HXN3机车新型整流模块的研制

2019-10-22邹平窦金龙彭军华唐豹

科技与创新 2019年19期

关键词：热阻熔断器二极管

邹平，窦金龙，彭军华，唐豹

HXN3机车新型整流模块的研制

邹平，窦金龙，彭军华，唐豹

（新型功率半导体器件国家重点实验室，湖南株洲 412001；株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

HXN3型机车整流模块在运行过程中故障率较高，在机车现有电气接口和机械接口的基础上提出了一种新整流模块方案，通过型式试验和运行试验，验证了方案的可靠性，解决了HXN3机车整流柜的均流问题，提升了机车运行可靠性，降低了维护成本。

HXN3机车；整流模块；内燃机车；熔断器

1 引言

HXN3机车是由大连机车车辆有限公司与美国EMD公司联合研发的大功率交流传动内燃机车[1]。该机车的整流桥臂采用多只螺栓型二极管并联的方式，整流柜的二极管熔断器数量较多。机车配属以来螺栓型二极管频繁击穿，造成整流柜故障，经查明是螺栓型二极管、熔断器的参数一致性随着机车运行年限增加而变差，从而引起二极管不均流。机务段通过对整流柜进行日常检测和维护，故障率略有下降，但检修任务量大幅增加[2]。现对HXN3型机车整流柜进行优化设计，在不改变安装结构的基础上，重新开发设计新型整流模块，将二极管与熔断器数量减少，消除了不均流问题造成的故障。优化后的整流模块结构简单、维护方便，提升了车辆安全运营可靠性，降低了机车维护成本，保证了线路的安全使用。

2 设计分析

2.1 结构设计

现有HXN3机车整流柜每个桥臂由5个螺栓式二极管并联组成，整个整流柜包含30个二极管和15个快速熔断器。在实际运行过程中发现二极管参数或熔断器的阻值随机车运用年限的增加而变大，导致熔断器或二极管不均流造成烧损[3-4]。而二极管更换后需重新做均流试验，增加了工作任务和难度。新整流柜方案采用单个平板型二极管替代5个螺栓型二极管，在保证电流电压裕量的提前下，将二极管数量减少为6个，熔断器减少为3个，二极管与熔断器的参数变化不再影响均流，解决了整流柜因均流问题造成的故障。

为了运输、安装及维修便捷，新型整流柜设计为分体式结构，外形尺寸与接口与现有整流柜保持一致，新整流柜结构如图1所示，由3个独立的整流模块组成，每个整流模块包含整流管组件、风道、快速熔断器，快速熔断器安装在模块的风道外侧进线端。原HXN3机车整流柜结构如图2所示，其螺栓型二极管为国外产品，由于柜体为整体式结构，压装工艺复杂，检修维护不方便。新型整流柜有以下优势：①减少了器件数量，解决了均流问题；②柜体由3个整流模块分体式组成，运输、安装及检修方便；③平板型二极管为国产器件，采购维保方便。

1—熔断器；2—输入端；3—输出铜排；4—风冷散热器；5—平板型二极管。

1—螺栓二极管；2—熔断器；3—输出铜排；4—散热片；5—安装板。

2.2 选型计算

新整流柜设计为三个独立的整流模块，现对单个整流模块的整流二极管与散热器进行选型计算。现有HXN3机车整流柜的输入额定电压为2 100 V，额定电流为1 296 A，根据三相桥直流输出计算公式：

式（1）中：d为输出电流平均值；为输入电流有效值；d为整流输出电压平均值；2为输入相电压。

计算可得出，整流柜输出电流为1 588 A，输出电压为 2 835 V。因此每只整流管上的平均电流为530 A，峰值电压为2 969 V。考虑机车运行工况复杂，电流变化较大，按3倍的电流裕量计算，选取整流管的电流值为1 900 A，电压裕量按1.5～1.7倍选取，选取整流管的电压值为4 500 V，因此选取型号为ZP A1900-45的整流管能够满足要求。原整流柜上单个整流桥臂为5只300 A/4 200 V的螺栓型二极管并联，并联后的桥臂电流电压耐量为1 500 A/4 200 V，对比可知新整流柜单个桥臂1 900 A/4 500 V的电流电压裕量更大，且不存在均流问题。

参考现有机车整流模块散热设计，以整流管结温不超过最高额定值（125 ℃）为限制条件，选取整流模块的散热器。考虑到其他损耗的存在，按照通态损耗的1.1倍为整流管的总的损耗值，散热器的热阻值计算如下。

通态损耗：

总损耗：

tot=1.1T（AV）（3）

散热器热阻：

式（2）（3）（4）中：T（AV）为通态平均电流，A；FO为整流管正向门槛电压，V；F为整流管正向斜率电阻，Ω；j为整流管结温，℃；jc为结壳热阻，℃/W；cs为接触热阻，℃/W；A为环境温度，℃。

整流管T（AV）=530 A，结温j=125 ℃，环境温度A=55 ℃，接触热阻cs=0.004 ℃/W，结壳热阻jc=0.012 5 ℃/W。

通态损耗T（AV）=620.8 W，总损耗tot=683 W，散热器热阻SA=0.086 ℃/W。考虑到整流管工作时的安全裕量，将工作结温控制在最高结温j的（70%～80%）内，散热器双面散热的热阻，因此选择风冷TSF A-3铜散热器，其双面散热热阻SA≤0.044 ℃/W，能够满足要求。通过仿真软件对整流管组件进行热仿真，设定条件为额定电流530 A，环境温度55 ℃，风速为6 m/s，仿真得出整流管的最高结温为89.1 ℃，未超过j的80%，整流管与散热器的选型符合要求。

3 验证

新型整流模块验证工作主要分为型式试验与运行试验。型式试验主要包括温度试验与振动冲击试验以及盐雾试验。温度试验包括温度冲击试验和交变湿热试验，验证整流模块在变温应用工况下的稳定性与可靠性[5]。整流模块在承受温度冲击试验和交变湿热试验后，未出现锈蚀及裂纹现象。机械振动冲击试验主要测试模块在不同的运行或运输情况下的稳定性，模块通过频率5～150 Hz，固定振幅、加速度的振动和冲击试验，试验后模块未出现开裂现象。盐雾试验能够观测模块的铜散热器以及连接铜排的抗腐蚀性，该模块在经盐雾试验后仅局部出现轻微腐蚀及生锈现象，整体试验结果满足要求。

将新型整流模块安装在HXN3机车上进行验证，在连续无故障运行21个月后，复测整流模块的关键参数是否出现变化。复测结果表明整流管的压降VTM及漏电流IRRM参数未出现明显变化，这说明新型整流模块能够适应HXN3机车的应用工况，验证了新型整流模块的可行性与可靠性。