城际动车组牵引辅助变流器的研制

魏 兴，周俊安

(西安中车永电捷通电气有限公司，西安 710016)

1 牵引辅助变流器的结构方案

1.1 工作原理

牵引辅助变流器通过牵引变压器二次侧输出的三相AC950 V供电，主电路由四象限变流器、中间直流电路、牵引逆变器、辅助逆变器、无火回送单元组成。主电路原理如图1所示。控制电源DC110 V，牵引容量2×851 KVA，辅助额定输出容量180 KVA。变流器内部集成有水冷系统，为产品整流功率模块、逆变功率模块、辅助功率模块及变压器等发热部件提供冷却。

牵引辅助变流器牵引部分主电路由两个供电单元组成，每个供电单元包含一组四象限PWM整流器和VVVF逆变器，每个供电单元向一个转向架上的两台牵引电机供电。两个整流供电单元的直流环节并联，给辅助逆变器供电，直流电源经过逆变、降压和滤波后输出三相AC380 V向负载供电。

图1 牵引辅助变流器主电路原理图

1.2 结构布局

牵引辅助变流器设备外形尺寸(长×宽×高)为：4 000 mm×2 256 mm×638 mm，重量为2 840 kg。牵引部分主要部件有主接触器、充电接触器、电流传感器、功率模块、过压抑制电阻、慢放电阻等，辅助部分主要部件有功率模块、变压器、滤波器、电压传感器、输出接触器等，另外箱内集成有水冷系统。牵引辅助变流器外形图如图2所示。

牵引辅助变流器结构布局的主要依据是图1主电路原理图，此外还应综合考虑柜体承载结构、各部件冷却方式、重心分布、爬电距离、EMC、电气间隙、布线结构、检修与运维等设计因素。柜体框架采用Q345E材质折弯、焊接成型，结合电气部件的耐低温选型，可保证产品在-40℃～+40℃稳定存储与工作。牵引辅助变流器内部布局如图3所示。

图2 牵引辅助变流器外形图

图3 牵引辅助变流器内部布局图

1.3 水冷系统结构设计

该牵引辅助变流器采用模块化的设计原则，柜内发热部件共有整流功率模块×2，逆变功率模块×2，辅助功率模块×1，变压器×1。其中5个功率模块均采用水冷却方式，变压器采用强迫风冷却方式。水冷系统结构见图4。水冷系统中集成有外部散热器、水泵、风机、管路、传感器等部件，整机通过水泵加压，将低温冷却介质压入功率模块水冷基板入水口，冷却介质与发热器件之间进行热交换，冷却介质温度上升并流入外部散热器，在风机及外部散热器的作用下，冷却介质释放热量、温度下降，循环工作。管路与水冷基板、分水器通过快插插头连接[1]。

风机选型为无外壳离心风机，从散热器外侧吸风后，继续将风排向变压器，为其进行强迫风冷却，具体如图5所示。

图4 牵引辅助变流器外形图

图5 强迫风冷散热结构

2 水冷系统热流场计算

水冷系统设计应满足各器件散热需求且不超过设计温升。其中，整流模块发热功率12 kW，逆变模块发热功率7.4 kW，辅助模块发热功率8.1 kW。考虑水泵发热量及箱内空气的散热，通过水冷散热的总功率约为50 kW。为了适应-40 ℃环境的低温，冷却介质采用乙二醇水溶液。

2.1 模块仿真计算

由于IGBT原件内部一般包含衬底(AlSiC)、芯片焊接层、芯片层(IGBT和二极管芯片)。因此，为准确计算水冷板表面的温度，模块结构简化模型如图6所示[2]。根据IGBT结壳温升核算，基板表面最高温度不得超过85 ℃。以发热功率最高的整流模块为例(逆变、辅助模块基板温升均低于整流模块)，通过Icepak软件进行热流场仿真[3]，结果如图7所示。基板表面相对于入水温度的温升小于16 K，进出口水温温差小于5 K。因此，水冷系统的最高水温应小于74 ℃。

图6 整流模块简化模型

图7 整流模块冷板温度分布(入水温度64 ℃)

图8 变压器线圈温度分布

2.2 强迫风冷仿真计算

由1.3可知，空气经由滤网和散热器后进入风机，然后对变压器等部件进行冷却。对风道进行仿真，变压器仿真结果如图8所示，最高温升为93 K，表面平均温升63 K。

2.3 系统流阻计算

水冷系统管路阻力由沿程阻力损失及局部阻力损失计算获得。根据各部件流阻及水泵扬程流量曲线，核算出水冷系统的压力分布(表1)及各支路流量(表2)，支路流量根据各支路散热功率进行分配。

表1 系统压力分布

表2 各支路流量(总流量160 L/min)

2.4 系统温升核算

根据不同的滤网堵塞率、运行海拔、进口负压和风机转速核算基板最高温度如下表3所示。当滤网堵塞50%，海拔为1.5 km时，基板表面温度仍满足设计要求。

表3 不同工况下基板表面温度

3 结构强度仿真

牵引辅助变流器通过顶部12个吊耳垂直吊装在动车组车体下部，柜体框架除了承受自身重力外，还需承受来自轨道面传递的随机振动加速度。为保证变流器在此工况下正常工作，需要对产品进行结构强度仿真及模态分析，以验证柜体强度、固有频率是否满足相关设计标准要求。本节通过对牵引辅助变流器建立简化模型、约束加载，进行有限元仿真计算，得到其结构特性。

