傅雪軍

(中車大同電力機車有限公司　技術(shù)中心, 山西大同 037038)

HXD2F機車(30 t軸重大功率交流貨運機車)是中車大同電力機車有限公司2013年的重要科研項目，該項目中的重要部件輔助變流系統(tǒng)由大同電力機車有限公司自主研制，其設(shè)計思想借鑒于HXD2的輔助變流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制而成。30 t軸重機車輔助變流系統(tǒng)在HXD2輔助變流系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行了輔助容量的增加，由原來的135 kVA增加到170 kVA，而且電壓諧波含量由原來的57%降低到小于8%，由于輔助參數(shù)進行了較大的改變，因此這是一個全新的設(shè)計，不但涉及到其中間電壓的改變，而且還涉及到需要增加濾波裝置進行電壓諧波含量的進一步減小。

1　輔助變流系統(tǒng)原理

HXD2F單節(jié)機車的輔助電源由兩組輔助變流器、一組充電機電路和一組AC 220 V電路組成，其中輔助變流器一組為定頻輸出，另一組為變頻輸出。當(dāng)其中任意一組故障時,另一組為所有的負(fù)載提供電源。輔助變流系統(tǒng)主要由斬波電路、過壓抑制電路、充電機電路、三相逆變電路、濾波等組成，輔助變流系統(tǒng)輸入電壓為1 800 V(其中1 800 V來自于主變流柜的四象限提供的電壓)，經(jīng)過斬波電路后電壓變?yōu)镈C 720 V，然后經(jīng)過三相逆變和濾波柜輸出380 V電壓。充電機采用DC-AC-DC的變換模式,輸入電路取自輔助變流器的中間電路720 V，變換為DC 110 V為整車低壓負(fù)載提供電源。其原理如圖1。

圖1　輔助變流原理圖

2　參數(shù)計算

2.1　中間電壓

由于輔助變流系統(tǒng)中三相逆變系統(tǒng)采用SPWM調(diào)制方式，同時需要考慮三相逆變模塊和濾波柜內(nèi)的電抗器和三相電容等器件的損耗，因此輸出三相電壓在理想狀態(tài)下假定能最大輸出440 V(這樣能保證三相逆變輸出電壓為380 V，除去部分器件損耗電壓)，根據(jù)SPWM調(diào)制方式輸出與輸入電壓公式：

(1)

根據(jù)式(1)，計算可得中間電壓Ud=720 V。

2.2　斬波輸出濾波電抗器

對斬波輸出電感、直流支撐電容調(diào)節(jié)時，有這樣的規(guī)律：電感越小，超調(diào)越大，越穩(wěn)定；電容越小，超調(diào)越小，紋波越大。因此，需要在穩(wěn)定度，超調(diào)量，紋波電壓之間進行折衷，根據(jù)此原則，電感選取原則如下：由于當(dāng)中間電壓達到400 V時，輔助三相逆變開始工作，因此V0=400 V，而占空比D此時應(yīng)該選擇條件最惡劣情況，當(dāng)輸入電壓為1 400 V時候，此時占空比D=720/1 400=0.514，最小電流應(yīng)該考慮只有水泵、油泵啟動的情況下，此時中間電流Iomin=40 A左右，fs=600 Hz，此時通過式(2)

(2)

可以得L>0.004 H，考慮到實際情況留有余量此時L=4.5 mH。

2.3　支撐電容

支撐電容的作用是濾出輸入直流電壓中的紋波，使直流電壓保持穩(wěn)定。其容量的選擇與輸入電壓的波動、輸入電流大小、紋波電壓的頻率等因素相關(guān)，根據(jù)式(3)

(3)

可以算C≧0.002 F，這里通過選取標(biāo)準(zhǔn)件，用8個6 800 μF/450 V的電容進行串并聯(lián)可以達到此目的。

2.4　充電機單相變壓器

如圖1，充電機主電路采用半橋結(jié)構(gòu)，充電機取自中間電壓720(1±5%) V，輸出直流電壓最大要達到120 V，假設(shè)整流二極管壓降為1 V，濾波電感壓降為120×5%=6 V，變比計算按照最低輸入電壓下，能夠輸出最高所需電壓計算，最大占空比按照0.85計算，得到變比為

N=原邊匝數(shù)/副邊匝數(shù)=0.5×原邊最低輸入電壓/副邊輸出電壓×最大占空比=

(0.5×684/(120+1+6))×0.85=2.29

2.5　三相電抗器和三相電容

為了使三相逆變電壓諧波含量小于8%，因此在三相逆變后輸出的PWM波應(yīng)該加上LC濾波裝置，此時LC參數(shù)的選取應(yīng)充分考慮到實際的運行情況，要保證輕載時三相逆變輸出電流相對較小情況下(這樣可以保證三相逆變IGBT損耗在輕載時較小)，因此三相電容參數(shù)應(yīng)該盡量能選取相對較小的容值，在保證這種前提下，通過以下介紹可以得出三相電抗器和三相電容值。

