相關(guān)技術(shù)術(shù)語
asic： 專用集成電路
auxcon： 輔助變流器
cd： 直流母線支撐電容
csk： 諧振電路電容
dcu： 驅(qū)動(dòng)控制單元
emi： 電磁干擾
gate unit： 門極驅(qū)動(dòng)單元
mc： 電機(jī)側(cè)逆變器
mpc： 模塊化功率變換器
mvb： 多功能車輛總線
ovp： 過電壓保護(hù)
lc： 四象限變流器
psu： 設(shè)備供電用電源單元
sab： 信號(hào)適配器
sccl： 短路電流限制器
vcu： 車輛控制單元
1 引言
1.1 牽引變換器市場(chǎng)導(dǎo)向
交流傳動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化牽引電機(jī)、恢復(fù)粘著利用等優(yōu)點(diǎn)。目前主要的電機(jī)控制策略包括轉(zhuǎn)差控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。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(dòng)機(jī)車的各大公司其產(chǎn)品也在不斷地更新?lián)Q代[1]。
交流傳動(dòng)的核心單元是牽引變換器，在各大公司眾多的產(chǎn)品中，原adtranz公司（現(xiàn)為bombardier公司的一部分）所研發(fā)的模塊化功率變換器（modular power converter-mpc，現(xiàn)在bombardier公司已對(duì)其命名了新的名稱 mitrac tc××××）無疑具有鮮明的亮點(diǎn)[2]，這是一種對(duì)整個(gè)設(shè)備都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的牽引變換器，非常適合大功率的電氣牽引應(yīng)用場(chǎng)合。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可以保證在機(jī)車全部性能不變的情況下，降低機(jī)車的生產(chǎn)成本和運(yùn)營(yíng)成本。在過去幾年中，鐵路交通的全球化以及歐洲一體化大大增加了市場(chǎng)對(duì)鐵路車輛的技術(shù)要求，其中包括跨境運(yùn)輸?shù)囊?、旅客舒適度的要求以及貨物運(yùn)輸可靠性的要求等等。這些市場(chǎng)要求成為了由客戶導(dǎo)向的現(xiàn)代 牽引變換器的技術(shù)發(fā)展方向，即牽引變換器的設(shè)計(jì)制造應(yīng)滿足：
?。?）能夠減少整體設(shè)備的體積和重量，這樣對(duì)于同樣的機(jī)車外型尺寸，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能；
?。?）能夠提高設(shè)備運(yùn)行效率,并降低機(jī)車運(yùn)營(yíng)成本。
如圖1所示，在準(zhǔn)確定位市場(chǎng)需求以后，原adtranz公司在油冷gto牽引變換器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型水冷ipm牽引變換器系列—mpc，這種變換器能夠滿足今天的關(guān)于經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的市場(chǎng)需求。
圖1 原adtranz公司所研發(fā)的主要牽引變換器系列，包括功率/重量比和功率體積比
1.2 新型牽引變換器主要特征
這種mpc具有如下主要特征：
（1）低的運(yùn)用成本
水冷mpc系列的顯著優(yōu)點(diǎn)是它們的模塊化設(shè)計(jì)概念、高效率、并且能夠進(jìn)行級(jí)聯(lián)功率輸出。盡管這種mpc是免維護(hù)的，但是這里還是要強(qiáng)調(diào)一下它們的維護(hù)過程非常簡(jiǎn)單。所有這些特點(diǎn)無疑降低了設(shè)備的壽命周期成本。
（2）廣闊的應(yīng)用范圍
所有的供電電壓以及所有的驅(qū)動(dòng)方式（軸控、架控和車控方式）都能夠使用mpc，并且可以應(yīng)用于包括機(jī)車（電力機(jī)車和內(nèi)燃電傳動(dòng)機(jī)車），電動(dòng)車組和城軌車輛在內(nèi)的所有軌道車輛。
1.3 mpc的主要應(yīng)用介紹
目前mpc的設(shè)計(jì)概念已大量應(yīng)用于bombardier公司生產(chǎn)的電力機(jī)車、電動(dòng)車組及城軌車輛，圖2(a)展示了bombardier設(shè)計(jì)制造的12x模塊化機(jī)車，該機(jī)車運(yùn)行在瑞士線路條件惡劣的阿爾卑斯山地區(qū)，非常成功的驗(yàn)證了mpc技術(shù)，該機(jī)車也是世界上第一個(gè)在大功率交流牽引中采用igbt的實(shí)例。此外我國(guó)也成功的引進(jìn)了mpc技術(shù)，并應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)在廣深線的djj1型高速交流傳動(dòng)電動(dòng)車組[3][4]（圖2(b)，也被稱為“藍(lán)箭”號(hào)）。
圖2 使用mpc電力機(jī)車和電動(dòng)車組，
