西門子多流制機(jī)車用牽引變流器和輔助電源介紹
1 引言
交流傳動機(jī)車從上世紀(jì)70年代發(fā)展到今天已基本成熟，與直流傳動相比具有提高電網(wǎng)質(zhì)量、降低機(jī)車損耗、改善牽引特性、加快響應(yīng)速度、簡化牽引電機(jī)、恢復(fù)粘著利用等優(yōu)點。隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，世界上研究交流傳動機(jī)車的各大公司其產(chǎn)品也在不斷地更新?lián)Q代。
在上世紀(jì)90年代中葉，歐洲鐵路政策對機(jī)車的通用性提出越來越多的要求（由于歷史原因，目前歐洲鐵路網(wǎng)包含有4種牽引供電制式，它們分別是dc1.5kv、dc3kv及ac15kv/16.7hz、ac25kv/50hz，簡稱ac15kv和ac25kv）；并且隨著歐洲鐵路貨運(yùn)自由化，許多運(yùn)營者使用新的費(fèi)用最佳的過境運(yùn)輸連接，對此所需的機(jī)車就要滿足各國的不同要求并獲得這些國家的批準(zhǔn)。為了滿足了運(yùn)營部門提出的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、通用化和系列化的要求，siemens transport（西門子公司交通系統(tǒng)部）研制了eurosprinter（歐洲短跑手）機(jī)車家族。目前西門子公司主要生產(chǎn)兩種機(jī)車系列——eurosprinter系列電力機(jī)車和eurorunner系列內(nèi)燃機(jī)車，本文主要介紹eurosprinter電力機(jī)車。
圖1 第一代eurosprinter電力機(jī)車—br127，ac 15kv，首臺交付年份—1992年
圖2 第二代eurosprinter電力機(jī)車—br189，四流制dc 1.5kv，dc 3kv，ac 25kv和ac 15kv，首臺交付年份—2003年
圖3 第三代eurosprinter電力機(jī)車—rh1216，三流制dc 3kv，ac 25kv和ac 15kv，首臺交付年份—2005年
2 eurosprinter機(jī)車特征介紹
上世紀(jì)90年代初，西門子公司為西班牙國鐵設(shè)計制造了75臺s252型ac25kv/50hz和dc3kv的雙電流制機(jī)車，并為葡萄牙鐵路制造了與s252 型機(jī)車相同的le5600型ac25kv/50hz干線通用電力機(jī)車?；谝陨蟽煞N機(jī)車的可靠設(shè)計，并且為適應(yīng)歐洲鐵路運(yùn)輸空前發(fā)展的需要，西門子公司和kraussmaffei公司（克勞斯.馬菲公司）聯(lián)合雙方的制造優(yōu)勢于1992年自主開發(fā)和制造了eurosprinter原型車——127型001號多用途機(jī)車，該車最大功率6400kw。該樣車采用了模塊化結(jié)構(gòu)，易于適應(yīng)歐洲各主要國家鐵路的各種要求和條件。西門子公司內(nèi)部命名該車為es64p，用作新型部件和對環(huán)境友好的新材料試驗機(jī)車以及用作西門子以后開發(fā)新型機(jī)車的基礎(chǔ)。
由于eurosprinter機(jī)車家族采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，通過機(jī)車設(shè)計平臺和不同國家、不同用戶的程序包能較容易設(shè)計和制造出適應(yīng)歐洲各國鐵路的各種不同任務(wù)和鐵路設(shè)施的通用機(jī)車。圖1～圖3分別為各代eurosprinter機(jī)車的代表機(jī)車及首臺交付年份。
西門子所發(fā)展的3代eurosprinter機(jī)車具有如下的共同電氣特征：
（1）所有機(jī)車均為bo-bo’軸列式，最大功率為6000～6500 kw；
（2）傳動設(shè)計中采用中間電路直流電壓的逆變器和三相交流異步牽引電動機(jī)，所有部件都按2臺轉(zhuǎn)向架的電路分開配置。安裝的4qs相互錯開相應(yīng)的電角度進(jìn)行調(diào)制，因此可以取消高壓側(cè)濾波器，干擾電流不會超過極限值。在最高電壓2800v的中間電路中接入了濾波電容和吸收電路，后者按2 倍電網(wǎng)頻率調(diào)諧，以補(bǔ)償整流時在中間電路中產(chǎn)生的功率脈動。與中間電路連接的2臺脈沖逆變器獨(dú)立向各自的牽引電動機(jī)提供變頻變壓的三相交流電。4qs和脈沖逆變器由相同的模塊組成，并由過去的4.5kv/3ka的gto模塊發(fā)展到今天的6.5kv的igbt模塊。現(xiàn)在全都采用水冷，輔助逆變器也采用igbt模塊；
