HXD2B電力機(jī)車(chē)主變流器工作原理淺析

中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司 李文斌 任永軍

一、主變流器的綜述

HXD2B型電力機(jī)車(chē)是以法國(guó)阿爾斯通公司PRIMA6000機(jī)車(chē)技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，由阿爾斯通與中國(guó)企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)并進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓的新型大功率交流傳六軸軸貨運(yùn)機(jī)車(chē)，牽引變流器的消化吸收及國(guó)產(chǎn)化工作由永濟(jì)電機(jī)公司來(lái)完成。永濟(jì)電機(jī)公司承擔(dān)HXD2B型電力機(jī)車(chē)主變流器的國(guó)產(chǎn)化供貨任務(wù)

HXD2B電力機(jī)車(chē)單軸輸出功率1600kW，機(jī)車(chē)總功率9600kW。每臺(tái)HXD2B型電力機(jī)車(chē)設(shè)有三臺(tái)主變流柜，每臺(tái)主變流柜裝有獨(dú)立的兩臺(tái)變流器，每臺(tái)變流器由IGBT模塊組成的四象限變流器和逆變器組成，對(duì)機(jī)車(chē)牽引、再生制動(dòng)實(shí)行連續(xù)控制。

二、主變流柜的構(gòu)造及基本參數(shù)

1、主變流柜的構(gòu)造

主變流器箱體為立體式結(jié)構(gòu)，按功能單元區(qū)分進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為軸1單元、軸2單元和散熱冷卻單元，每個(gè)軸單元的四象限整流器與逆變器為整體集成，結(jié)構(gòu)緊湊。主變流器功率容量大，功率模塊采用復(fù)合母排結(jié)構(gòu)和高壓IGBT元件，高壓斬波與逆變集成為一個(gè)模塊，主變流器包含兩個(gè)功能和結(jié)構(gòu)完全一致的軸單元，每個(gè)軸單元由兩個(gè)四象限整流模塊和一個(gè)逆變模塊組成，各為一臺(tái)牽引電機(jī)提供交流電源，四象限整流器中間有二次濾波回路。主變流器功率模塊采用水冷技術(shù)對(duì)IGBT元件進(jìn)行散熱。水冷系統(tǒng)采用模塊化、簡(jiǎn)統(tǒng)化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)完全相同獨(dú)立的冷卻單元組成，分別為兩套軸單元變流功率模塊進(jìn)行散熱冷卻，兩個(gè)冷卻單元只有風(fēng)機(jī)是公用的。

三、主變流器的工作原理

1、主變流柜電路原理

牽引變流器輸入端與主變壓器的次邊牽引繞組相連，并通過(guò)接觸器分與合，通過(guò)四象限變流器將單相交流電壓AC2100V轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的中間直流電壓DC3775V。中間直流回路設(shè)有中間支撐電容，二次濾波電容，接地檢測(cè)和保護(hù)裝置等，中間直流回路通過(guò)逆變器向牽引電機(jī)提供三相變頻電壓交流電AC2945V，一個(gè)逆變器對(duì)應(yīng)一臺(tái)牽引電機(jī)。四象限整流器和逆變器的正常工作由牽引控制單元TCU輸出控制脈沖來(lái)控制，機(jī)車(chē)電路原理圖如下：

2、功能介紹

（1）預(yù)充電電阻

四象限變流器在預(yù)充電過(guò)程中，由于中間濾波電容的存在，造成變流器在通電初始階段有比較大的充電電流。為了防止充電電流對(duì)系統(tǒng)造成危害，在四象限變流器起始階段接入充電電阻限制充電電流的幅值。

（2）放電電阻

放電電阻也成為肖鋒電阻。當(dāng)變流器中間電壓大于4200V時(shí)，通過(guò)控制斬波回路的IGBT將多余能量通過(guò)該電阻釋放，達(dá)到平衡中間電壓的目的，控制方式為方波信號(hào)。

（3）中間支撐電容

中間支撐電容的作用是吸收變流器中間回路的紋波電壓，在四象限變流器和電機(jī)逆變器之間實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡。

