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第53講：HVIGBT在軌道牽引中的應(yīng)用（一）

已有19096次閱讀2022-04-07標(biāo)簽:
 

// 講座概述

本系列講座旨在分享功率半導(dǎo)體的原理和相關(guān)應(yīng)用知識(shí)，已發(fā)布的第1-30講主要介紹了功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)。從第31講起為大家介紹HVIGBT的一系列相關(guān)知識(shí)，以幫助讀者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正確應(yīng)用方法。


1.1 軌道牽引系統(tǒng)的電壓等級(jí)概述


電力牽引是一種以電能為動(dòng)力牽引車輛前進(jìn)的牽引方式。軌道車輛從架空接觸網(wǎng)或者第三軌(輸電軌)接受電能，通過(guò)車載的變流器給安裝在轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)供電。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪對(duì)在軌道上面運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)車輛前進(jìn)。電力牽引的主要優(yōu)點(diǎn)有功率大、效率高、速度快、過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠和不污染環(huán)境等。
早期的電力牽引的軌道車輛采用直流電機(jī)，隨著交流電機(jī)控制理論和大功率電力電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，采用交流電機(jī)牽引的交流傳動(dòng)技術(shù)迅速崛起，使軌道車輛電力牽引技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。
軌道交通電力牽引供電制式有直流和交流兩類。
直流有600V、750V、1500V、3000V等電壓等級(jí)。一般DC1500V采用架空接觸網(wǎng)供電方式，而DC750V采用第三軌供電方式。
交流電壓供電網(wǎng)絡(luò)有6.25kV, 15kV, 25kV等電壓等級(jí)。電氣化的供電系統(tǒng)由發(fā)電廠集中提供電能，經(jīng)變電站，通過(guò)高壓輸電線(110kV)傳給牽引變電所，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓到接觸網(wǎng)上，供給沿線運(yùn)行的電力機(jī)車。
鐵路牽引領(lǐng)域是三菱電機(jī)HVIGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，同時(shí)，三菱電機(jī)擁有自己的牽引變流器企業(yè)，對(duì)HVIGBT在該領(lǐng)域的應(yīng)用有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)，所以我們可以為客戶提供很好的支持。三菱電機(jī)有1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的HVIGBT，滿足不同電壓等級(jí)的應(yīng)用。

1.2 電力機(jī)車牽引變流器常用拓?fù)浣榻B



 

1.2.1 電力機(jī)車牽引變流器介紹

電力機(jī)車通常采用交-直-交(AC-DC-AC)變流系統(tǒng)，其基本拓?fù)淙鐖D11.1所示。AC25kV通過(guò)受電弓傳送到牽引變壓器，通過(guò)變壓器降壓后輸入四象限整流器(4 Quadrant Converter，以下用4QC表示)變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過(guò)逆變器輸出電壓和頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在圖11.1所示拓?fù)渲�，整流�?cè)為一臺(tái)PWM整流器。其采取了兩個(gè)HVIGBT并聯(lián)的方式以加大輸入功率。逆變側(cè)為一臺(tái)三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)。直流母線上有額外的制動(dòng)單元用以控制母線電壓。
電力機(jī)車通常采用交-直-交(AC-DC-AC)變流系統(tǒng)，其基本拓?fù)淙鐖D11.1所示。AC25kV通過(guò)受電弓傳送到牽引變壓器，通過(guò)變壓器降壓后輸入四象限整流器(4 Quadrant Converter，以下用4QC表示)變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過(guò)逆變器輸出電壓和頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在圖11.1所示拓?fù)渲�，整流�?cè)為一臺(tái)PWM整流器。其采取了兩個(gè)HVIGBT并聯(lián)的方式以加大輸入功率。逆變側(cè)為一臺(tái)三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)。直流母線上有額外的制動(dòng)單元用以控制母線電壓。


圖11.1 電力機(jī)車常用拓?fù)?/span>

電力機(jī)車一般功率較大，整車功率可達(dá)7200kW或者9600kW，每軸的功率為1200kW或者1600kW。由于牽引功率大，且HVIGBT電流等級(jí)限制，一般采用HVIGBT并聯(lián)的方式。但是HVIGBT并聯(lián)就會(huì)帶來(lái)電流不平衡的問(wèn)題。為了降低電流不平衡率，同時(shí)提高變流器的可靠性，三菱電機(jī)可以依據(jù)客戶需求，對(duì)并聯(lián)使用的HVIGBT，根據(jù)飽和壓降VCE(sat)和續(xù)流二極管的正向壓降VEC進(jìn)行配對(duì)，例如使兩者的差值小于0.2V或者0.1V，以提高均流率。在HVIGBT出廠時(shí)會(huì)附帶一份出廠測(cè)試報(bào)告，如圖11.2所示，會(huì)注明配對(duì)使用的HVIGBT批號(hào)，以方便客戶使用。


