地铁车辆集成式牵引高压箱设计

李 凯 宁 波 崔元虎

(西安中车永电捷通电气有限公司 陕西 西安 710016)

0 概 述

牵引系统是城市轨道地铁车辆的关键核心，被称为其“心脏”的牵引逆变器的性能优劣直接关系到地铁车辆的运行效率、运输能力、行车安全等多方面问题[1-4]。目前，牵引系统主流的配置方式为高压设备与牵引逆变器分体式配置(见表1)。车下配置采用单独的隔离开关箱、高速断路器箱和牵引逆变器箱，共同布置于动力车下(Mp或M)。由于牵引系统设备众多，造成了各设备间的接口多种多样，车下设备布局、布线困难，同时也给维护人员增加了工作量。因此，设计和开发具有集成度高、性能好、维修便利的地铁车辆牵引系统具有重大意义。采用设备集成方式布局，车下配置如表2所示。

表1 分体式车下设备配置

表2 集成式车下设备配置

对比表1和表2，车下设备数量和接口数量大幅度减小。下文以某地铁车辆牵引高压箱为研究对象，综合考虑器件的布局、散热、柜体强度和电气接口的简统等进行结构设计，通过把上述分体式牵引高压系统集成到一起，从而减轻了牵引高压系统质量，减少了车下设备和接口的数量，有利于设备的简统化、轻量化和小型化。使车下布局空间大幅增加，有利于主机厂车下配置、布线和减轻维护难度。从而提高了牵引系统的稳定性和可维护性，降低了系统成本。

1 主要电气参数及整体方案

1.1 主要技术参数

额定的输入电压为DC1 500 V；最大输出功率为2×1 300 kVA；最大输出电流为2×574 A；输出电压为 三相AC 0～1 130 V；质量为1 160 kg；冷却方式：强迫风冷。

1.2 主电路原理

牵引高压箱主电路原理如图1所示，DC1 500 V滤波后经逆变单元变换成频率、电压均可调的三相交流电。牵引系统主电路采用2×1C2M双模块架控方式，即每个模块包含一个逆变单元，控制一个转向架上的两台电机。系统主要由高压电路、预充电电路、逆变电路、蓄电池应急电源电路和滤波电路组成。两组逆变电路可独立工作，故障时以单元为单位进行切除，正常单元继续运行。柜体内集成隔离开关、库用插座、辅助熔断器、高速断路器、应急牵引接触器、隔离二极管、滤波电容器、滤波电抗器、功率模块和控制单元等。

图1 主电路原理图

2 结构设计

柜体采用三段式分布设计，即两侧密闭区以及中间通风区。框架和门盖板共同组成牵引高压箱柜体。整个柜体框架材料为06Cr19Ni10，钣金件通过机加和焊接拼接而成。外形尺寸(L×W×H)为：2 250 mm×1 770 mm×590 mm，牵引高压箱总质量为1 160 kg。质量功率密度2.25 kW/kg，相对于典型分体式牵引逆变器和高压箱提高了3.7%；体积功率密度为1 107 kW/m3，相对于典型分体式提高了19.2%，在体积和质量方面具有一定优势。

门盖板与框架之间使用密封条进行密封，焊缝缝隙处涂抹密封胶。柜体密闭室防护等级为IP55，通风室防护等级为IP20。门盖具有未闭合检测功能以及二次防松脱功能。外形及器件布局图示意如图2所示。

3 风道设计

集成式牵引高压箱的主要特点是布局紧凑、发热器件多、功率等级大。风道结构设计的合理与否对散热效果和噪声有着直接影响。柜体中需要冷却的发热部件为：功率模块(PU)、滤波电抗器和二极管。根据功率模块损耗的计算，最终采用型材散热器+强迫风冷的冷却方式。顶部进(吸)风，底部出风的方式散热，风道结构如图3所示。冷却风通过对称布置的滤网和功率模块散热器后到达风机，经过离心风机导向后通过电抗器，热风从箱体底部的出风口排出。另外，二极管组件(隔离/防逆二极管)采用型材散热器自冷却方式，箱体顶板和底板开有散热的网孔。