本文將主要針對(duì)電力機(jī)車用mpc（現(xiàn)型號(hào)為mitrac tc3200）、mpc所含ipm相模塊設(shè)計(jì)概念、mpc技術(shù)特征、mpc控制和保護(hù)系統(tǒng)及其維修和維護(hù)作業(yè)方式進(jìn)行逐一介紹（下文中的一些相關(guān)圖片和內(nèi)容選取自文獻(xiàn)[2]和[3]）。
2 模塊化的基礎(chǔ)—ipm相模塊設(shè)計(jì)
2.1 從gto到ipm技術(shù)的轉(zhuǎn)變
mpc使用了ipm功率器件，與gto相比，這種功率器件不需要復(fù)雜的緩沖電路，并且電壓型門極驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，如圖3所示。因此由ipm構(gòu)成的mpc具有模塊化設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行級(jí)聯(lián)功率輸出、維修和維護(hù)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，從而使mpc具有：
?。?）由于器件的減少，因此降低了設(shè)備的整體重量和體積；
?。?）由于不存在緩沖電路的功率損失，因此提高了設(shè)備的效率。
圖3 gto組成的相橋臂電路與ipm組成的相橋臂電路的比較
2.2 集成功率模塊—ipm介紹
mpc的核心是ipm，這是一種使用了igbt的集成式功率模塊。在mpc中，它被設(shè)計(jì)成隨時(shí)能夠方便更換的單元式模塊結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
圖4 4.5kv/1.5ka功率等級(jí)ipm外型圖
其中: ①插入式接頭 ②柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元 ③集成式水冷散熱器連接器
每個(gè)ipm模塊的重量只有4kg，主要包括：
● igbt芯片和反并聯(lián)續(xù)流二極管芯片；
● 芯片與散熱器之間的絕緣；
● 為快速而便捷地更換模塊而設(shè)計(jì)的插入式接頭；
● 柵極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)單元；
● 集成式水冷散熱器以及密封層等。
這種ipm模塊被設(shè)計(jì)為最大遮斷電壓為4.5kv，最大遮斷電流為1.5ka（對(duì)應(yīng)直流母線供電電壓為3.4kv）。如果所期望遮斷的最大電壓較低，則最大遮斷電流還能夠增加。
2.3 ipm構(gòu)成的相模塊
mpc的單相模塊為機(jī)械式整體結(jié)構(gòu)，具有與直流母線、直流或交流輸出端連線最短的特點(diǎn)，由2/4只ipm組成，圖5顯示了3種不同結(jié)構(gòu)方式?？蛻艨梢砸罁?jù)所期望的輸出功率，來選擇相模塊的結(jié)構(gòu)方式。通過使用這些相模塊，可以構(gòu)成適合交流（四象限變流器和電機(jī)側(cè)逆變器）和直流（斬波器）輸出用的機(jī)械構(gòu)造相似的變換器。表1為不同相模塊結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)；此外，這些相模塊也使所有的驅(qū)動(dòng)和電路拓?fù)渥兂闪烁鼮楹?jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)。
表1 不同相模塊結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖5 相模塊的三種不同結(jié)構(gòu)
3 mpc技術(shù)特點(diǎn)
3.1 mpc電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
使用第3節(jié)中談到的相模塊，可以構(gòu)造成多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿足各種輪對(duì)驅(qū)動(dòng)方式（軸控、架控和車控）以及各種供電制式（ac、dc和多流制）使用。在相模塊電路中，是否使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的ipm，取決于所需要輸出功率的大小。
圖6顯示了應(yīng)用于電力機(jī)車的mpc電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中(a)結(jié)構(gòu)為應(yīng)用于架控和車控驅(qū)動(dòng)方式，(b)結(jié)構(gòu)為應(yīng)用于軸控驅(qū)動(dòng)方式；表2顯示了mpc中的四象限變流器和電機(jī)側(cè)逆變器用ipm分別為單模塊和并聯(lián)模塊結(jié)構(gòu)式時(shí)，mpc的功率輸出情況。
圖6 電力機(jī)車用mpc電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
表2 電力機(jī)車用mpc不同輪對(duì)驅(qū)動(dòng)方式下功率輸出
