轨道车辆牵引逆变器的最优化设计

陈林，王卫安

（1.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）



轨道车辆牵引逆变器的最优化设计

陈林1，王卫安2

（1.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

摘要：本文从实际情况出发简单分析了三种拓扑结构的车辆牵引逆变器的主电路，提出牵引逆变器最优化设计思想。从电路拓扑结构、参数和散热系统3个方面选择出一套适用于牵引逆变器实际工况下的最优化设计。采用最优化设计的逆变器无论在容量、重量、效率等方面均能很好满足不同的实际情况。最优化方案的提出为牵引逆变器的设计提供了有效的参考。

关键词：电力电子；逆变器；电路拓扑；散热系统；最优化设计；轨道交通车辆

0　引言

牵引逆变器作为地铁车辆的核心部件，在整个地铁系统中承担着能量转换和传递，它的性能好坏直接关系到车辆运行中的安全、节能和效率［1］。本文结合国内外在地铁类车辆逆变器设计中的主要研究思路和实际工况提出了最优化设计，主要包括电路拓扑、参数和散热系统3个部分，详细地分析了三种拓扑的实际工作原理和应用，为今后其它人员进一步研究提供了有价值的数据。

1　电路拓扑

逆变器的任务是将直流电压转换成负载电机所需的三相交流电压向电机供电，其输出方式既可以选择变压变频（VVVF）方式，也可以选择恒压恒频（CVCF）方式，以满足不同负载的需要。

现代逆变器的特点是采用IGBT及无吸收电路。逆变器过去采用的功率器件有晶闸管、GTO、晶体管等，IGBT技术是近年来逐渐发展成熟起来的，由于IGBT具有工作频率高、自我保护能力强、控制较简单的优点，现在逆变器采用的功率器件主要是IGBT。同时也由于采用了IGBT，逆变器内部电路结构也发生了变化，这主要体现在功率器件的过压保护方面，在这方面由最早的采用有较高损耗的R-C-D阻容型过压吸收电路，发展到后来的采用有较低损耗的不对称型过压吸收电路及Δ型过压吸收电路，再到现在的无吸收电路型。无吸收电路型通过采用无感复合母排技术、低感电容技术来尽可能消除产生过电压的因素，从而尽可能避免过电压情况的发生，同时也消除了吸收电路所产生的损耗。这样，既简化了电路结构，又降低了逆变器的损耗，提高了效率，同时还因逆变器发热量的降低而使得逆变器的体积重量也得以减小。

就实际运行情况而言我国城市轨道交通车辆主要有两种制式：第一种是以香港、武汉为代表的DC750V供电制式；第2种是以长沙、无锡为代表的DC1500V供电制式。供电等级的不同影响着电气绝缘设计和器件的电压等级，而绝缘设计通过按DC1500V的供电等级统一要求，即可实现两种供电等级的兼容；电路器件可通过安装通用接口现两种供电等级的合理对接［2-3］。目前，地铁牵引系统的控制方式主要有3种：第1种是架控方式；第2种是轴控方式；第3种是车控方式。我们根据实际工况（如列车编组和动拖比）选择合适的控制方式。同时考虑到逆变器的兼容性以及最优化设计，以架控方式、轴控方式、车控方式的主电路分别进行设计。

1.1架控方式的主电路

采用架控方式的主电路设计如图1［2-5］。图1有一套独立输入电器（充电短接电路、电抗器等），该主电路中逆变器主要包括2个部分（包含电容器C1和C2、母排、IGBT模块、IGBT驱动板、脉冲板）、电压传感器、电流传感器、控制单元（MCU）、斩波电阻。单个逆变器驱动两台异步电机。

图1　架控方式的主电路图Fig. 1 Control way of the main circuit diagram

MQS、MQS1-隔离开关；LH1-差分电流传感器；HB-高速断路器；KM1-短接接触器；KM2-充电接触器；R1-充放电电阻；L-电抗器；VH1、VH2-电压传感器；LH2-LH8 -电流传感器；Rch1、Rch2-制动电阻

1.2轴控方式的主电路

采用轴控方式的主电路设计如图2［2-5］。

图2　轴控方式的主电路图Fig. 2 Axis control way of the main circuit diagram

图2有一个集成接触器箱（永磁同步电机与牵引逆变器之间增加隔离接触器，避免当系统发生故障时由于永磁同步电机的反电势造成故障进一步扩大）。该主电路中牵引逆变器主要包括2个逆变器单元（包含箝位电容器、IGBT元件、IGBT驱动板、脉冲板）、电压传感器、电流传感器、控制单元（MCU）、斩波电阻。单个逆变器模块独立驱动两台永磁同步电机。

1.3车控方式的主电路

图3　车控方式的主电路图Fig.3 Car control way of the main circuit diagram

采用车控方式的主电路设计如图3［2-5］。该主电路中牵引逆变器主要包括2个逆变器模块（包含支撑电容器、低感母排、IGBT元件、驱动板、脉冲分配板）、电压传感器、电流传感器、传动控制单元（DCU）、放电电阻。单个逆变器模块驱动两台异步电机。