（4）二次濾波電容

二次濾波電容的作用是吸收中間回路的二次諧波分量。

（5）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、熱交換器、水泵和膨脹水箱組成。通過(guò)熱交換器的冷卻空氣由冷卻風(fēng)機(jī)提供，熱交換器有兩個(gè)散熱器裝配在一起，一個(gè)散熱器冷卻一個(gè)軸中功率模塊散發(fā)的能量。水泵的作用為水冷卻液的循環(huán)提供動(dòng)力，TCU通過(guò)安裝在水泵的壓力傳感器進(jìn)行冷卻液壓力和旋轉(zhuǎn)方向的控制。若膨脹水箱內(nèi)部的空氣壓力P大于0.3bar或P小于 -0.1bar時(shí)，可以通過(guò)雙向閥門(mén)和周?chē)諝膺M(jìn)行交換。

（6）慢性放電電阻

為了在機(jī)車(chē)上進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，必須確保電容器的放電。為此，接地規(guī)程在干預(yù)之前流出一段時(shí)間是電容器能夠在慢性放電電阻上進(jìn)行放電。為確保操作人員的安全，放電也通過(guò)短路電阻進(jìn)行。此放電是在機(jī)車(chē)停車(chē)且受控軸斷開(kāi)的情況下進(jìn)行。

如果放電一段時(shí)間電壓未降至45V電壓以下，機(jī)車(chē)記錄一個(gè)故障“DA_DCHES：直流鏈路未放電”，并對(duì)相應(yīng)的軸進(jìn)行隔離。

（7）牽引控制單元（TCU）

牽引控制單元應(yīng)有足夠的抗干擾能力，接觸網(wǎng)電壓和波形變化、機(jī)車(chē)升降受電弓或合、斷主電路均不影響其工作。其具備如下基本功能：

恒力矩、恒速和定速控制功能；

空轉(zhuǎn)、滑行保護(hù)、粘著利用控制功能；

軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償控制功能；

牽引電機(jī)在牽引和制動(dòng)條件下的最大電流限制控制；

過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能。

3、牽引功率模塊的工作原理

HXD2B電力機(jī)車(chē)牽引功率模塊包括四象限功率模塊、四象限及斬波功率模塊兩種。功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)交流變直流再到可以變頻的交流電，主要還是靠可控元件IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（1）牽引電機(jī)控制原理

高壓電網(wǎng)的單相交流高壓電經(jīng)過(guò)變壓器將電壓降為單相交流電2100V，經(jīng)過(guò)CVE將2100V的交流電整流為直流電3775V，再經(jīng)過(guò)OND-H的一個(gè)橋臂和OND將直流電逆變?yōu)槿?945V的交流電來(lái)為電機(jī)供電。如果中間電壓過(guò)高，OND-H的另一個(gè)橋臂的IGBT會(huì)接收到TCU的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，將多余的能量通過(guò)肖鋒電阻釋放掉，以此來(lái)保持中間電壓的穩(wěn)定。

（2）四象限功率模塊主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由TCU發(fā)出控制信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，將單相交流2100V整流成DC3600，為后續(xù)的逆變電路供電。

模塊采用水循環(huán)冷卻方式，冷卻液為50%水和50%乙二醇混合液體，水循環(huán)系統(tǒng)與變流器共用。模塊以水冷基板為中心向兩側(cè)安裝部件，水冷基板上安裝有進(jìn)、出水接口以及機(jī)械定位銷(xiāo)，水接口采用快速水連接器，插拔方便，機(jī)械定位銷(xiāo)供模塊安裝到變流器時(shí)定位、支撐使用。

（3）四象限斬波功率模塊主要結(jié)構(gòu)及工作原理

模塊包括一個(gè)雙管并聯(lián)的橋臂和一個(gè)斬波制動(dòng)橋臂，并聯(lián)的橋臂可以作為整流電路的一個(gè)橋臂，也可以作為逆變電路的一個(gè)橋臂。TCU發(fā)出控制信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)功率變換。

模塊采用水循環(huán)冷卻方式，冷卻液為50%水和50%乙二醇混合液體，水循環(huán)系統(tǒng)與變流器共用。

[1]2Q224.電力機(jī)車(chē)主變流器.永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司.

[2]王富珍.IGBT和功率模塊原理與應(yīng)用.永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司,2012年8月18日.

[3]張晉芳.IGBT和功率模塊原理與應(yīng)用.永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司,2012年8月.