综合考虑功率模块温升、电抗器温升和系统阻力，选择合适的离心风机，保证风道中发热器件所需的风量。所选的风机P-Q性能曲线如图4所示。

1—隔离开关；2—预充电单元；3—应急牵引单元；4—控制单元；5—滤波电抗器；6—滤网；7—冷却风机；8—功率模块；9—高速断路器。图2 牵引高压箱布局图

图3 风道结构

图4 风机P-Q曲线

柜体中的噪声来源主要是风机旋转噪声、风道内气流的气动噪声和柜体的振动噪声。其中，气动噪声对整体噪声值的影响最大。为了减少风阻和降低气动噪声，在风道中设计了导风板，在风机室一周设计了圆弧过渡导风板。

4 强度仿真

4.1 计算依据

柜体为拖装结构，通过6个吊耳与车体底部连接。为避免柜体与车体发生共振，柜体的一阶固有频率应高于30 Hz[5]。柜体静强度设计依据EN 12663，标准规定使用屈服强度进行设计时，安全系数S≥1.15，且许用应力

[σ]=σs/S

(1)

其中，σs为材料屈服强度，单位为MPa。

柜体材料为06Cr19Ni10，依据公式(1)计算得到的许用应力为178.3 MPa。为保证柜体全寿命周期的可靠性，冲击振动试验是必做的型式试验，试验标准为：IEC 61373—1999 1类A级。

分析用坐标系与EN12663要求一致，X向为纵向，即列车行进方向，Y向为横向，即枕木方向，Z向为垂向，g=-9.81 m/s2。按照表3的载荷条件施加载荷约束。

表3 载荷条件

4.2 模态分析

箱体结构件为钣金件，使用壳单元进行离散，壳网格尺寸为10 mm，共计约20万个网格。对箱体刚度影响较大的电器品简化为质量点，质量点使用rigid刚性连接。利用ANSYS WorkBench软件对建立的有限元仿真模型进行模态分析,分析结果如表4所示。

表4 模态分析结果 /Hz

一阶固有频率为34.8 Hz，高于设计要求的30 Hz，满足设计要求。一阶振型如图5所示。

4.3 静强度分析

6种工况下柜体的Mises应力最大值如表5所示，最大应力出现在工况5。

图5 一阶振型

表5 强度分析结果 /MPa

从结果中可以看出，6种工况下柜体最大应力出现在PU安装孔和风机安装孔处，这两个位置的应力均为奇异应力。柜体在分析时，由于模型简化原因，应力奇异点通常会在内尖角处、螺栓连接处(边界条件施加位置、电器品固定点等)以及焊缝连接处。在网格质量和网格尺寸合适的条件下，若螺栓和焊缝处的奇异应力安全系数不满足要求，则需对其单独进行强度评定。静力学分析结果表明，6种工况下箱体最大应力均小于许用应力，满足静强度设计要求。

5 试验验证

5.1 噪音试验

噪音试验依据标准GB/T 1094.10进行，测点位于基准发射面1 m处。在测试过程中，从每个面均匀选取3个测试点，共计12个测试点。各测点所得A计权声压级通过公式(2)计算得到平均A计权声压级：

(2)

由于背景噪声声级与产品合成声级差值大于10 dB，因此，无须对产品合成声级进行背景噪声的修订。

试验结果表明，A计权平均声压级符合噪声限值要求。

5.2 温升试验

风机在额定电压下，滤网堵塞15%的风量按公式(3)进行计算：

Q=3 600V×S

(3)

其中：Q为风量，m3/h；V为所测点风速，m/s；S为进风口面积，m2。

经过测量，所测点风量均满足设计要求。在电压DC1 500 V、AW3工况额定电流下，对进出风口和功率模块、滤波电抗器等发热设备的温升进行了测量，同时也对箱体内其余设备的温升进行了监控。功率模块散热器表面及关键部件和位置布置热电偶对温度进行监测。按要求进行温升试验(见图6)，试验结果表明，功率模块、滤波电抗器、二极管等部件的温升均满足温升限值要求。

5.3 冲击振动试验

为验证结构强度以及仿真结果的准确性，对首台实物样机按照标准IEC 61373—1999 1类A进行试验。样机在试验结束后未发生结构破坏，且性能试验满足设计要求。

6 结束语

相比主流的分体式牵引系统，集成式牵引系统有效解决了车下布局空间紧张、接口繁多、维护不便等问题。利用此集成式牵引系统平台，可减少车下设备种类、简统电气接口，降低牵引系统成本，提高轨道交通车辆的可靠性、经济性和安全性。目前，此集成式牵引系统已经批量交付主机厂，应用于多条城市地铁线路。

图6 温升试验示意图