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160km/h快速客运电力机车主电路设计

发布日期:2021-10-19   来源:《变频器世界》21-09期   作者:孙渤,孟繁群,宋吉卿,吕玲   浏览次数:2494
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【摘   要】:本文针对160km/h快速客运电力机车牵引主电路进行研究,根据牵引系统的主要技术要求确定了160km/h快速客运电力机车的基本电路型式并通过分析、比较,最终确定整流器与逆变器电路的具体型式;并对各部分及整个系统的工作原理进行了论证分析。最后利用MATLAB软件进行仿真,通过对典型工况的仿真的结果分析验证了器件选择的合理性。


关键词:主电路;牵引变流器;IGBT选型

 

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

随着我国高速铁路的迅速发展,国外相关技术的引进,干线铁路电力机车正向着功率更大,速度更高,可靠性更强的方向发展。因此,深入研究电力机车的牵引系统,有助于加大我国轨道车辆的自主创新能力.

2  主电路总体方案设计

本文根据原铁道部交流传动快速客运电力机车设计任务书(20120301155123)的要求,以三相异步电动机为牵引电动机,设计一种采用交直交传动、时速160KM的客运电力机车电传动系统主电路。

2.1  主电路形式设计

机车运行时有三个基本状态:起动,调速及制动。为了使机车的牵引能力得达到最大程度的发挥,使其在牵引系统允许的情况下可以发挥出更大的牵引力。因此,在设计机车主电路时应考虑:机车的供电方式、电机的调速方式、牵引电机形式以及牵引电机的数目及牵引变流器与牵引电机的匹配方式等。

我国电气化铁路设置的接触网电压为单相交流工频25kV,但电力机车应用的牵引电机为三相交流异步电机,因此主电路的功能就是在电网与电机之间实现电压电流的变化,为机车电机提供合适的电压。在主电路中,为了达到电压由单相25kV降至电机的三相电压,主电路基本结构可以如此确定:首先在受电弓接收到高压后设置降压变压器,达到适合电机运行的电压等级;随后连接整流器,整流器的作用体现在:在牵引工况下,实现AC-DC变换;在制动工况下,实现DC-AC变换;为了能够驱动三相交流电机,直流侧还需要设置逆变器,将直流电逆变为电机所需的三相交流电,使电机能完成起动、调速、制动等各种工况下的正常工作。主电路原理图如图1所示。
                                      

 

                                                                               图1 主电路原理图

目前我国的机车用牵引变流器的主电路系统为交-直-交型式,在此系统中包括整流器、中间环节、逆变器。通常整流器选择四象限脉冲整流器,与不控整流相比,四象限脉冲整流器的优点在于:它能够使牵引变压器原边的功率因数接近单位值,降低网侧谐波;逆变器通常采用PWM逆变器,它可以使输出频率和电压可控,在机车制动时,还可以向电网回馈电能,有良好的节能效果。

2.2 系统工作过程分析

系统处于牵引工况时,受电弓从接触网处获取电能,经由变压器降压得到适合机车牵引的电压等级后输入变流器。四象限脉冲整流器将变压器输入的单相交流电整流为直流电,经过直流环节的支撑电容和过电压保护电路后输入牵引逆变器。逆变器可将直流电逆变为三相交流电供给异步电机,从而带动轮对旋转,实现机车牵引。

再生制动时,电机提供负转矩,此时的牵引逆变器用作整流器,将电机侧的交流电整流传入直流环节,而四象限脉冲整流器起到逆变的作用,将直流电逆变为单相交流电,这次经由变压器升压回馈至接触网。

在牵引及制动过程中,若出现过电压的情况,则直流环节过压保护开启,当电压降至过压下限时,关闭过压保护。

 3 主电路主要技术参数设计
3.1
  逆变器开关器件参数设计
1)逆变器IGBT最大耐压值

根据原铁道部交流传动快速客运电力机车设计任务书(20120301155123)的参数规定及要求,本设计中异步电动机的相关参数为:额定功率1250kW、额定电压2150V、额定电流390A、额定转速1365r/min,额定频率46Hz

参考主电路型式(如图1)可以看出直流环节电压经过两电平逆变器逆变为三相交流电供给电机,因此,根据三相逆变器输出最高线电压与直流环节电压的关系公式:

1

其中:U0——逆变器输出交流侧电压;Ud——直流环节电压。

可得Ud=2756V,因此取直流侧电压为2800V

由于实际电路工作中会出现过载,电压波动,电压尖峰等现象,通常IBGT耐压都是直流母线电压的一倍。如果有足够好的结构、布线和吸收,IGBT耐压值可适量降低。IGBT的电压等级可按以下公式计算:

2

但由于Lsdi /dt无法确定,因此可按表1给出的根据接触网上的交流电压和直流母线电压列出的IGBT耐压的参考值进行选取。根据表1的参数,本次逆变器主电路逆变器直流母线电压为2800V,所以应选取耐压值为4500V的IGBT。

                                          


2)逆变器IGBT最大工作电流

已知电机的额定电流为390A,直流侧电压2800V,由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的,这样会使直流稳定量中带有一些交流成份,这种交流分量叫做纹波。因此,在计算时,通常在理想结果上乘以一个纹波系数,纹波系数,简单的说,就是直流电压中的交流成分的峰峰值。再者,电机可能会存在一定程度过载现象,为了使电机过载时的可靠性,可在计算时乘上一个过载系数,以保证安全运行,IGBT的最大工作电流又下式确定:

 3

其中:λ——过载系数,取2;μ——纹波系数,取1.1;IN——电机额定电流390A。

代入数字后的IGBT的最大电流为:

4

因此选取额定电流值与1820A接近的IGBT就可以。通过上述分析及计算,考虑到实际IGBT产品的规格,选用两个额定电压为DC 4500V,额定电流为900A的IGBT并联.

