100%低地板车辅助变流器滤波器设计

王武俊， 吴晓威， 刘 荣

（中车永济电机有限公司， 陕西 西安 710018）

1 低地板车研究背景

近些年随着城市轨道交通行业的发展，低地板轻轨车运输系统，以其快捷、投资少、环境危害小等优点，成为人们优选的交通工具，尤其其具备无需修建站台，旅客上下车方便，非常适合老人、儿童及残疾人乘车，而备受青睐。其中，辅助逆变器作为车辆辅助供应电源设备，独立运行于牵引系统，为车辆提供稳定的三相四线制50 Hz，AC380V或AC220V的电源，为主压缩机、空调、冷却、电加热、照明等交流负载供电。由于其宽输入电压变化范围、和运行过程中负载突变等复杂运行工况，其性能直接关系到车辆能否正常运行，在设计中对主电路器件选型提出了高的要求。

2 辅助逆变器系统构成

现有低地板车辅助系统，主要由直-交-直和直-交-直-交两种电路结构。中车永济电机有限公司100%低地板车辅助系统由DC602 V蓄电池供电、DC24 V控制供电、AC400 V辅助供电三部分构成，其中，DC602 V蓄电池供电辅助系统独立运行；DC24 V控制供电、AC400 V辅助供电变流器共用输入滤波单元，其主电路拓扑图如图1。

图1 DC24V控制供电&AC400V辅助供电变流器拓扑图

本文主要以AC400V系统为例，开展滤波器件参数设计。AC400V辅助变流器由全桥变换器和三相逆变器连接构成，经过高频升压隔离、不控整流、可控逆变等环节将直流电压转换为三相四线制的交流电压，主电路原理如图2。

图2 AC400V辅助供电变流器电气原理图

AC400V辅助变流器主要性能指标如下:

额定输入电压为DC 750 V（12脉波整流），输入电压范围为DC 400～900 V；输出电压形式为3P+N（带中性点），输出额定电压为AC 400 V（波动范围±10%）；额定输出功率为20 kW，最大输出功率为25 kW；额定输出电流为28.9 A；额定输出频率为50 Hz，DCDC侧IGBT开关频率为8 000 Hz，可控逆变IGBT开关频率为2 150 Hz；与750 V电网隔离；输出电压谐波≤5%。

3 关键器件选型

3.1 输入滤波器的设计

直流输入侧电容主要实现两个功能，与滤波电感共用，起滤波作用，在受电弓无电时起储能作用。

滤波功能设计,供电回路最大输出容量为25 kW，与DC24 V系统（12.5 kW）共用输入滤波回路，考虑其效率损耗，取 Pload=39 kW，UN=750 V，Frectifier=600 Hz，Uripple=750 V×6%，由下式：

计算可得：C1≥1.93 mF。

储能功能设计，车辆要求在750 V额定电压下离线10 ms，能维持电源额定负荷的稳定供电。取UN=750 V，T=10 ms，Umin=400 V，Pload=39 kW，由下式：

计算可得：C1≥1.937 mF。

结合两个功能计算值，取C1≥2 mF。

直流侧电感主要有减小逆变部分输入直流电流的纹波、抑制短路电流上升、抑制受电弓离线时的冲击电流等功能。其中滤波功能与支撑电容配合构成输入滤波器。按直流回路上的纹波电流为10%的要求进行设计，且综合考虑器件重量和功能需要，电抗器与支撑电容的谐振点设置应小于12脉波整流主要谐波输出频率600 Hz，取截止频率Fc=150 Hz，计算可得：L1=0.56 mH。

3.2 高频变压器设计

根据设计要求，输入电压为400～900 V，工作频率：8 kHz，输出电压VO=602 VDC,输出电流42 A。考虑前级H桥占空比损失，变压器最大占空比设计为0.9，则高频变压器变比近似为：

考虑可能出现的极端工况350 V网压工况，取K=1.92。

取：P=PO÷η=25 kW÷0.98=25 kW。

3.3 中间直流环节输出滤波器的设计

中间直流滤波电感，根据设计要求，电感电流临界连续工作电流ΔIL=3.36 A，输出滤波电感的值可由下式得出：

其中：D为导通占空比，取

其中：Vin为高频变压器原边电压，K为变压器变比，VL为电感电压，VD为不控整流二极管电压，fs为前级逆变器开关频率。计算得：L（2750 V）=6.51 mH；L2（900 V）=7.29 mH。

考虑余量，实际中，取滤波电感L2=9 mH。

输出滤波电容容值与电容上电流纹波相关，电流纹波由不控整流电感电流纹波，逆变器电流纹波组成。

由前端计算，根据设计要求，电容最大纹波取20 V，输出滤波电容的值可由下式得出：

计算得：C2=372 μF。

由后端计算，根据设计要求，电容最大纹波取20 V，取 UN=602 V,Pload=25 kW，T=1/2 150s。

综合考虑，取滤波电容得：C2=1 mF。

3.4 三相滤波器设计

辅助逆变部分要求三相四线制输出，交流滤波电容选星型连接以引出中性连接点。同时根据逆变电源的载波频率fc,确定LC滤波器的截止频率选取范围。为使逆变器输出交流电品质满足要求，要求LC滤波器的截止频率fL应远小于输出交流中最低次谐波频率，同时远大于基波频率，本方案选取fL=158 Hz。

滤波电路特性阻抗与负载阻抗关系如下：

K取0.1～1，根据经验值给出。可计算出：

L3=1 120 μH

C3=900μH 。

图3 DC24V控制供电&AC400V辅助供电变流器仿真拓扑图（模糊）

图4 AC400V辅助供电变流器仿真波形

4 仿真分析与试验验证

为验证上述计算结果，在MATLAB中建立100%低地板车辅助系统仿真模型如上页图3。

通过仿真可以看出，中间环节电压纹波3.2%完全符合理论的要求（上页图4-1），中间环节电压纹波完全符合理论的要求，400V逆变器输出电压为379.2V（上页图4-2），电压谐波含量为1.52%，满足系统输出要求。

5 结论

本文根据中车永济电机有限公司100%低地板车辅助变流系统的要求及主电路拓扑，给出了主电路滤波器件参数选型设计方法，并搭建MATLAB仿真模型进行验证。仿真结果表明：各个单元能够稳定运行，输出性能满足设计要求，对小功率轨道车辆的辅助变流器滤波器件参数选择具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 森荣二.LC滤波器设计与制作[M].北京：科学出版社，2006.

[2] 姜磊.高频隔离轻轨辅助变流器DC_DC变换器研究[J].西南交通大学学报，2014（5）：6-11.