。牵引辅助变流器通过控制单元将变流器实时工作状态传递给整车，同时可以调节牵引电动机在牵引和再生制动时的输出转矩。

图1 主电路拓扑图

1.2 技术参数

牵引辅助变流器技术参数如表1 ～表2 所示。

表1 牵引部分技术参数

表2 辅助部分技术参数

1.3 主要技术特点

牵引辅助变流器为两整四逆两电平主电路，此类型拓扑可以实现牵引电机的独立轴控，两整四逆主电路是在两整两逆独立轴控、两整三逆独立轴控两电平主电路基础上的延伸设计。变流器采用无LC 设计及无拍频控制技术，并在逆变输出侧设置三极接触器实现系统故障后牵引电机的隔离，维持动车组运行。辅助部分从中间直流回路取电，通过DC/DC+DC/AC 的电路拓扑结合高频软开关技术实现AC380V 交流供电，且输出采用无互连线并联供电技术。

1.4 变流器控制功能

牵引辅助变流器主要包括以下控制功能：执行TCMS分配的牵引力指令，并实现牵引力控制；执行BCU 分配的再生制动力指令（恒速控制除外），并实现再生制动力控制；执行TCMS 故障降级模式（减功率）和限速指令；执行TCMS 关于辅助变流器供电相关指令；牵引系统内部限速管理（出于对牵引系统自身的保护）；电机旋转方向控制；紧急牵引控制；中间直流回路充电控制；变流器的启动控制；中间直流回路电压监控；接地故障监控；牵引安全联锁控制；轮径校正控制；变流器冷却监控；牵引电机冷却监控；防空转/电制滑行控制；弱磁控制；整列动车组不同四象限整流器采用载波移相控制策略，实现谐波有效抑制；辅助变流器各输入和输出端的独立接通和切断控制；保护自身的设备免于过载、短路、不平衡负载、输入和输出的单一的和多重接地故障控制；网压/功率限制。

1.5 变流器保护功能

牵引辅助变流器主要包括以下保护功能：冷却单元保护；主电路短路、过流和过载保护；接地保护；瞬时过电压保护；中间直流回路过压及欠压保护；直流回路充电异常保护；输入电压过压及欠压保护；输入/输出过流保护；控制电源保护；牵引/辅助控制单元断电时中间直流回路快速放电保护；牵引电机不工作保护；锁轴故障保护；超温保护（包括牵引电机、冷却单元等超温）；实现网压、网流的波动、突变、中断的监测及保护；其他保护（如短路保护、电机缺相保护、接触器等内部部件故障保护等）。

2 结构设计

2.1 整体结构设计

牵引辅助变流器整体结构设计继承了动车组变流器模块化、平台化布局设计，内部包含接触器平台、TCU 平台、牵引功率平台、辅助功率平台、冷却单元平台、变压器电抗器平台等。同时设置了侧门板、底门板，方便现场组装及后期维护。变流器走行方向两侧分别设置6 个含安装孔的吊耳，风机、散热器、功率平台采用两边对称布置方式，防止变流器发生重心偏移，高低压对外接口位于两侧断面上。变流器内部设置一套冷却单元，采用两侧进风、底部出风的进出风口设计。线缆走线路径采用高低压分离设计，防止发生电磁干扰。变流器结构布局如图2 所示。

图2 牵引辅助变流器结构布局图

2.2 水冷单元结构设计

变流器功率器件与水冷电机采用各自独立的两套冷却系统，分别布置在变流器两侧形成集成式冷却装置。冷却装置是由散热器、膨胀水箱和空气过滤器一体化集成的散热器组件，集成式冷却装置设置两台水泵，四台风机组件，两两并列布置在散热器出风面后侧。水冷单元结构布局如图3 所示。

图3 水冷单元结构布局图

3 功率模块设计

牵引功率模块中间母线电压为3600V，功率器件为6500V/750A。功率器件对称布置于模块两侧水冷基板上，与水冷管路相连的水接头设置在功率模块后侧。模块高压电气直流接口为前出线，交流接口为后出线，在变流柜内采用插拔立式、抽屉式安装，模块前侧底部与变流柜柜体固定，模块上方设有一根长螺杆，在后侧与变流柜机械连接，其外形结构如图4 所示。

图4 功率模块外形图

牵引功率模块包含四象限整流功率模块及牵引逆变功率模块，主要技术参数如表3～表4 所示。

表3 四象限整流功率模块技术参数

表4 牵引逆变功率模块技术参数

4 仿真分析

牵引辅助变流器从25kV 接触网取电，经过四象限整流转化成直流电，供牵引逆变器、辅助变流器使用。牵引逆变器将中间母线直流电压变换为AC 0V ～2808V 三相交流电来驱动牵引电机工作。根据系统主电路拓扑，搭建仿真模型进行验证。

4.1 输入特性仿真

在网压25kV，牵引满载工况时，单台四象限整流器输入电流有效值为825.8A，峰值电流为1168A，电流畸变率（THD）为10.77%，满足设计要求。仿真波形如图5 所示。

图5 四象限整流输入电压电流波形（牵引满载工况）

稳态时变压器原边电流仿真波形如图6 所示，原边电流有效值为126.5A，最大值为178.8A，电流畸变率（THD）为3.41%，满足设计要求。

图6 变压器原边电流波形及其谐波分析

4.2 输出特性仿真

在网压25kV，牵引满载工况，电机定子频率283.4Hz时，逆变输出电流峰值251.1A，基波有效值为177.6A，谐波含量为14.96%，满足设计要求。仿真波形如图7 所示。

图7 额定点时逆变器输出电压、电流（283.4Hz，额定功率）

4.3 中间直流母线电压仿真

系统从启动到满功率运行，稳态时中间直流母线电压及电容电流波形如图8 所示。

图8 中间直流母线电压波形

从图8 可知，满载稳态下直流电压波动范围约为3460V～3730V，纹波为7.5%，满足设计要求。

5 结论

本文介绍了一种高速动车组牵引辅助变流器的方案设计方法，详细分析了牵引辅助变流器的工作原理，技术特点，具备的保护和控制功能。最后通过仿真和试验进行了验证，该牵引辅助变流器各项性能指标满足要求。对研究安全、高效、绿色、智能的新型轨道交通具有重要意义。