（3）控制技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)化的部件，能完成所有開環(huán)、閉環(huán)控制和診斷任務(wù)，具有很好的性價比。給定值由操縱的司機(jī)室傳輸給有關(guān)子系統(tǒng)，再由子系統(tǒng)作用于所要求的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)?？刂萍夹g(shù)使用的是sibas-32系統(tǒng)。在機(jī)車上使用了符合iec 9/413/cdv定義的2個總線系統(tǒng)，即wtb列車總線和mvb 車輛總線，其中mvb負(fù)責(zé)車內(nèi)數(shù)據(jù)交換，wtb則負(fù)責(zé)遙控交換整個列車內(nèi)的數(shù)據(jù)。
3 eurosprinter多流制牽引變流器的發(fā)展
歐洲鐵路的顯著特點是供電電流制式范圍較廣為使電力機(jī)車運(yùn)行靈活且在不同制式交界處暫停時間較短，有必要使用多流制機(jī)車，為此西門子公司結(jié)合eurosprinter以及功率器件技術(shù)的發(fā)展情況，研制了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多流制牽引變流器。
3.1 用于dc3kv、具有輸入斬波器的多流制牽引變流器
對于多流制變流器，工況更復(fù)雜。在交流模式下，必須使用四象限變流器。而在直流模式中，把變流器用作輸入斬波器更好。在6.5kv半導(dǎo)體器件問世之前，這是3kv線路唯一的方案，許多不同的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將四象限變換器用作斬波器。
其中一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是具有4.5kv gto和交叉輸入斬波器的變流器（圖4），它最初用于renfe s252型電力機(jī)車。在交流模式下用作四象限變流器的相支路在直流模式下用作降壓斬波器，這需要額外的電抗器。因為在直流模式下有兩個獨(dú)立的直流環(huán)節(jié)，每個直流環(huán)節(jié)都有其自己的過壓保護(hù)晶閘管和制動斬波器。在交流模式下，轉(zhuǎn)向架的兩個直流環(huán)節(jié)并聯(lián)在一起，因此，只需一個諧振電抗器就可以用來濾除雙倍線路頻率。交叉輸入斬波器非常適合用在偶數(shù)個電機(jī)側(cè)逆變器的電路中，但是如果bo-bo-bo型機(jī)車中需要1個或3個電機(jī)側(cè)逆變器的話，這些斬波器就不能用了。在s252型機(jī)車中，每個電機(jī)都有自己的逆變器，這樣在交流模式下便有75％的冗余度；而在直流模式下，每個轉(zhuǎn)向架的兩個逆變器通過輸入斬波器連接。因此冗余度下降為50％。
圖4 具有交叉輸入斬波器的gto變流器——第一代eurosprinter多流制機(jī)車用
3.2 無斬波器的多流制牽引變流器
多流制最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無斬波器的多流制變流器（圖5）。在交流模式下，直流環(huán)節(jié)由四象限變流器饋電；在直流模式下，直流環(huán)節(jié)是直接連接到線路上的。該制式對于ac和dc 750 v（如在干線上運(yùn)行的軌道車輛）以及ac和dc 1.5 kv（如雙流制機(jī)車）線路是最先進(jìn)的技術(shù)。若采用6.5 kv的igbt，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也適用于3 kv的線路。由此可見。同樣的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略，能夠用在各種電壓類型和幾乎所有功率范圍內(nèi)的多流制變流器上。例如，在交流和直流750v、1.5 kv以及3kv時，分別使用1.7kv、3.3kv、6.5kv的igbt。
圖5 無斬波器的多流制變流器
