辅助变流器

1. 电源部件 2. 电子箱
图 6.7 辅助变流器外形图
辅助变流器模块的原理框图及外形分别如图 6.6 和图 6.7 所示，从安装结构上可分为 两部分：电源部件和电子箱（如图 6.7） ，电源部件对应主电路部分（图 6.6 的下部） ，电 子箱对应控制电路部分（图 6.6 的上部） 。辅助变流器与外部的电气连接如下：直流输入通 过前面的 DC 轨道连接到叠层、低感集电轨，集电轨也用作直流环节电容器与 IGBT 模块之 间的电气连接，IGBT 模块的脉宽调制型控制方式要求连接轨的低感特性；交流输出通过辅 助电力系统的电源电缆，连接到模块背面的滑动触点；控制信号经由模块前面的两个插入 连接器传输到模块，电子箱的连接插件有：控制信号、两个 MVB 连接器和一个与驱动控制 单元通讯的 RS-232 接口。
表 6.1 辅助逆变器的技术数据
输入数据 额定输入电压 按降低的 V/f 比率的输入电压 电池电压 1650V DC <1485V DC 110V DC
额定供电下相系统输出数据 输出电压 频率 谐波畸变 输出功率、最大延续状态 最大输出功率 绝缘试验电压 1500V 系统,接地输入电压 机械数据 高度、长度、深度 重量 外壳等级 环境数据 额定输出的环境温度 冲击和振动 元件 塑料电容器 放电电阻 直流环节放电时间 PT100 标准 电气牵引设备规程 供电电压 试验 电磁兼容性 冲击和振动 绝缘、间隙和爬行距离 IEC 60077, IEC 61287-1 EN 50163 IEC 61133 PrENV 50 121-3-2 IEC 61373 prEN 50124-1 2mF 33k 10 分钟 -40 - +100°C -40 至 +70°C IEC TC9/WG21 第 11
（由蓄电池供电）几秒种，通过电机变流器为牵引电机提供励磁，一旦有了励磁，牵引电 机发出电来，就可为 DC 环节供电，预充电单元就可关闭。当 DC 环节电压达到正常值时辅 助逆变器正常运行。 2.地面电源供电模式 三相交流母线将从地面电源获得电能，一旦三相母线得电、三相接触器闭合，蓄电池 充电器立即自动起动，VCU 单元对蓄电池的充电器进行监控。 三、辅助变流器的结构 1.概述
图 6.6 辅助逆变器电路框图
辅助逆变器模块主要包括：三相辅助逆变器、直流环节、辅助逆变器驱动控制单元 （DCU/A） 。从原理上来讲图 6.6 的上部是电子控制部分，下部为功率主电路部分。图中还 画出了检测传感元件，包括：直流电压检测、交流电流检测和散热片的温度传感。CRH1 的 辅助变流器输入电压为 DC 环节的 1860VDC，输出为三相对称交流 50Hz 970V 电压，经变压 及滤波后得到 50Hz 400/230V 对称三相四线制交流电压。 二、辅助逆变器的特点和技术参数 辅助逆变器是一个完整的逆变器模块，带有所有必要的电子控制设备。辅助变流器模 块的功率元件为 IGBT，三相电压、电流及直流环节的电压测量值送入电子控制设备，来自 驱动控制单元(DCU)的光缆将开关控制信号输入至门极驱动装置(GDU)，电子控制设备由电 池系统供电。辅助变流器模块通过 MVB 总线与车辆控制单元通讯。 辅助变流器模块安装在牵引变流器箱中，与另一个变流器单元共用水冷设备，IGBT 元 件和放电电阻安装在接地、水冷却散热器上，所有其他设备通过变流器箱中的循环空气冷 却。
图 6.9
驱动控制单元
驱动控制单元（如图 6.9）由三个电路板：主板、扩展卡和光板组成。光板安装在主 板上，所有光发射器和接收器均位于光板上，驱动控制单元整个安装在金属基板上，金属 基板保证了强度并提供了接地点。 为了便于维护，板设计成能滑入端子接头座中。 所有 电气端子位于端子接头座。 2.功率模块 辅助逆变器的功率元件是 IGBT，每个 IGBT 元件配一个门极驱动单元 (GDU)，每相两 个 IGBT 构成一个 IGBT 模块，门极控制单元（GDU）的控制电压信号控制 IGBT 的导通或阻 断。IGBT 的高频开断便在输出(U、V 和 W)上得到电位 DC +和 DC –的高频切换，从而产生 受控的 AC 交变电压。与 IGBT 元件反并联的二极管起续流作用。 功率元器件的安装情况：IGBT 模块直接以螺丝拧紧到散热器上以进行有效的冷却，为 保证 IGBT 模块和散热器间接触良好，安装时模块元件涂有导热膏。门驱动单元周围是保护 性塑料外壳，防止垃圾和灰尘落在板上。直流环节电容器用八个螺丝安装在散热器下的框 架上。为了获得更好的冷却，放电电阻直接以螺丝拧到散热器的背面上，放电电阻经由低 感集电轨连接到直流环节上。放电电阻与直流环节电容器并联，如果正常放电程序中发生 故障，则放电电阻将直流环节电容器放电到低于 50V。 下面以 U 相为例说明一下 IGBT 的换流过程：