由圖6可以看出，電力機(jī)車用mpc的電氣型式為2重網(wǎng)側(cè)四象限變流器+中間環(huán)節(jié)(電壓型)+電機(jī)側(cè)逆變器。當(dāng)單個(gè)ipm功率等級(jí)滿足不了負(fù)荷電流要求時(shí)，進(jìn)行了兩個(gè)ipm并聯(lián)：在并聯(lián)的ipm中，一個(gè)為主模塊，一個(gè)為從模塊。主模塊包含門極驅(qū)動(dòng)單元以控制主、從模塊，而從模塊中的門極驅(qū)動(dòng)單元僅包含門極過壓保護(hù)和門極端電阻。
四象限變流器將交流電進(jìn)行交—直變換，輸出直流電能。變流器采用了spwm控制策略，一方面從電網(wǎng)有效地吸收或反饋所要求能量，穩(wěn)定中間直流環(huán)節(jié)電壓；另一方面，采用優(yōu)化的脈沖發(fā)生方法，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低諧波電流。在異步牽引電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出與磁場(chǎng)空間矢量的幅值和同步旋轉(zhuǎn)角速度存在著必然的聯(lián)系，因此為了在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)及各運(yùn)行轉(zhuǎn)速下都能輸出所需的電磁轉(zhuǎn)矩，必須給牽引電機(jī)施加適當(dāng)頻率和幅值的端電壓—這是逆變器所完成的基本任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能。
3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖7 電力機(jī)車用mpc前視圖及其電路拓?fù)鋱D
圖7顯示了電力機(jī)車用mpc的具體結(jié)構(gòu)，圖中所示所有零部件都可以非常方便地在機(jī)車機(jī)器間的過道處進(jìn)行維護(hù)和更換。mpc的模塊化設(shè)計(jì)可以滿足用戶的各種技術(shù)需求，由ipm構(gòu)成的相模塊可以應(yīng)用在四象限變流器（lc），電機(jī)逆變器（mc），過電壓保護(hù)器（ovp），以及斬波器和輔助變流器（auxcon）。圖中各部分的名稱和用途見表3。
表3 mpc中各主要元器件及子設(shè)備系統(tǒng)
出于emi的考慮，mpc中的功率電子設(shè)備和控制電子設(shè)備被分開放置。
3.3 冷卻系統(tǒng)
mpc的牽引變流器采用了具有世界先進(jìn)水平的水冷技術(shù)，冷卻介質(zhì)是純水和乙二醇的混合液，能夠有效防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。水循環(huán)冷卻技術(shù)的特點(diǎn)在于：冷卻開關(guān)器件的冷卻水在管道內(nèi)循環(huán)，通過散熱器來冷卻。無論是與傳統(tǒng)的風(fēng)冷，還是與熱管冷卻、沸騰冷卻、油冷卻方式比較，水冷技術(shù)都具有冷卻效果好、不易燃、無污染、易維護(hù)及管道布置自由度大等優(yōu)點(diǎn)。
冷卻循環(huán)系統(tǒng)的原理如圖8所示[3]。經(jīng)外部主冷卻柜w1的熱量交換后，大部分冷卻液用來冷卻ipm、sccl電阻和放電電阻等發(fā)熱器件，少量流過混合床過濾器，以去除冷卻液中的離子，保護(hù)冷卻循環(huán)部件，保證水的絕緣性能。冷卻液匯流到膨脹箱b1后，由水泵壓出，形成冷卻液的循環(huán)流動(dòng)。在整個(gè)工作過程中，冷卻液的溫度和壓力將不間斷的由驅(qū)動(dòng)控制電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
圖8 冷卻液循環(huán)回路簡(jiǎn)圖
電容、電阻以及各種控制用電子設(shè)備的散熱都被設(shè)計(jì)為風(fēng)冷方式，相關(guān)的風(fēng)冷系統(tǒng)也可以采用如下幾種方式：
?。?）使用由旋風(fēng)濾器從冷卻塔的壓力側(cè)抽送進(jìn)來的新鮮的空氣；
?。?）機(jī)器間內(nèi)部空氣循環(huán)；
?。?）將機(jī)器間的空氣抽送到室外。
4 控制與保護(hù)系統(tǒng)及其維修和維護(hù)
4.1 驅(qū)動(dòng)控制電子設(shè)備
mpc的控制和通信系統(tǒng)采用了mitrac dcu/p控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含了眾多高度模塊化的獨(dú)立設(shè)備，并通過多功能車輛總線（mvb）聯(lián)系起來，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)支持各級(jí)冗余設(shè)計(jì)。mpc中使用的mitrac dcu/p是多用途mitrac系列中的一種（見圖9），它可以應(yīng)用于從城市電車到干線電力機(jī)車各功率等級(jí)牽引系統(tǒng)的控制和管理中[2][6]。
圖9 連接車輛控制與變換器的dcu
mitrac dcu/p控制系統(tǒng)全部采用了標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件，如圖10所示，可以極大減輕設(shè)備的 重量和體積，并且能夠很容易的實(shí)現(xiàn)客戶的各種需求。