从上述3种设计的主电路分析可以看出，牵引逆变器的主电路基本一致，因此可以进行最优化设计，即将牵引逆变器拆分为柜体、逆变器模块、DCU、放电电阻单元、传感器单元等，设计时考虑各个单元功能、接口的标准化和规范化。通过简统设计、预留设计，可将牵引逆变器进行最优化设计，即该牵引逆变器不仅可满足车控、架控、轴控的不同需求，还可以满足不同供电制式的需求，大大减少了设计开发的工作量。

2　参数设计

根据实际工况要求（如车辆的功率、加速度、减速度、牵引力、车速、功率密度等）并通过线路进行模拟，确定牵引电机的功率，其牵引逆变器电路参数计算如下［4-6］：

IGBT元件电压定额：

式中：K1为过电压系数；K2为安全系数；Ud max为额定直流电压最大值；Usp为关断即将结束时的尖峰电压。

IGBT元件电流定额：

式中：α1为电流尖峰系数；α2为温度降额系数；α3为过载系数。

式中：P为电机总功率；η1为电机效率；η2为逆变器效率。

牵引逆变器的额定输入电流：

式中：Uin为牵引逆变器额定输入直流电压。

牵引逆变器的最大输入电流：

式中：Uin min为牵引逆变器最低输入直流电压。

牵引逆变器的额定输出电流：

式中：U1为电机电压；η3为电机功率因数。

直流支撑电容器估算［5-7］：

式中：K为经验系数；ω为频率系数。

中间电容器的电容值计算主要考虑负载的无功、瞬态电流和直流电路的滤波，通过上述估算公式进行估算后，还需验证与直流滤波电感L的谐振频率，最后根据实际工况采用Matlab主电路仿真对电容值进行修正。

放电电阻计算：

式中：t为放电时间；R为固定放电电阻

放电电阻用于在主电路断开或者快速放电电路出现故障的情况下，将主电路中中间支撑电容上储存的电荷对地释放，使其低于人体安全电压（36V），保证人身安全。

3　散热系统设计［6-11］

电路参数确定下来后，根据车辆需求明确环境条件，对牵引逆变器损耗进行估算，其主要的发热和损耗部件为IGBT元件，其损耗包括通态损耗和开关损耗，有以下几种估算方法。

3.1查表法

实际上，IGBT生产厂家都会给出Eon、Eoff与IC的关系曲线，因此可以根据IGBT通过的电流，查曲线可得出Eon和Eoff。开关损耗为

3.2仿真法

实际上，IGBT供应商都会提供自带的损耗仿真计算软件，根据厂家提供的仿真软件输入电压电流、调制比、开关频率，即可自动计算出损耗［6-12］。

通过上述方法即可得出牵引逆变器的总损耗（加上其他部件的损耗估算，如固定斩波电阻损耗等），并选用合适规格的散热器，对IGBT元件的最高结温进行核算（现在常用的IGBT元件最在允许结温是150℃，在轨道交通应用时，一般控制在125℃以下）。

式中：Th为牵引逆变器工作的最高环境温度；PIGBT为单个IGBT的损耗；K1为选用的散热器的热阻；K2为结壳热阻。

3.3计算法

通态损耗计算：

开关损耗计算：

对开关过程中IC和VCE的波形，进行时间积分。其结果为：

根据以往城市轨道交通车辆牵引逆变器的应用经验和国内工艺水平，而120km/h速度级的优先选用铝翅片散热器，国内80km/h速度级的优先选用重力式热管散热器。

4　结论

本文结合现代轨道交通车辆的实际情况、车辆控制方式以及工况要求，采用最优化的设计思路进行轨道交通车辆的研制可靠性高，实用性强，各项性能指标都满足车辆运行要求。同时它还实现了最优化平台的建立，减轻了设计和生产的负担。为后续研究人员提供了可参考的范本。

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本文引用格式：陈林，王卫安.轨道车辆牵引逆变器的最优化设计［J］. 新型工业化，2016，6（4）：34-39.

Citation: CHEN Lin， WANG Wei-an. Optimal Design of Railway Vehicle Traction Inverter［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（4）: 34-39.

Optimal Design of Railway Vehicle Traction Inverter

CHEN Lin1， WANG Wei-an2
（1.School of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412001， China； 2.CRRC Zhuzhou Institute Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan 412001， China）

Abstract:This article embarks from the actual situation and it gives simple analysis for the three types of vehicle traction inverter main circuit topology structure， the optimal design of traction inverter is proposed. From the circuit topology structure，parameters and cooling system three aspects ， The writer selects a set of suitable for optimal design of traction inverter which apply to the actual working conditions. Using optimal design of inverter ， its in capacity， weight， efficiency， etc all can well meet the actual situation of different. Optimization scheme is proposed for the design of the traction inverter provides effective reference.

Keywords:Power electronics； Inverter； Circuit topology； The cooling system； Optimization design； Rail transit vehicles

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.006

基金项目：湖南工业大学项目，项目编号：2013A12 湖南省自然科学基金项目，项目编号：2013JJ9016

作者简介：陈林（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子及电气传动

通信作者：王卫安（1975-），男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为大功率电力电子技术及电能质量控制