两个二极管关断
绿色和红色 绿色和红色
GDU 上无 5V 两个二极管有故障
两个二极管关断 两个二极管关断
驱动控制单元通过 MVB 总线(多功能车辆总线)，与主车辆控制单元连接在一起，和车 辆控制单元之间传输的最重要的信号是：直流环节电压、相电流、故障信号和状态信号。 驱动控制单元对功率模块的门极驱动是通过光纤传输的光信号，从而实现了电源电路和驱 动控制电路之间的电气隔离，降低了对干扰的敏感性。辅助逆变器模块的驱动控制单元还 具有监控功能，主要监控： 直流环节电压、相电流 、驱动控制单元温度、散热器温度、 三相电压、试验功能、故障信号。 驱动控制单元传感器的安装情况如下：交流电流传感器安装在模块后面的 U 和 V 相的导轨 上， W 相的电流值在驱动控制单元(DCU/A)中计算。电流传感器基于霍尔效应，由驱动控 制单元+24V 供电，可以测量交流和直流电流，电流信号连接到驱动控制单元上的模拟输 入，驱动控制单元连续监测相电流，如果某一相电流超过最允值,则立刻减小 IGBT 的输出 功率。 直流环节电压在低感集电轨的末端测量，电压测量传感器安装在面板上，由驱动控制 单元的+24V 供电，电压信号送入驱动控制单元参与控制运算。 散热器温度传感器 PT100(0°C，100Ω)安装在散热器中央，以螺丝拧入散热器，以提 供更好的温度测量。驱动控制单元使用该信号控制变流器箱外的热交换器冷却风扇。该信 号还用于热故障检测，如果温度过高,则变流器输出功率被限制。传感器运行范围是-40°C 到+100°C。 门极驱动单元也可以检测相短路；驱动控制单元可以监视+24V 电压，如果+24V 电压 降低时，变流器立即被阻断。 驱动控制单元安装有综合诊断系统，以便于追踪故障。该系统包含如下功能：驱动控 制单元自诊断;故障检测和辅助变流器模块的分析;以及在运行期间的故障检测和辅助的电 力系统的分析。某些故障从车辆控制单元开始自诊断。还有在维护期间使用的半自动中央 测试功能。如果发现故障，则辅助变流器模块自动地被锁定或断开，以防止设备破坏。有 关的故障信息，从驱动控制单元传输到主车辆诊断系统。驱动控制单元包含有一个瞬时记 录器，当辅助变流器模块故障时瞬时记录器被激活，用于记录故障信息。辅助逆变器有 PC 机接口，通过 PC 机的测试程序与辅助变流器模块通讯。PC 连接到驱动控制单元后可以连 续记录瞬时记录器的采集数据，然后可以由维护人员解释评估。 辅助变流器模块的控制电源从车用蓄电池取得，通过带有直流隔离的 DC/DC 变换器进行电 压转换（如图 6.11 所示） ，±24V DC 输出向驱动控制单元供电，+24V DC 向门驱动单元供 电。
（a）换流前 图 6.10 IGBT 的换流过程
(b) 二极管续流
图 6.10（a）是换流前的情况，来自驱动控制单元(DCU/A)的光信号 3 使 IGBT（1）导 通，IGBT（2）阻断，电流通过 IGBT（1）从 DC+流向负载，U 相电位为 DC+；在换流时，来
自驱动控制单元的光信号 3 控制 IGBT（1）阻断，触发 IGBT（2）导通，这时负载电流将经 过 IGBT（2）的续流二极管构成回路，此时加在 U 相的电压为 DC-。当负载电流过零时，反 向电流将从负载经过 IGBT（2）导通。当需要再次换流时，来自驱动控制单元的光信号 3 会阻断 IGBT（2）而触发 IGBT（1）导通，反向电流的换流过程会通过 IGBT（1）的续流二 相管完成。 功率模块的换流驱动是由门极控制单元（GDU）完成的，而门极控制单元的控制是由辅 助逆变器模块的驱动控制单元 (DCU/A)实现的，逆变器的控制方式采用脉宽调制（PWM） ， CRH1 的辅助逆变器采用一种特殊的脉冲宽度调制算法，切换频率使用随机重叠频率法，最 大限度地降低了输出交流的谐波成份。 