圖6 br189主牽引變流器實物圖
1999年德國鐵路訂購的br189型機(jī)車是一種四電流制機(jī)車。機(jī)車采用單軸控制，最高速度為140 km/h，機(jī)車設(shè)備是按德國及德國以外的歐洲許多國家鐵路的運(yùn)行條件設(shè)計的。機(jī)車輸出功率在ac 15kv16.7 hz和ac 25 kv 50 hz時為6.4mw，在dc 3kv時為6.0mw，在dc 1.5 kv 時為4.2mw。在dc 1.5kv時，牽引電動機(jī)是三角形連接，其他電流制時是星形連接。
br189 機(jī)車的牽引變流器安裝在變流器柜中間支架上，每個轉(zhuǎn)向架布置一臺變流器柜。在每個變流器柜的左邊有水冷裝置接口，下部接口為進(jìn)水，上部為排水。此外，在左邊有由機(jī)車總線引入的110 v控制母線電纜插頭。在側(cè)墻蓋板的后面是中間電路電容器，后墻蓋板的后面安裝了吸收電路電容器和電阻，前面的蓋板用四角螺絲刀擰緊，每個上面都有一個接地螺栓。在變流器柜的底部有功率部件導(dǎo)線的接頭，變壓器上方安裝變流器柜的好處是使導(dǎo)線路徑變短，可實現(xiàn)較小的電磁輻射。
圖7是br189 機(jī)車一個轉(zhuǎn)向架的牽引變流器電路圖，為了盡可能地減小變流器的質(zhì)量和體積，在交、直流模式下都使用了大容量的無源器件和功率半導(dǎo)體器件。在直流電壓運(yùn)行時，可使脈沖逆變器輸入直接與接觸網(wǎng)相連，從而沒有四象限整流器的功率損失。在所有電壓系統(tǒng)中，電制動是再生制動。在直流電網(wǎng)下，還采用附加的電阻制動，此時四象限變流器的一相用作制動斬波器。為便于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，同一臺牽引變流器的兩個四象限變流器和pwm 逆變器采用相同的相構(gòu)件，并構(gòu)成一個轉(zhuǎn)向架的牽引變流單元。此外，牽引變流器有兩個局部電壓中間電路，每個配備有中間電路電容器，但兩個局部電壓中間電路只設(shè)有一個吸收電路，吸收電路由吸收電容器和吸收電路扼流器組成。這種變流器使用6.5 kv 高壓igbt模塊，采用水冷卻，其直流環(huán)節(jié)電壓可高達(dá)4.3 kv，工作開關(guān)頻率可達(dá)500 hz，從而使br189機(jī)車成為全球首次采用6.5 kv igbt的無斬波器的四電流制變流器機(jī)車。
圖7 br189機(jī)車牽引變流器電路結(jié)構(gòu)
圖8 主牽引變流器用6.5kv igbt一相橋臂-- sibac bb sp-3000wl
4 輔助電源—sibest介紹
西門子公司在廣泛收集用戶最新要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)和研制了新一代機(jī)車車輛用輔助電源逆變器裝置——sibest，其指導(dǎo)思想是建立一種由適合于各種應(yīng)用場合的子單元構(gòu)成的積木式系統(tǒng)，且各組成部分均采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計原則。
sibest輔助逆變器具有標(biāo)準(zhǔn)化的輸出功率，其主要特征如下：
（1）在惡劣的鐵路運(yùn)營環(huán)境中有很高的可靠性；
（2）較輕的重量和較小的安裝體積；
（3）模塊化的方便維修保養(yǎng)結(jié)構(gòu)；
（4）耐短路的igbt變流器電路；
（5）對電網(wǎng)友好的輸入端變流器；
（6）極高的效率。
4.1 sibest相關(guān)技術(shù)指標(biāo)
在對sibest的設(shè)計過程中，西門子公司綜合考慮了各種輸入和輸出參數(shù)、環(huán)境條件、機(jī)械要求以及電力電子組件等要求，見表1～表8。
表1 輔助逆變器的環(huán)境條件
表2 穩(wěn)態(tài)輸入電壓
表3 ac輸出電壓和功率
表4 dc輸出電壓和功率
表5 電力電子系列標(biāo)記
表6 高壓變流器系列
表7 脈沖逆變器系列
表8 蓄電池充電器系列
4.2 sibest的組成部件
sibest逆變器的電力電子裝置全部采用了模塊化設(shè)計，模塊（標(biāo)準(zhǔn)組件）通常采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，使用長520mm、寬270mm的市面上流行的壓力鑄造的大功率散熱器，對于較小的模塊可選用寬135mm的散熱器，所有散熱器一般都是接地的，并采用合適的密封以防止密閉的電子空間受到污染。
