基于3.3kv hvipm的電力機車變頻控制系統(tǒng)概述

1 引言

三菱公司在電力機車領(lǐng)域發(fā)展了一門新的技術(shù)，就是采用基于新一代高壓智能功率模塊（hvipm）兩電平變頻控制，該產(chǎn)品緊湊、輕巧，而且在模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動電路和各種保護功能。

目前在電力機車拖動上的發(fā)展趨勢是要求有更快的速度、更高的能效、更舒適的乘坐和更低的維修頻度。要達到這些目的，使用絕緣柵雙極晶體管（igbt）是一種比較好的方法，因為它能提供快速的開關(guān)、低損耗和低能量電壓驅(qū)動控制回路?；趇gbt的變頻器一般體積較小、重量輕、效率高、控制快和噪音低。三菱公司正在發(fā)展的技術(shù)將是利用更小、更輕和更可靠的下一代高壓智能功率模塊（hvipm），hvipm是由igbt組成，并內(nèi)置門驅(qū)動電路和保護回路（是由igbt模塊與內(nèi)置門極驅(qū)動電路和保護電路所組成）。

本文將介紹的就是基于3.3kv hvipm的電力機車變頻控制系統(tǒng)。

2 電力機車牽引的兩電平變頻器

三菱公司推出的變頻器原型將是下一代電力機車用的緊湊、輕巧、高可靠、低維護量和環(huán)保的變頻器。圖1所示是在電力機車上主要的技術(shù)挑戰(zhàn)目標(biāo)和他們的解決方案。

在三菱公司的每臺機車中都有兩部分共計8個馬達組成（圖2），而表1列出了變頻器的基本技術(shù)指標(biāo)。本系統(tǒng)采用進線為直流1500vdc的逆變器方式，配置為4臺410kw（各控制2臺205kw的交流電機），采用風(fēng)冷和矢量控制。

該變頻器（或逆變器）的主回路采用3.3kv/1.2kahvipm模塊，其回路電感可通過采用低感充油式濾波電容和層積式母排來降低。另外，其元器件數(shù)量的降低使變頻器本體更加可靠、小巧和輕靈。

圖3所示是hvipm的外觀， 除了igbt外， 該模塊還包括集成式（集成的）門驅(qū)動電路，以及檢測和防止過流、過壓、過熱和門驅(qū)動電壓不足（門極驅(qū)動欠壓）等故障的電路。

3 低噪音設(shè)計

噪音是在電力機車變頻器設(shè)計中必須考慮的一個重要環(huán)境因素。三菱公司引入了一種高載波頻率技術(shù)和零矢量調(diào)制功能以保證新型兩電平變頻器的低噪音指標(biāo)，并基本和三電平變頻器所能達到的噪音等級一致。該載波頻率帶寬為800～1200hz，能降低噪音和能耗。同時采用零矢量調(diào)制則可以避免機車和牽引頭之間的機械共振。

圖4所示是使用這種方法的電機電流頻率分布的頻譜分析。在機車運行在30km/h時，距離牽引頭1.5m的地方測得為65db，與三電平的變頻器的噪音相類似。而且，采用零調(diào)制技術(shù)將可能獲得更低的噪音。

4 風(fēng)冷系統(tǒng)

新的變頻器使用風(fēng)冷方式，采用機車運行時產(chǎn)生的風(fēng)量來冷卻鋁散熱器。這是其國內(nèi)同型號變頻器第一次采用無冷卻劑的散熱方式。

采用無冷卻劑方式能夠最大程度上降低對周圍環(huán)境的影響， 同時可以降低尺寸和重量。跟以前采用gto方式的老型號變頻器相比只有64%的體積，而重量只有一半左右。圖5（a）為變頻器濾波電容的側(cè)面， 圖5（b）為散熱器的側(cè)面。

5 輔助電源

三菱公司采用基于兩電平變頻器的輔助電源，其容量為180kva，并采用3.3kv400a的ipm模塊。無緩沖設(shè)計的主回路集成了各種保護功能和低感母排，比以往的變頻電源尺寸更小、重量更輕、可靠性更高。

圖6所示是輔助電源。hvipm模塊的冷卻方式是采用純水散熱管方式來完成，這樣也能夠降低尺寸和重量。其中ipm模塊安裝在散熱管的前面，維修時非常容易觸及與更換。電感通過將母排做得更短來進一步降低，如將濾波電容安放在ipm的下面，或者采用層積式銅排（上下兩排，分別接＋－極性）。

全部的元器件算起來已經(jīng)從原來得170個降低到80個左右， 體積則比以前的變頻器減輕20%， 重量則減輕10%。

6 結(jié)束語

三菱公司采用了hvipm的變頻器比起以前的老型號來說，尺寸更小，而控制效率則大為提高，完全可以滿足新一代電力機車的技術(shù)要求。