驱动控制单元(DCU/A)是车辆分布式计算机系统的一部分，监控辅助变流器模块的大部 分功能。也就是说，辅助逆变器模块是在驱动控制单元控制下的独立的单元模块，不依赖 外部计算机,仅需要少数几个输入和输出信号。驱动控制单元是牵引控制 MVB 总线的一个单 元，受 PCU 的控制，其结构参见图 5.9 和图 5.10，PCU 和 DCU/A 中需要交换的重要信号如 下： 从 PCU 输入到 DCU/A 的信号： 关闭 DCU/A 命令； 断开负载接触器请求； 辅助母线的额定频率 从 DCU/A 输出到 PCU 的信号： ACM 母线处于激活状态； DC 环节电压值； 辅助变流器功率值 驱动控制单元有四个用于状态指示的发光二极管，其含义见下表；门驱动单元的状态由两 个发光二极管指示 (见下表)。
1. 驱动控制单元(DCU/A) 2. 供电单元 3. 铰链 4. 电缆引线 5. (DCU/A)的端子接头座
图 6.8 电子箱布置图
电子箱的布置如图 6.8，为保证良好散热，整体上是敞开的，部分电路采用屏蔽措施 以避免电源电路和驱动控制单元之间的电磁干扰。
1. 端. 基板 5. 光板
GDU 上的 LED 状态
LED 指示 连续亮 按 1 赫兹闪烁 连续亮 连续亮 按 1 赫兹闪烁 按 1 赫兹闪烁 两个 LED 连续发亮 LED 同时闪烁 LED 轮流闪烁
当门驱动单元探测到电源电路中短路时或一 IGBT 连接故障时，同时收 到信号“IGBT 激活”。
绿色和红色
没有 24V 直流供电
辅助变流器（ ACM）
一、辅助逆变器概述 辅助逆变器模块的功能是将直流环节电压转换成固定频率和幅值的三相交流电压，三 相交流电压经变压和滤波之后向辅助电力系统供电，负载包括电池充电器、空调和空气压 缩机等。其组成如图 6.6 所示。
直流环节电容器 IGBT 变流器 驱动控制单元，DCU/A 供电单元 放电电阻 测量装置
表 6.2
颜色 LED POW OK ERR 警告 绿色 绿色 红色 黄色 硬件控制 由 MCU 软件控制 由 MCU 软件控制 由 MCU 软件控制 供电单元正常 软件运行 故障 警告
驱动控制单元上的 LED 指示
描述 功能
表 6.3
LED 颜色 绿色 绿色 红色 红色 红色 红色 绿色和红色 绿色和红色 绿色和红色 门驱动单元状态或事件 供电正常 IGBT 激活 供电故障 基础发射极输出中短路 主电路中短路 到 IGBT 模块的连接有故障 CPLD 没有编排 CPLD 编排有测试程序
次
876V AC ± 10% 50 Hz ±1% ≤10% 160kVA, cosfi=0.8 190 kVA, cosfi=0.8*
5500Vrms, 50Hz, 60s
350x410x829.5 80kg IP00, IEC 529
草案
对于第一节一所述的辅助供电的三种模式，ACM 的启动和关闭顺序对模式 1 和模式 2 是一样的，在模式 3 下，不能启动 ACM。对蓄电池充电器而言，所有三个模式的启动和关 闭顺序都相似。 1.普通运行和回送模式 该系统由 VCU 启动。当牵引系统启动时，直流环节电压被提供给 ACM，如果直流环节 电压在规定限值内，ACM 自动启动。CRH1 中 5 个 ACM 中的某一个被首先连接到公共三相交 流母线，该 ACM 闭合自已的三相隔离接触器，并软启动。当公共三相交流母线由该辅助逆 变器供电之后，其他 ACM 首先将其电压幅值、频率和相位同步到三相交流母线电压，然后 闭合各自的三相隔离接触器。一旦三相交流母线得电，蓄电池充电器（BCM）立即自启动， BCM 接触器按顺序（而不是同时）把 BCM 连接到三相交流母线上，VCU 单元对蓄电池的充电 器进行监控。 系统由 VCU 关闭，关闭顺序为先断开三相接触器，关闭 BCM；然后断开三相隔离接触 器，关闭 ACM。回送模式下有一个预充电工作过程，因为这时网侧变流器被断开，电机变 流器（MCM）提供电能并控制 DC 环节电压处于正常值，辅助逆变器工作将 DC 环节的电能转 换为三相辅助电压（50Hz，400V） ，充电器工作为蓄电池充电。但牵引电机作为发电机运行 时必须首先获得励磁，这依靠预充电单元实现。预充电单元只要使用 DC 环节 400V DC 电源