三相逆變輸出的容量為170 kVA,假設(shè)此時功率因數(shù)為0.9，因此三相率為170×0.9=153 kW，而每相輸出的相電壓220 V，因此特性阻抗為

ρ=(0.5-0.8)R=0.474～0.759

取ρ=0.63 截止頻率f=300 (3fs

L=ρ/(2πf)=334 μH

根據(jù)實際情況，這里三相電抗器取L=350 μH，計算完電抗器后，可以計算出三相電容對于Y連接:C=L/ρ2=881 μF，三相電容對于三角形連接C1=C/3=293 μF，最后取C=300 μF。

3　輔助變流系統(tǒng)matlab仿真模型

輔助變流系統(tǒng)由斬波電路、三相逆變電路、濾波器、充電機等組成其整體仿真模型如圖3，通過上面計算的參數(shù),計算參數(shù)可以在仿真模型中得到驗證,看仿真結(jié)果是否符合技術(shù)規(guī)范要求,進一步驗算參數(shù)計算的正確性。

圖2　PI調(diào)節(jié)器組成的系統(tǒng)框圖

圖3　輔助變流系統(tǒng)matlab/simulink仿真模型

在Matlab仿真模型中，斬波采用BUCK電路，模型通過PI調(diào)節(jié)器組成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2，根據(jù)此框圖原理，首先可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s),可根據(jù)勞斯盤踞選頂是系統(tǒng)穩(wěn)定PI值,再考慮到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)要求選定,可以得到Kp=3,Ki=0.1,通過給定合適的PI調(diào)節(jié)值,從圖6中可以看出，通過自身調(diào)節(jié),可以得到穩(wěn)定的720 V電壓,其電壓波動非常小。

充電機主電路采用的是隔離的半橋逆變電路，半橋式電路中變壓器為雙向激磁，利用率較高，而且沒有偏磁問題，半橋型電路開關(guān)器件數(shù)量少，電流等級要大一些，在成本上比較低。充電機采用恒壓充電方式，原理為：充電時，充電電壓保持一恒定值，隨著充電的進行，蓄電池的內(nèi)阻不斷增大，充電電流不斷減小，該充電方式優(yōu)勢在于由于電壓恒定，故可避免過充電，而且與恒流充電方式比較，電流的充電曲線更接近最佳充電曲線,其仿真模型如圖4。

三相電壓型逆變器負(fù)責(zé)將中間直流電壓變換為負(fù)載所需要的低dv/dt的三相電壓或正弦交流電。當(dāng)逆變器輸出電壓為低dv/dt的三相PWM電壓時，逆變器輸出端只需加張體積較小的dv/dt濾波器，輔助變流器系統(tǒng)綜合成本低，但此時對輔助電機等負(fù)載的散熱、絕緣要求高；當(dāng)要求變流器輸出正弦電壓波形時，三相電壓型逆變器之后需要加裝LC濾波器，此時對輔助電機等負(fù)載的散熱和絕緣要求低。機車用通風(fēng)機等負(fù)載多為三相異步電動機驅(qū)動，因而逆變器的控制方式采用恒電壓頻率比控制方式，以提高負(fù)載電機的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能，并采用SVPWM控制方式，而機車用水泵等頻率固定的負(fù)載，采用SPWM控制方式，如圖5，其輸出電壓波形如圖6,對波形進行 FFT分析其電壓諧波含量小于5%。

圖4　充電機matlab/simulink模型

圖5　三相逆變matlab模型

圖6　輸出仿真波形

4　試驗數(shù)據(jù)

圖7為輔助變流器的型式試驗數(shù)據(jù)，可以看出DC 720 V和DC 110 V電壓都波動非常小，與仿真波形類似，而AC 380 V滿載的諧波含量<3%,與上述仿真模型的FFT分析(FFT分析的THD為1.87%)接近，通過型式試驗的數(shù)據(jù)可以看出，理論分析和實際波形數(shù)據(jù)類似。

5　結(jié)束語

通過上面對輔助變流系統(tǒng)的參數(shù)計算和仿真模型分析,可以更好的掌握輔助變流系統(tǒng)的原理與架構(gòu),參數(shù)計算和仿真模型的搭建對輔助變流系統(tǒng)非常重要,是項目成功的關(guān)鍵。目前HXD2F輔助變流系統(tǒng)已經(jīng)通過型式試驗并且上線運營考核情況良好，進一步驗證了參數(shù)和仿真模型的可靠性。

驗證電壓和頻率范圍輸入最大電壓:DC 1 980 V1 981.81 977.71 978.6輸入電流/A24.0362.30104.02輸入功率/kW47.62123.21205.493AC 380 V/V189.56302.74377.81輸出電流/A135.19219.19268.0輸出功率/kW44.39114.94175.35功率因數(shù)1.001.001.00輸出電壓頻率(50±1)/Hz25.0040.0050.00輸出電壓諧波含量(<8)/%1.71.02.7

圖7型式試驗波形和數(shù)據(jù)