圖11.2 三菱電機(jī)HVIGBT出廠測(cè)試報(bào)告

電力機(jī)車整流部分采用四象限變流器(4QC)。在牽引工況以及制動(dòng)工況下，通過(guò)對(duì)電壓和電流間的相位角的控制，能實(shí)現(xiàn)變流器的四象限運(yùn)行。
為了防止中間直流環(huán)節(jié)的過(guò)電壓，保證電氣制動(dòng)的可靠性和安全性，牽引變流器一般都含有制動(dòng)單元。由一個(gè)HVIGBT、一個(gè)高壓二極管(也可以用HVIGBT替代)和泄放電阻組成。當(dāng)中間直流電壓過(guò)壓或直流環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，觸發(fā)HVIGBT導(dǎo)通，將直流環(huán)節(jié)中的能量進(jìn)行泄放，以保護(hù)其他器件不受損傷。
牽引變流器的逆變部分一般由三相橋電路組成，為異步電機(jī)提供電壓和頻率可調(diào)的三相電壓，根據(jù)電機(jī)牽引特性控制HVIGBT通斷以調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，完成DC/AC變換。根據(jù)變流器功率和電機(jī)功率的不同，可以每臺(tái)變流器帶一個(gè)電機(jī)，也可以帶兩個(gè)或者多個(gè)電機(jī)。


 

1.2.2 電力機(jī)車牽引變流器HVIGBT選型舉例

1.2.2.1 變流器運(yùn)行參數(shù)
假設(shè)一個(gè)6軸9600kW的電力機(jī)車，單軸功率1600kW，變流器采用圖11.1所示拓?fù)�，主要技術(shù)參數(shù)如表11.1所示：

 

表11.1 1600kW電力機(jī)車變流器主要技術(shù)參數(shù)

本節(jié)將以此為例介紹HVIGBT選型。

1.2.2.2 HVIGBT電壓等級(jí)的確定
通常HVIGBT的電壓額定值和電源電壓(輸入AC線電壓)的關(guān)系可以用下式表示：
HVIGBT額定電壓=（k1·Udmax+Up）k2
上式中，k1為過(guò)電壓系數(shù)，Udmax為直流電壓最大值，Up為關(guān)斷尖峰電壓，k2為安全系數(shù)；
表11.2列出了輸入電壓、母線電壓和HVIGBT電壓等級(jí)三者之間的選型參考：

表11.2 HVIGBT電壓等級(jí)選型參考

結(jié)合上式和表11.2，本文所舉的例子，選擇3.3kV HVIGBT。

1.2.2.3 HVIGBT電流等級(jí)的確定
對(duì)于HVIGBT的電流等級(jí)，一方面流過(guò)HVIGBT的電流峰值(包含過(guò)載工況) ICM不超過(guò)HVIGBT的額定電流。另一方面，HVIGBT的結(jié)溫(包含過(guò)載工況)不超過(guò)HVIGBT的最大允許工作溫度。
結(jié)合本文所舉的例子：
輸入電流Iin=1950/2=975A(四象限變流器，兩個(gè)IGBT并聯(lián))，Iin-m=975×√2=1379A
最大輸出電流Io=1050A，Io-m=1050×√2=1485A
可以選擇1500A的3300V HVIGBT CM1500HC-66R作為整流、斬波和逆變的功率器件。同時(shí)，CM1500HC-66R是否滿足設(shè)計(jì)要求，還需要考慮其工作結(jié)溫。

1.2.2.4 HVIGBT損耗和溫升的估算
1) 整理器損耗和溫升的估算
整流側(cè)IGBT的損耗和溫升，可以用三菱電機(jī)仿真軟件Melcosim來(lái)仿真，在如圖11.3所示的條件下，可以得到圖11.4所示的結(jié)果�？梢钥吹絀GBT的最大結(jié)溫為102.13℃，二極管的最大結(jié)溫為110.67℃，小于規(guī)格書所規(guī)定值150℃，滿足溫升要求。

 


 


圖11.3 整流器工況

圖11.4 仿真結(jié)果

 

2)  斬波電路損耗和溫升的估算
斬波電路HVIGBT及二極管的功耗計(jì)算比較復(fù)雜，不可以直接用仿真軟件Melcosim來(lái)仿真。本文采用一種簡(jiǎn)化的方法來(lái)估算其損耗。當(dāng)母線電壓超過(guò)2000V時(shí)，斬波電路開(kāi)始動(dòng)作，開(kāi)關(guān)頻率為300Hz，IGBT占空比恒定為0.8，制動(dòng)電阻為4Ω，IGBT電流和二極管電流如圖11.5所示。

 


圖11.5 斬波電路電流

 

P(IGBT)=導(dǎo)通損耗+開(kāi)關(guān)損耗=VCE(sat)×IC×Duty+Eoff×fsw=1180W

二極管的損耗可以忽略不計(jì)。
IGBT的結(jié)溫Tj=TS+ (Rth(j-c)+ Rth(c-s))×P(IGBT)=96.52℃。

因此，CM1500HC-66R滿足斬波電路的溫升要求。

 

3) 逆變器損耗和溫升的估算
逆變器IGBT的損耗和溫升，同樣可以用仿真軟件Melcosim來(lái)仿真，在如圖11.6所示的條件下，可以得到圖11.7所示的結(jié)果。可以看到IGBT的最大結(jié)溫為113.98℃，二極管的最大結(jié)溫為103.4℃，小于規(guī)格書所規(guī)定值150℃，滿足溫升要求。

 


 


圖11.6 逆變器工況

圖11.7 仿真結(jié)果

 

綜合以上分析結(jié)果，CM1500HC-66R的電壓、電流和溫升均滿足系統(tǒng)要求。
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