一种大功率内燃机车牵引变流器设计

张涛，柴媛，李锦

（中车永济电机有限公司，陕西西安，710016）

0 引言

大功率内燃机车作为铁路运输的重要组成部分，在铁路货运和客运中扮演着重要角色。牵引变流器作为内燃机车的核心部件之一，在提高机车牵引力和控制能力方面起着关键作用，其主要功能是将内燃机产生的功率通过电机转换为牵引力，以驱动车辆进行货运运输。

本文介绍了一种具备起车和移车功能的牵引变流器的电路拓扑，该系统集成度高，功率密度大，智能，互联，绿色，环保。本文分别介绍了系统及子部件的电气功能、理论计算、选型方法，并通过仿真和试验验证了设计思路和合理性、可行性。

1 系统概述

本文以某交流传动货运内燃机车为例，整车包含前后两架，两架共用一台牵引变流器，每台牵引变流器包含不控整流单元、牵引逆变单元等，主电路拓扑示意见图1。

图1 牵引变流器主电路拓扑示意图

主电路采用两路独立中间直流母线设计，每路包括不控整流，逆变和斩波电路。内部器件主要包含2 组三相不控整流器、2 组牵引逆变器、2 组三相交流接触器、1 组起机转换开关、1 组蓄电池移车转换开关、2 组接地检测单元和1 台控制单元等组成。

2 工作原理

■2.1 主要技术参数

整车电传动系统参数如表1 所示，牵引变流器技术参数如表2 所示。

表1 整车电传动系统参数

表2 牵引变流器技术参数

牵引系统三相不控整流器将AC 600V～2066V 电压变换成DC850V～2650V 的中间直流回路电压，供牵引、辅助系统使用。牵引逆变器将DC850V～2650V 中间直流电压变换成AC0～2066V 交流电供给6 台牵引电机使用。

起车时，蓄电池110V 通过转换开关DCL，进到中间直流母线，启动牵引逆变相模块，将蓄电池电压逆变为交流电后，转换开关CTS 与牵引电机断开，与主发连接打开，同时输入三极接触器断开，将三相交流电返回到主发三相定子绕组里，同时主发励磁绕组通过励磁控制器给电，主发工作在同步电动机模式，转子转动带动柴油机启动；当柴油起启动后，主发工作在发电机模式，将DCL 打到空挡，断开蓄电池供电，闭合三极输入接触器，CTS 去主发的开关断开，去牵引电机的开关闭合，整车开始正常牵引。

■2.2 主要技术特点

移车时，DC110V 通过转换开关DCL，进到中间直流母线，启动牵引逆变相模块，将110V 逆变为三相交流电后，CTS 与牵引电机开关闭合，与主发连接的开关断开，驱动牵引电机低速转动，整车开始移动。

牵引变流器主电路原图见图2。

图2 牵引变流器主电路原理图

牵引变流器包含2 架电路拓扑结构，采用架控方式进行主电路设计，每台牵引逆变器驱动一架3 台牵引电机，该架控方式应用成熟，控制成熟，可靠性高。

不控整流输出增加直流电抗器，与直流母线支撑电容一起构成LC 滤波器，改善主电路谐波情况，提升中间直流母线品质。

牵引系统具备蓄电池移车及起车功能，可减少柴油机起机硬件装置如起动电机等的应用，降低变流器成本，提升系统可靠性。

■2.3 牵引变流器控制和保护功能

牵引变流器的控制功能主要包括：机车牵引特性控制；机车动力制动特性控制；蓄电池110V 起车制动控制；蓄电池110V 移车控制功能；主发电机励磁控制功能；中间电路过压抑制控制；机车自负荷试验控制功能；在线监测和调试功能。

牵引变流器具备完善的保护动作，主要包括以下保护功能：中间直流环节放电保护；接地保护；直流回路过压保护；牵引逆变器输出过流保护；牵引逆变输出缺相保护；冷却系统水温水压异常保护；斩波回路过流保护；空转/滑行保护；超速保护；检修时的安全联锁保护等。

