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160km/h快速客運電力機車主電路設計

發布日期:2021-10-19   來源:《變頻器世界》21-09期   作者:孫渤,孟繁群,宋吉卿,呂玲   瀏覽次數:2956
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【摘   要】:本文針對160km/h快速客運電力機車牽引主電路進行研究,根據牽引系統的主要技術要求確定了160km/h快速客運電力機車的基本電路型式并通過分析、比較,最終確定整流器與逆變器電路的具體型式;并對各部分及整個系統的工作原理進行了論證分析。最后利用MATLAB軟件進行仿真,通過對典型工況的仿真的結果分析驗證了器件選擇的合理性。


關鍵詞:主電路;牽引變流器;IGBT選型

 

Abstract: The main traction circuit of 160km/h fast passenger electric locomotive is studied in this paper. According to the main technical requirements of traction system, the basic circuit type of 160km/h fast passenger electric locomotive is determined. Through analysis and comparison, the specific circuit types of rectifier and inverter are finally determined. The working principle of each part and the whole system is demonstrated and analyzed. Finally, MATLAB software is used for simulation, and the rationality of device selection is verified by analyzing the simulation results of typical working conditions.

Key words: Main circuit; Traction converter; IGBT selection

 
1  引言

隨著我國高速鐵路的迅速發展,國外相關技術的引進,干線鐵路電力機車正向著功率更大,速度更高,可靠性更強的方向發展。因此,深入研究電力機車的牽引系統,有助于加大我國軌道車輛的自主創新能力.

2  主電路總體方案設計

本文根據原鐵道部交流傳動快速客運電力機車設計任務書(20120301155123)的要求,以三相異步電動機為牽引電動機,設計一種采用交直交傳動、時速160KM的客運電力機車電傳動系統主電路。

2.1  主電路形式設計

機車運行時有三個基本狀態:起動,調速及制動。為了使機車的牽引能力得達到最大程度的發揮,使其在牽引系統允許的情況下可以發揮出更大的牽引力。因此,在設計機車主電路時應考慮:機車的供電方式、電機的調速方式、牽引電機形式以及牽引電機的數目及牽引變流器與牽引電機的匹配方式等。

我國電氣化鐵路設置的接觸網電壓為單相交流工頻25kV,但電力機車應用的牽引電機為三相交流異步電機,因此主電路的功能就是在電網與電機之間實現電壓電流的變化,為機車電機提供合適的電壓。在主電路中,為了達到電壓由單相25kV降至電機的三相電壓,主電路基本結構可以如此確定:首先在受電弓接收到高壓后設置降壓變壓器,達到適合電機運行的電壓等級;隨后連接整流器,整流器的作用體現在:在牽引工況下,實現AC-DC變換;在制動工況下,實現DC-AC變換;為了能夠驅動三相交流電機,直流側還需要設置逆變器,將直流電逆變為電機所需的三相交流電,使電機能完成起動、調速、制動等各種工況下的正常工作。主電路原理圖如圖1所示。
                                      

 

                                                                               圖1 主電路原理圖

目前我國的機車用牽引變流器的主電路系統為交-直-交型式,在此系統中包括整流器、中間環節、逆變器。通常整流器選擇四象限脈沖整流器,與不控整流相比,四象限脈沖整流器的優點在于:它能夠使牽引變壓器原邊的功率因數接近單位值,降低網側諧波;逆變器通常采用PWM逆變器,它可以使輸出頻率和電壓可控,在機車制動時,還可以向電網回饋電能,有良好的節能效果。

2.2 系統工作過程分析

系統處于牽引工況時,受電弓從接觸網處獲取電能,經由變壓器降壓得到適合機車牽引的電壓等級后輸入變流器。四象限脈沖整流器將變壓器輸入的單相交流電整流為直流電,經過直流環節的支撐電容和過電壓保護電路后輸入牽引逆變器。逆變器可將直流電逆變為三相交流電供給異步電機,從而帶動輪對旋轉,實現機車牽引。

