|
1 引言 三菱公司在電力機車領域發展了一門新的技術，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，該產品緊湊、輕巧，而且在模塊內部集成了驅動電路和各種保護功能。 目前在電力機車拖動上的發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、低損耗和低能量電壓驅動控制回路。基于igbt的變頻器一般體積較小、重量輕、效率高、控制快和噪音低。三菱公司正在發展的技術將是利用更小、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，并內置門驅動電路和保護回路（是由igbt模塊與內置門極驅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。 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、低維護量和環保的變頻器。圖1所示是在電力機車上主要的技術挑戰目標和他們的解決方案。 
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指標。本系統采用進線為直流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）門驅動電路，以及檢測和防止過流、過壓、過熱和門驅動電壓不足（門極驅動欠壓）等故障的電路。 3 低噪音設計 噪音是在電力機車變頻器設計中必須考慮的一個重要環境因素。三菱公司引入了一種高載波頻率技術和零矢量調制功能以保證新型兩電平變頻器的低噪音指標，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，采用零調制技術將可能獲得更低的噪音。 4 風冷系統 新的變頻器使用風冷方式，采用機車運行時產生的風量來冷卻鋁散熱器。這是其國內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面， 圖5（b）為散熱器的側面。
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要求。 |