3.1 仿真计算条件

首先对柜体的三维模型进行简化，生成几何模型，柜体各部位所用的材质为碳钢Q345E，密度7 850 kg/m3，弹性模量206 GPa，泊松比0.28，材料屈服强度345 Mpa，许用应力按300 MPa设计。柜体主要结构为钣金件，使用壳单元进行离散，壳网格尺寸为10 mm，共计约47万个网格。门盖和质量较大的部件均简化为质量点。对柜体刚度影响较小的质量点使用deformable连接，对柜体刚度影响较大的质量点使用rigid连接。边界条件为：柜体通过12个吊耳安装孔与车体连接，使用完全固定约束，依据标准EN 12663-1要求，施加静强度分析所用的工况。仿真分析软件为：ANSYS Mechanical 18.2。

3.2 仿真计算结果

模态分析主要是计算产品的固有频率并确定其结构的振动形式[4]，进而判定产品的固有频率与车辆、轨道是否存在共振点或共振范围重叠。通过模态仿真计算，产品第一阶到第六阶振型对应的固有频率分别为34.1 Hz、35 Hz、35.5 Hz、36.1 Hz、37.2 Hz、38.1 Hz。本产品一阶振型如图9所示。柜体结构设计要求最低阶的固有频率为30 Hz，本模态分析最低阶固有频率约为34.1 Hz，满足设计标准要求。产品静力学仿真分析计算结果如图10所示，结果表明，柜体最大应力出现在EN12663-1标准工况5下，即受垂向向下3 g加速度时，柜体与吊耳焊接处最大应力约为170 MPa，安全系数为1.76，满足结构静强度设计要求。

图9 模态仿真分析计算结果

图10 静力学仿真分析计算结果

图11 牵引辅助变流器装车照片

4 试验验证

通过上述仿真分析与计算从理论上验证了产品结构方案。为了进一步验证产品结构设计的合理性、仿真结果的准确性以及产品的可靠性，在完成产品样机的试制后，需要对牵引辅助变流器样机进行温升试验、冲击振动试验。研制的牵引辅助变流器产品照片如图11所示。

4.1 温升试验

产品输入电压为三相AC950 V，输出带电机负载功率340 kW，输出频率115 Hz，辅助负载180 KVA、过滤网堵塞15%的工况下连续工作，通电时间以各部件的温度达到稳定(1 h温度变化不超过1 K)为准，环境温度38.4 ℃。牵引辅助变流器内部布置了多个热电偶温度探测点以及温度标签，对发热部件、空气温度进行监测。产品连续运行4 h，热电偶以0.5 Hz的频率记录温升数据。

图12 牵引辅助变流器温升曲线

图12为牵引辅助变流器的温升曲线。横坐标为时间，纵坐标为温度值，随着时间t的变化，各监测点的温度均在缓慢上升，因为每个监测点的发热功率不一样、散热效率也不同，每条温升曲线上升的趋势也有所不同，当冷却系统的散热功率与各个功率器件的发热损耗达到平衡后，温度上升逐渐趋于平缓，并最终达到稳态。各监测部件温度详见表4，其中整流功率模块水冷基板表面的最终稳定温度为50.5 ℃，温升为12.1 K，满足散热器最大温升23 K的要求，逆变功率模块水冷基板表面最终稳定温度为49.7 ℃，温升为11.3 K，满足散热器最大温升23 K的要求，辅助功率模块水冷基板表面的最终稳定温度为46.1 ℃，温升为7.7 K最大温升23 K的要求。输出变压器表面温度69.3 ℃，温升30.9 K，均满足部件设计要求。上述试验结果与仿真结果较为吻合，表明该牵引辅助变流器在其最高的环境温度(40 ℃)下长时间工作时，冷却系统能很好地满足产品的散热需求，能够长时间稳定运行。

表4 各发热部件的实测温度

图13 牵引辅助变流器振动冲击试验

4.2 冲击和振动试验

为验证牵引辅助变流器产品的结构强度、仿真分析结果的准确性、结构设计的可靠性，对其进行冲击和振动试验，依据标准为IEC 61373-2010；试验量级：1类A级；设备重量2 840 kg；试验频率：f1=0.88 Hz，f2=26.4 Hz；将牵引辅助变流器按实际吊装状态安装至试验工装，产品与工装、工装与试验台均为刚性连接，激振源采用平均控制模式，分别进行模拟长寿命试验、冲击试验、功能随机振动试验。试验结果表明柜体结构完全满足设计标准要求。

5 结语

我们研制的城际动车组牵引辅助变流器解决了变流装置发热功率大、发热部件集中的散热难题。在重量、体积及功率密度(重量功率密度：0.662 kW/kg，体积功率密度：326.5 kW/m)上也有较大优势，模块化的设计原则有利于各部件单元的在线更换、检修和维护工作。在牵引辅助变流器设计阶段通过仿真分析手段可以有效指导产品的设计验证及方案优化，节约研发成本、降低研发风险,最终通过相关地面试验验证，表明城际动车组水冷牵引辅助变流器满足各项结构设计标准要求，具有较高的产品应用价值。目前该系列产品已小批量装车运行。