所有變流器模塊都采用已證實是可靠的igbt工藝技術(shù)，結(jié)合低電感母排，無需任何布線，可使變流器成為低損耗的高頻變流器。利用去飽和監(jiān)控裝置，能可靠的防止短路。igbt允許用較簡單的低功率的控制電路來作為電壓控制的開關(guān)環(huán)節(jié)，具有絕緣電壓9000v和相應(yīng)的氣隙和爬電距離的專用igbt，可在接地的散熱器上運(yùn)行，無需附加絕緣，工作電壓可高達(dá)5600v。
sibest模塊包括由散熱器、igbt、低電感母排和電壓型中間電路組成的諸如四象限脈沖整流器、dc/dc變換器、高壓變流器模塊、脈沖逆變器模塊、蓄電池充電器等單元。在需要極大功率時，可由3個模塊組成一個功能單元，并由一個集成在主模塊上的控制電路控制，每一模塊以及整個裝置都是利用最現(xiàn)代化的仿真工具設(shè)計的。
4.3 sibest在br189上的應(yīng)用
為了實現(xiàn)機(jī)車的內(nèi)部供電和牽引裝置的冷卻，br189機(jī)車安裝了靜止輔助變流器（hbu），其電氣上可分為兩套獨(dú)立的hbu（hbu1／hbu2），輔助變流器從牽引變流器的中間電路獲得電能。hbu1與牽引變流器1相連，hbu2與牽引變流器2相連，輸入電壓通過4個hur高壓模塊斬波降壓來控制，這樣便能為兩個獨(dú)立的hbu裝置的中間電路供電。每兩個hur模塊并聯(lián)輸出為兩個并聯(lián)的三相逆變器供電，因此總共有4個三相交流輸出可供使用，其電壓在0～440v可調(diào)，頻率在2～60hz可調(diào)。每組輸出都能以固定頻率或可變頻率來運(yùn)行；無故障運(yùn)行時，有兩組是以固定頻率來工作的，另兩組則以可變的頻率來工作。
輔助逆變器的技術(shù)參數(shù)為：
額定功率 4×90／kva
額定輸入電壓
dc 1500v，dc 3000v
額定輸出電壓
三相交流440v 2～60 hz
溫度范圍 -30℃～+50℃
圖9 輔助變流器用3.3kv igbt三相模塊-- sibac bb st-1500wl-mp
圖10 br189機(jī)車輔助變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
5 結(jié)術(shù)語
本文簡要介紹了西門子公司euro sprinter機(jī)車家族的主牽引變流器工作情況和輔助變流器的工作情況，目前以eurosprinter機(jī)車家族中br152機(jī)車為原型車dj1已經(jīng)被引進(jìn)到我國，作為重載電力機(jī)車已在大秦運(yùn)煤專線運(yùn)行4年之久；此外以br189機(jī)車為的原型車的180臺hxd1重載電力機(jī)車也即將投入運(yùn)用。以上機(jī)車所包含的先進(jìn)制造技術(shù)，必將有助于我國機(jī)車制造業(yè)的更新?lián)Q代。
參考文獻(xiàn)
[1] 鐵道科學(xué)研究院高速鐵路技術(shù)研究總體組. 高速鐵路技術(shù). 北京:中國鐵道出版社,2005
[2] m.m.bakran. 大功率多流制機(jī)車牽引變流器的比較.變流技術(shù)與電力牽引,2006,1
[3] berhard kieb1 ing. christian thoma.歐洲br 189型多流制式電力機(jī)車.電力機(jī)車與城軌車輛,2004,27（6）
[4] 王渤洪. 奧地利鐵路rh1216 系列多電流制通用電力機(jī)車.機(jī)車電傳動,2006,2
作者簡介
王 儒 男 工程師 現(xiàn)從事電力機(jī)車運(yùn)用與維護(hù)。
本文標(biāo)簽：西門子多流制機(jī)車用牽引變流器和輔助電源介紹
* 由于無法獲得聯(lián)系方式等原因，本網(wǎng)使用的文字及圖片的作品報酬未能及時支付，在此深表歉意，請《西門子多流制機(jī)車用牽引變流器和輔助電源介紹》相關(guān)權(quán)利人與機(jī)電之家網(wǎng)取得聯(lián)系。
關(guān)于“西門子多流制機(jī)車用牽引變流器和輔助電源介紹”的更多資訊
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
VIP公司推薦
|
|
|
|
|
|
|
|