3)逆变器IGBT开关频率

IGBT的损耗包括通态损耗以及开关损耗,这两种损耗的比例依据具体情况存在不同IGBT的饱和压降VCE(sat)决定了通态损耗,IGBT的开关时间ton决定的是开关损耗,但此二者之间互相矛盾理论上IGBT的开关频率越高越好,IGBT工作在高频如fK10kHz时,IGBT的开关频率过高会导致开关损耗升高,影响IGBT的效率和散热,因此开关频率不宜过高;IGBT工作在低频如fK10kHz时,主要为通态损耗,因此可以选择低VCE(sat)IGBT,使通态损耗降低;综上因素,本设计选用IGBT的开关频率为1K左右。

因此,选用日立IGBT系列模块MBN900D45AW,耐压4500V,电流900A。

3.2  直流侧支撑电容的参数计算与选型

根据经验公式:

5

式中:I0——输出电流有效值;ΔUd——直流侧母线电压;f——逆变器频率;ψ——基波电压与基波电流相位差。带入相关数值,可以得到:

  6

因此选择电压等级2800V,电容量4000μF的薄膜电容。

3.3 脉冲整流器开关器件参数设计

(1) 脉冲整流器IGBT最大电压

牵引工况时,四象限脉冲整流器在整流的同时还具有将电压提升的功能,可以这样计算:

 7

取适当的裕量,所以UN=1500V。根据上述逆变器选用IGBT的方法,可选取表1中耐压值为3300V的IGBT。制动工况时,四象限脉冲整流器起到逆变作用,此时直流电压依然为2800V,需要IGBT电压等级为4500V。为了保证机车全速度范围内的可靠性,IGBT的电压等级应选取4500V。

2)脉冲整流器IGBT最大电流

电机端额定功率为1250kW,理想状态下功率守恒,即逆变器输出功率与电机输入功率守恒,整流器输出功率与逆变器输入功率守恒,则整流器输出功率为1250kW;则根据经验公式可得,整流器平均工作电流为:

 8

式中:P为整流器输出功率1250kWγ线电流最大值系数,取1.3;ρ线电流的裕量系数,取1.2;η整流器效率,取0.99;η主发电机效率,取0.94;UD为直流环节电压2800V;k为负载电流相对于相电流的倍数,取1.22。

代入数值得:

9

由公式(3),脉冲整流器中的IGBT最大电流为:

10

综上分析,根据实际IGBT产品的规格,可以选用两个额定电压为DC 4500V,额定电流为1200A的IGBT并联,型号为日立MBN45OOD12AW。

3.4  变压器的参数计算

由上述推导过程已经算出UN=1500V,接触网额定电压为25KV。变压器参数如表2所示。

                                                    

4  MATLAB/Simulink仿真

为了保证逆变器主电路设计的稳定可靠,能在接触网电压为DC 2800V的条件下把直流电压转换为频率和幅值可调的三相异步电压,从而使三相异步电动机电动机稳定的发出转矩,让有轨电车稳定地运行。本设计的牵引逆变器的主电路采用MATLAB软件进行系统实际运行效果的仿真。取电机额定工作的工况下进行仿真,即在直流电源DC 2800V中间直流环节的直流电源下,工作频率fz=46Hz,额定转速n=1365r/min,额定电流I=390A,额定转矩T=9550×P/n=8745N·m,Matlab/Simulink中建立的仿真模型如图2所示。

                                                                                                          

                                                                              图2  仿真电路图

仿真电流、电压、转速结果如图3-图5所示。

 

 

 

5  转速(额定1365r/min)

根据上文所得计算选型结果所建立的Matlab/Simulink如上,当主电路系统运行于额定工况时的电压、电流、转速如图3-图5所示,当系统运行于额定工况时,电机电流最终稳定于390A,电机转速稳定于1365r/min,完全满足设计要求,说明牵引逆变器主电路结构设计合理;而电机输入电压有效值稳定于2800V,说明本文所选择的开关器件型号合理正确。

 结论

本次设计的牵引逆变器的主电路系统经过仿真检测,在预设额定工况,仿真结果表明牵引电机在该主电路设计型式及设计参数下能够使得电机正常运行(电机工作电压DC 2800V,工作电流390A,转速为1365r/min),证明了牵引逆变器主电路形式的正确性和各开关元件选型及参数的合理性,说明了本次设计中的有轨电车牵引逆变器能稳定的输出三相电压供给三相异步电动机,使三相异步电动机输出稳定的转矩,从而实现有轨电车的平稳运行。

 

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