■2.4 主电路参数计算

根据整车功率需求，对牵引主电路参数进行计算，作为器件选型的依据。

（1）牵引不控整流器计算

根据主发参数额定输入电压AC600V～2066V，额定输入电流984/2=492A，额定频率83.3Hz,发电机额定功率3400kW（双路输出）。额定输出电压为2650VDC，考虑不控整流效率为0.99，额定输出电流3400/2×0.99/2650=635A。

根据轮周功率反推至输入端，计算最大输入电流18 33×1000/0.99/2066/1.732/0.95=545A，最大输出电流1833×1000/2650=692A。

（2）中间直流母线计算

中间母线功率是牵引逆变功率与辅助功率之和：

其中：逆变器效率ηinverter=0.985；Pout_aux=200kW ；ηaux=0.9。计算得到中间母线功率1833kW。

（3）牵引逆变器计算

根据机车调速的需求，逆变器通过脉冲宽度控制，将中间直流电压变换为所需要的频率和幅值的三相交流电压供给交流牵引电机，通过能量转换驱动列车。

逆变器输出侧通常涉及两路电流传感器，用于进行输入电流的测量及实现输出过流、短路等保护的功能。

逆变器持续工作电流通过轴功率进行计算：

其中： 轴功率Paxle_power=1400kW ； 电机的效率ηmotor=0.9；齿轮箱效率ηgearbox=0.98。计算得到逆变器输出额定功率：1587kW。

其中：cosϕ=0.918;Uinvter_out=×1040 =1801.28V。

计算得到逆变器输出电流960A。

电机启动时，最大电流为350A，逆变器输出最大电流为3×350=1050A。

■2.5 主电路器件选型

主电路器件选型如表3 所示。

表3 主电路器件选型明细

3 结构设计

牵引变流器位于车体内部，根据整车结构特点，将功能独立、结构维护不便的部件进行模块化单元设计。柜体整体布局采用高压，中压和低压分区布局方式实现。高压接口分布在柜体前部下方区域，便于接线；重量较大的电器器件位于柜体中间部分，便于检修维护；低压器件位于柜体右上区域，接近于主机厂低压接口位置，方便接线。

变流器从警示标识、高压检测、吊挂设计、柜体安全等方面进行人员防护，确保操作人员安全；柜体及部件非金属材料选用、器件优化、防火探测等方法进行防火设计，保证变流柜防火设计安全；变流柜内部所有器件均可打开门后进行状态测试，方便技术人员故障排查，提高故障分析效率，缩短故障修复时间。变流器结构的总体布局如图3 所示。

图3 牵引变流器结构布局图

4 仿真分析

根据牵引系统主电路拓扑结构，通过对主电路参数计算、仿真，对牵引充电机系统各种额定运行工况进行仿真分析，保证设计合理性。主电路不控整流、中间直流母线、逆变单元仿真波形如图4～8 所示，仿真结果如表4 所示。

表4 牵引变流器额定点仿真结果

图4 牵引不控整流输入电压仿真波形

图5 牵引不控整流输入电流仿真波形

图6 中间直流母线电压仿真波形

图8 牵引逆变器输出电流仿真波形

5 试验验证

为验证大功率内燃机车牵引系统理论设计、仿真计算结果的准确性，按照机车实际配置及运行要求，搭建全尺寸地面模拟试验台，对牵引系统进行试验验证。

如图9 所示，按照国家标准及铁路标准对该牵引变流器样机进行了相关试验，通过对系统输出电压、电流等参数的检测，验证了牵引系统具有良好的电气性能，可以满足针对牵引系统供电的功能需求。

图9 试验台位搭建

6 结语

本文介绍了一种大功率内燃机车牵引变流器的设计方法，通过对主电路工作原理和功能分析，结合整车对牵引系统的性能需求，介绍了牵引系统主电路计算及部件选型方法。通过电气仿真和试验验证，该牵引系统具有主电路拓扑成熟、可靠性高等特性，各项性能指标均能满足整车技术需求。目前该型牵引变流器已完成各项试验验证，将推动中国货运干线内燃机车发展达到新的高度。