圖10 mitrac驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的設(shè)備組成
從左至右依次為dcu，sab，psu
mitrac dcu/p電子控制設(shè)備主要特征包括：
?。?） 采用分布式模塊設(shè)計(jì)，可以適合各種功率等級(jí)的變換器使用；
（2） 現(xiàn)代化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化變換器的使用;
?。?） 由于采用asic，因此提高了系統(tǒng)的可靠性；
?。?） 所有運(yùn)行工況下，變換器都能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化pwm控制。
4.2 監(jiān)測(cè)和保護(hù)措施
為了使整個(gè)系統(tǒng)可靠、安全、穩(wěn)定地工作，整個(gè)mpc采取了如下監(jiān)測(cè)與保護(hù)措施[3][5]:
?。?） 上電系統(tǒng)自檢；
?。?） 加強(qiáng)傳感器監(jiān)控。如在中間直流環(huán)節(jié)采用多個(gè)電壓傳感器監(jiān)測(cè)中間直流電壓，保證能夠得到中間回路電壓這個(gè)重要參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)值；
?。?） 特性曲線保護(hù)。將牽引／制動(dòng)特性、制動(dòng)電阻值和電網(wǎng)特性以保護(hù)特性曲線的形式存儲(chǔ)在控制裝置中。如果超過了保護(hù)特性極限值，變流器保護(hù)動(dòng)作；
?。?） 采用專門的電壓傳感器檢測(cè)整個(gè)主傳動(dòng)系統(tǒng)的接地故障，保證設(shè)備的安全使用；
?。?） 接在中間回路的瞬時(shí)過電壓限制器由ipm斬波器、斬波電阻、電流傳感器組成，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)中間回路過電壓的保護(hù)，另一方面對(duì)中間電壓的穩(wěn)定也起到重要作用；
?。?） 接地隔離開關(guān)從安全角度考慮，實(shí)現(xiàn)中間電壓完全放電，從而保證人身安全；
?。?） 用保護(hù)開關(guān)防止電子控制電路過負(fù)荷。
4.3 短路電流保護(hù)
圖11 短路電流限制器（sccl）外觀及電路結(jié)構(gòu)圖
由于mpc中不包含緩沖電路，因此為了防止中間直流電壓電路短路，專門設(shè)計(jì)了圖11所示的短路電流限制器sccl[2][3]。即在支撐電容器支路串聯(lián)非線性電阻，該電阻具有很高的正溫度系數(shù)，在流過小電流時(shí)表現(xiàn)為低阻抗，在流過大電流時(shí)表現(xiàn)為極高阻抗，能有效限制橋臂貫穿短路時(shí)的沖擊電流，防止短路故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及開關(guān)器件的破壞。
此外，無論在電氣方面還是在機(jī)械方面，sccl都具有可逆特性，因此即使發(fā)生短路現(xiàn)象，也無需對(duì)其進(jìn)行更換作業(yè)。
4.4 維修和維護(hù)作業(yè)
mpc的模塊化設(shè)計(jì)可以使維修人員方便的接觸到所有的元器件，從而實(shí)現(xiàn)便捷的維修和維護(hù)作業(yè)。mpc設(shè)備中的ipm模塊是可更換的單元，由于它的自重僅有4kg，因此維修人員在僅使用摘取器和扳手的情況下，就可以在15min內(nèi)完成更換作業(yè)如圖12所示；在所有的mpc元器件中，除了自重45kg的電容器外，其它所有可更換的器件的重量均不超過25kg，因此免除了諸如控制桿、平行升降臺(tái)這些特殊工具的使用。
此外，mpc的電氣控制電子設(shè)備中包含了系統(tǒng)監(jiān)控和快速故障診斷系統(tǒng)，它們可以快速確定諸如ipm、傳感器、接觸器等故障器件的位置，并將故障信息傳遞給維修人員和機(jī)車司機(jī)。
圖12 ipm簡(jiǎn)便、快捷更換示意圖
5 結(jié)束語
mpc是一個(gè)功能十分復(fù)雜、可靠性和性能要求很高的系統(tǒng)，既包含了系統(tǒng)的構(gòu)成、主電路結(jié)構(gòu)形式、傳感器選型等硬件方面的因素，也包含控制策略、檢測(cè)保護(hù)、通信等軟件方面的因素。而由原adtranz公司所研發(fā)的mpc以及mitrac分布式控制系統(tǒng)具有模塊化程度高，可擴(kuò)充性好，易于維護(hù)的特點(diǎn)。
mpc設(shè)計(jì)理念在歐洲以及我國(guó)djj1型電動(dòng)車組的成功應(yīng)用為我國(guó)自主研發(fā)高性能交直交控制與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)取得了經(jīng)驗(yàn)并打下了基礎(chǔ)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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