高速列车辅助变流器的研究

陈玉峰 马洪伟 李光磊

【摘 要】本文通过对辅助变流器的组成、主要部件等进行简单介绍，深入分析了辅助变流器的箱体设计、关键部件设计以及控制算法，以期进一步提升高速列车辅助变流器的设计水平，进而为列车的正常运行、乘客乘车的舒适度等提供重要保障。

【关键词】高速列车；辅助变流器

前言：自高速动车组列车已成为现阶段我国铁路客运的重要车型，是我国铁路的发展新纪元。辅助变流器也是动车组列车稳定运行的重要前提。鉴于此，本文对高速列车的辅助变流器展开研究，具有至关重要的实践意义。

一、辅助变流器简介

目前，市面上常用的辅助变流器分为两种，即单幅变流器与双辅变流器，二者的技术参数如表1所示。单辅变流器只有一个辅助转换器单元，主要用于动车；双辅助变流器有两个辅助变流器单元，主要用于拖车。辅助转换器的主要部件包括辅助转换器控制器，功率模块，冷却系统和隔离变压器。其中，辅助变流器控制器的作用是保证输出频率、输出电压的稳定性；同时，其还要对一整个ACU部件进行逻辑控制，并在其出现故障时及时响应，采取保护措施进行数据存储。此外，控制器还负责温度传感器数据的获取、风扇转速的调控、故障数据储存、辅助供电扩展等多项功能，是辅助变流器最核心的组成元件。而功率模块则是脉宽调制逆变器模块，主要作用是将牵引变流器的电压，转变成三向脉冲调宽输出电压。冷却系统采用的强迫风冷。辅助变流器的结构详见图1。

二、辅助变流器的设计

（一）辅助变流器的箱体设计

辅助变流器箱设计是辅助转换器设计的重要部分。由于辅助变流器安装在列车组车身的下方，因而工作环境相对较为恶劣，因而在箱体设计时，需要考虑箱体材料的耐腐蚀性、低温韧性以及强度等，保证其能够满足长期安全使用的需求[5]。高速列车辅助变流器的柜体设计主要包括以下几个环节：

（1）强度计算环节：对箱体进行强度计算时，需要按照原型箱体的设计图纸，展开三维建模，之后再利用仿真软件展开强度校核，对箱体应力分布的实际情况进行研究。

（2）静强度试验环节：在辅助变流器的箱体做成后，对其进行强度校核，以此来确认该箱体在静强度上是否符合预期要求。

（3）疲劳强度试验环节：完成静强度试验后，进行疲劳强度试验，具体内容包括在试验过程中记录分析变流器箱体的状态，除了箱体结构的动态应力外，还要验证箱体的疲劳强度和使用寿命。

（4）振動冲击试验环节：对箱体进行振动冲击试验，验证辅助变流箱的箱体能否承受环境振动和冲击的能力，从而保证设备的安全。

（5）模态试验：分析了辅助转换器盒的特性，以验证盒子的质量。

（二）辅助变流器的关键部件设计

在高速列车的辅助变流器中，关键部件主要包括控制器，电源模块，交流滤波电容器和隔离变压器。

（1）控制器设计：在本文研究中，将MCU芯片、FPGA芯片以及DSP芯片这三个可编程处理器作为控制器的核心，依托外围电路，建立控制系统。控制系统具有信号反馈，控制辅助转换器的输出电压和电流，从而提高辅助转换器输出电压的稳定性。同时，该控制系统还能够对多个辅助变流器单元的运行进行并联控制，并将负载功率进行均分。此外，该控制器能够实现故障保护动作、机组工作逻辑控制、计算机监控软件讯息读取、故障数据储存、与MVB网络进行数据交换。

（2）功率模块的设计：功率模块执行控制器发出的指令，对直流输入电压进行逆变，使其变成三相脉冲电压。功能模块应具备保护功能。

（3）试验验证：对于辅助变流器关键部件的设计，需要进行热冲击试验和温度，湿度和振动的综合试验。通过验证，本文设计的辅助变流器控制器与功率模块的性能，不仅符合设计需求，且能够适应恶劣的工作环境，工作可靠性较高。

三、辅助变流器控制算法

控制算法是辅助转换器设计的重要核心之一，不仅可以保证输出电压稳定，还可以控制电压波形的质量。同时，可以实现辅助变流器各单元的并联和自动均流[6]。本文以64kw负载为例。在该图中，CH1和CH2分别表示两个辅助转换器单元的A和B线的输出电压。CH3和CH4分别代表两个辅助转换器单元的A相输出电流；而Math表示CH3与CH4的差。从该图可以得知，基波环流与谐波环流均比较小，说明两个辅助变流器输出的电流波形相差无几，因而均流特性较好。

结论：高速列车辅助变流器的稳定性是高速列车正常运行的重要保证。在本文研究中，通过阐述辅助变流器的构成、工作原理以及基本参数等，对其箱体、关键部件以及控制算法的设计展开了研究，旨在突破辅助变流器的技术瓶颈，进一步提升其设计质量，进而实现高速列车的辅助变流器设计的自主创新，为中国的高速动车组提供可靠的辅助转换器。

参考文献：.

[1]闫春辉.一种电力机车辅助变流器控制单元[J].铁道机车与动车，2016，13（09）：13-16.

[2]王佳佳，颜艳娇，刘长清，等.永磁牵引电机动车组用大功率辅助变流器[J].大功率变流技术，2015，20（06）：45-48.

[3]马颖涛，宋术全，李红.高速动车组辅助变流器并联运行的脉宽调制技术[J].铁道机车车辆，2013，33（05）：22-25.

作者简介：

陈玉峰（1985.06-），男，吉林省长春市，中车长春轨道客车股份有限公司 高级技师，研究方向：铁路客车制造。

（作者单位：中车长春轨道客车股份有限公司）