再生制動時,電機提供負轉矩,此時的牽引逆變器用作整流器,將電機側的交流電整流傳入直流環節,而四象限脈沖整流器起到逆變的作用,將直流電逆變為單相交流電,這次經由變壓器升壓回饋至接觸網。

在牽引及制動過程中,若出現過電壓的情況,則直流環節過壓保護開啟,當電壓降至過壓下限時,關閉過壓保護。

 3 主電路主要技術參數設計
3.1
  逆變器開關器件參數設計
1)逆變器IGBT最大耐壓值

根據原鐵道部交流傳動快速客運電力機車設計任務書(20120301155123)的參數規定及要求,本設計中異步電動機的相關參數為:額定功率1250kW、額定電壓2150V、額定電流390A、額定轉速1365r/min,額定頻率46Hz。

參考主電路型式(如圖1)可以看出直流環節電壓經過兩電平逆變器逆變為三相交流電供給電機,因此,根據三相逆變器輸出最高線電壓與直流環節電壓的關系公式:

1

其中:U0——逆變器輸出交流側電壓;Ud——直流環節電壓。

可得Ud=2756V,因此取直流側電壓為2800V。

由于實際電路工作中會出現過載,電壓波動,電壓尖峰等現象,通常IBGT耐壓都是直流母線電壓的一倍。如果有足夠好的結構、布線和吸收,IGBT耐壓值可適量降低。IGBT的電壓等級可按以下公式計算:

2

但由于Lsdi /dt無法確定,因此可按表1給出的根據接觸網上的交流電壓和直流母線電壓列出的IGBT耐壓的參考值進行選取。根據表1的參數,本次逆變器主電路逆變器直流母線電壓為2800V,所以應選取耐壓值為4500V的IGBT。

                                          


2)逆變器IGBT最大工作電流

已知電機的額定電流為390A,直流側電壓2800V,由于直流穩定電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的,這樣會使直流穩定量中帶有一些交流成份,這種交流分量叫做紋波。因此,在計算時,通常在理想結果上乘以一個紋波系數,紋波系數,簡單的說,就是直流電壓中的交流成分的峰峰值。再者,電機可能會存在一定程度過載現象,為了使電機過載時的可靠性,可在計算時乘上一個過載系數,以保證安全運行,IGBT的最大工作電流又下式確定:

 3

其中:λ——過載系數,取2;μ——紋波系數,取1.1;IN——電機額定電流390A。

代入數字后的IGBT的最大電流為:

4

因此選取額定電流值與1820A接近的IGBT就可以。通過上述分析及計算,考慮到實際IGBT產品的規格,選用兩個額定電壓為DC 4500V,額定電流為900A的IGBT并聯.

3)逆變器IGBT開關頻率

IGBT的損耗包括通態損耗以及開關損耗,這兩種損耗的比例依據具體情況存在不同。IGBT的飽和壓降VCE(sat)決定了通態損耗,IGBT的開關時間ton決定的是開關損耗,但此二者之間互相矛盾。理論上IGBT的開關頻率越高越好,IGBT工作在高頻如fK10kHz時,IGBT的開關頻率過高會導致開關損耗升高,影響IGBT的效率和散熱,因此開關頻率不宜過高;IGBT工作在低頻如fK10kHz時,主要為通態損耗,因此可以選擇低VCE(sat)IGBT,使通態損耗降低;綜上因素,本設計選用IGBT的開關頻率為1K左右。

因此,選用日立IGBT系列模塊MBN900D45AW,耐壓4500V,電流900A。

3.2  直流側支撐電容的參數計算與選型

根據經驗公式:

5

式中:I0——輸出電流有效值;ΔUd——直流側母線電壓;f——逆變器頻率;ψ——基波電壓與基波電流相位差。帶入相關數值,可以得到:

  6

因此選擇電壓等級2800V,電容量4000μF的薄膜電容。

3.3 脈沖整流器開關器件參數設計

(1) 脈沖整流器IGBT最大電壓

牽引工況時,四象限脈沖整流器在整流的同時還具有將電壓提升的功能,可以這樣計算:

 7

取適當的裕量,所以UN=1500V。根據上述逆變器選用IGBT的方法,可選取表1中耐壓值為3300V的IGBT。制動工況時,四象限脈沖整流器起到逆變作用,此時直流電壓依然為2800V,需要IGBT電壓等級為4500V。為了保證機車全速度范圍內的可靠性,IGBT的電壓等級應選取4500V。

2)脈沖整流器IGBT最大電流

電機端額定功率為1250kW,理想狀態下功率守恒,即逆變器輸出功率與電機輸入功率守恒,整流器輸出功率與逆變器輸入功率守恒,則整流器輸出功率為1250kW;則根據經驗公式可得,整流器平均工作電流為:

 8

式中:P為整流器輸出功率1250kW;γ線電流最大值系數,取1.3;ρ線電流的裕量系數,取1.2;η整流器效率,取0.99;η主發電機效率,取0.94;UD為直流環節電壓2800V;k為負載電流相對于相電流的倍數,取1.22。

代入數值得:

9

由公式(3),脈沖整流器中的IGBT最大電流為:

10

綜上分析,根據實際IGBT產品的規格,可以選用兩個額定電壓為DC 4500V,額定電流為1200A的IGBT并聯,型號為日立MBN45OOD12AW。

3.4  變壓器的參數計算

由上述推導過程已經算出UN=1500V,接觸網額定電壓為25KV。變壓器參數如表2所示。

                                                    

4  MATLAB/Simulink仿真

為了保證逆變器主電路設計的穩定可靠,能在接觸網電壓為DC 2800V的條件下把直流電壓轉換為頻率和幅值可調的三相異步電壓,從而使三相異步電動機電動機穩定的發出轉矩,讓有軌電車穩定地運行。本設計的牽引逆變器的主電路采用MATLAB軟件進行系統實際運行效果的仿真。取電機額定工作的工況下進行仿真,即在直流電源DC 2800V中間直流環節的直流電源下,工作頻率fz=46Hz,額定轉速n=1365r/min,額定電流I=390A,額定轉矩T=9550×P/n=8745N·m,Matlab/Simulink中建立的仿真模型如圖2所示。

                                                                                                          

                                                                              圖2  仿真電路圖

仿真電流、電壓、轉速結果如圖3-圖5所示。

 

 

 

5  轉速(額定1365r/min)

根據上文所得計算選型結果所建立的Matlab/Simulink如上,當主電路系統運行于額定工況時的電壓、電流、轉速如圖3-圖5所示,當系統運行于額定工況時,電機電流最終穩定于390A,電機轉速穩定于1365r/min,完全滿足設計要求,說明牽引逆變器主電路結構設計合理;而電機輸入電壓有效值穩定于2800V,說明本文所選擇的開關器件型號合理正確。

 結論

本次設計的牽引逆變器的主電路系統經過仿真檢測,在預設額定工況,仿真結果表明牽引電機在該主電路設計型式及設計參數下能夠使得電機正常運行(電機工作電壓DC 2800V,工作電流390A,轉速為1365r/min),證明了牽引逆變器主電路形式的正確性和各開關元件選型及參數的合理性,說明了本次設計中的有軌電車牽引逆變器能穩定的輸出三相電壓供給三相異步電動機,使三相異步電動機輸出穩定的轉矩,從而實現有軌電車的平穩運行。

 

參考文獻:

[1]翟士述. 高速動車組永磁同步電機牽引控制仿真研究[J]. 儀器儀表用戶,2020,27(03)7-10.

[2]賀寨,張球紅,楊文昭,劉業平. 格魯吉亞動車組牽引電傳動系統設計[J]. 機車電傳動,2018(04)19-23.

[3]鄒檔兵. CRH系列動車組牽引變流器主電路分析[J]. 鐵道機車車輛,2017,37(02)42-46.

[4]吳昊. 城市軌道列車電力牽引系統設計及仿真[D]. 西南交通大學,2015.

[5]張琳,劉琪. 交流傳動機車變流器與電動機容量匹配方式研究[J]. 中國科技信息,2007(18)90+92.

[6]丁榮軍. 交流傳動機車牽引特性曲線與變流器—牽引電機系統的匹配[J]. 機車電傳動,1999(06)14-16.

 
 
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