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以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的 新一代牵引系统研究

以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的 新一代牵引系统研究

作者:钣金加工厂   来源:本站原创   发布时间:2019-12-09 02:02    浏览量:

  城轨交通牵引系统技术交流会

  演讲题目

  以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的新一代牵引系统研究

  演讲嘉宾

  傅亚林 新誉庞巴迪牵引系统有限公司

  随着节能意识的提高以及永磁材料应用的成熟,高效能永磁同步电机牵引越来越受到人们的重视。目前,国内外轨道交通装备制造企业如东日本铁路公司、东芝公司、西门子公司、阿尔斯通公司、庞巴迪公司和中国中车集团有限公司都相继进入永磁同步电机牵引的工程化和商业化应用阶段。与传统的三相异步电机相比,永磁牵引电机转子需要永磁材料,成本很高,也存在退磁与损毁的风险,需要增加额外的电机接触器硬件和软件功能进行保护。

  结合国家对轨道交通设备节能技术发展的政策和要求,新誉集团有限公司、新誉庞巴迪牵引系统有限公司和成都轨道交通集团有限公司提出“新一代牵引系统”在地铁车辆上的示范应用,在SiC 变流器和永磁电机技术方面进行创新。车辆配置为4M2T(M——动车,T——拖车)地铁A 型车,全部动轴配置永磁电机,采用无速度传感器控制,整列车采用全SiC 功率模块(包含辅助变流器)。

  01

  SiC MOSFET 与既有 IGBT?

  功率模块对比

  目前已推出1 700 V 和3 300 V 大功率应用的SiC功率器件有混合SiC 和全SiC 2 种形式。混合SiC,即Si IGBT 的反向并联二极管采用SiC ;全SiC 则包含开关元件和反向并联二极管都采用SiC。

  新一代1 500 V 轴控SiC 牵引逆变模块采用全SiC MOSFET 功率器件或相同封装的新型IGBT 功率器件。2 种器件均采用新型低电感封装,大幅改善了开/ 关时间并有助于降低浪涌电压。由于外形尺寸的大幅缩小,使得在相同功率应用下,4 个新一代轴控牵引逆变模块与1 个车控牵引逆变模块的散热器表面积相当,有利于将4 个轴控模块集成于车控变流器箱体内。下表 列举了SiC 和IGBT 功率模块的主要技术参数对比(括号内的开关损耗数据对应450 A 工作电流)。器件的特性指标差异应结合不同的应用(如轴控或车控)和封装类型,放在等同条件下进行比较。通过简单的数据对比:4 个开关在450 A 电流下的轴控SiC MOSFET比1 个开关在1 500 A 电流下的车控IGBT 的开通、关断损耗和反向恢复损耗分别下降了40%、71% 和91%。

  现阶段可采用新型IGBT 器件替换SiC 器件,而面向未来则首选SiC 器件。目前,SiC 功率模块的成本十分高昂,但不可忽视其未来技术发展潜力和成本的大幅下降。

  02

  新一代牵引系统

  与现有牵引系统对比

  1 牵引需求

  国内地铁车辆的牵引需求见下表,新一代牵引系统须满足DC 1 500 V、4M2T、A 型和B型车辆的通用技术要求。基于现有牵引平台与车辆之间的系统集成,应尽可能保证设备配置、机械和电气的接口与性能可替换。其牵引性能按永磁电机牵引系统3M3T 的动力配置来满足与4M2T 动力配置相同的性能进行设计,并通过不同数量驱动轴的牵引试验来验证新一代单轴控制下优化的黏着性能和快速响应。

  2 新一代牵引系统主要特征和关键指标

  新一代牵引系统的技术升级表现在:①半导体功率模块由IGBT 升级为SiC;② 牵引控制单元和控制架构的升级;③采用无速度传感器永磁电机驱动技术;④变流器产品升级为新一代MITRAC 1500。

  2.1 半导体功率模块的升级

  现有牵引系统的牵引功率单元采用3.3 kV/1 500 A Si IGBT,最大开关频率为1 kHz。新一代牵引系统的牵引功率单元采用双单元新型低电感封装的全碳化硅器件(SiC MOSFET 和SiC SBD),3.3 kV/800 A,最大开关频率为6 kHz。其优势为低损耗、高开关频率和高温度特性。

  2.2 牵引控制单元和控制架构的升级

  现有牵引系统采用第二代控制单元(下图)和车控架构,控制板采用母板和子板组合结构,平板和插件采用独立安装、分布式布置。

  新一代牵引系统采用第三代控制单元(下图)和轴控架构,控制板采用单板紧凑结构,6U 插件采用集中安装方式。其优势为:控制板安装空间和质量减小,元器件少,可靠性更高,开关控制频率更高;轴控架构的轮轨黏着利用高,牵引可用性高,能耗低,易于选用更少的驱动轴,可使用永磁同步电机,车轮维护少;采用更少的驱动轴进一步减少了质量、能耗和成本。其劣势为:控制板和轴控架构功率变流单元的数量均增加。控制架构由车控升级为轴控后,牵引系统内部控制单元的数量相对于车控明显增加,但由于新一代控制板结构的简化,且所有控制板集中安装于标准机箱内,采用统一的信号连接器,使得控制单元安装简洁,维护方便,可靠性更高。除了永磁电机控制新增的必要信号接口外,牵引系统对车辆列车控制与管理系统(TCMS)的网络接口将保持与现有系统一致。

  2.3 无速度传感器永磁电机驱动

  现有牵引系统采用三相4 极异步牵引电机,自通风冷却,绝缘耐磨轴承,额定效率为0.92,而新一代牵引系统采用三相8 极永磁同步牵引电机,封闭式自通风冷却,混合陶瓷绝缘高耐磨轴承,额定效率达0.97。新一代牵引系统的优势为:效率高,节能显著,功率密度更大,输出转矩大,噪声低和维护少。采用无速度传感器技术可进一步降低故障点数量,提高可靠性。其劣势为:需要增加额外的电机接触器隔离保护装置。

  2.4 新一代 MITRAC 1500变流器

  现有MITRAC 1110 变流器采用铝合金组合式牵引箱体、IGBT 变流模块(下图上)和双速风机。新一代轴控MITRAC 1500 变流器采用新型轻量化、组合式铝合金牵引箱体,4 合1 安装的SiC 变流模块(下图下),无级调速风机,而且新的冷却设计将全部磁性元件集中安装于牵引箱体内。辅助变流器拓扑结构仍然采用传统的工频辅助变压和三相滤波的结构,辅助输出容量由150 kVA提升至170kVA。新型冷却系统的采用和SiC 器件开关频率的提高都将有助于变流器噪声的改善。

  3 牵引设备质量及箱体安装对比

  以既有成都7 号线车辆牵引系统为基准(包含全套高压、牵引和辅助变流器、线路电抗器、过电压保护(OVP)电阻和牵引电机,不包含齿轮箱和联轴节),其系统配置为庞巴迪公司的MITRAC TC(牵引逆变器)1110 车控、4M2T、4 辅助、200 kW 异步电机,牵引系统总质量为18 136 kg。采用相同牵引性能的新一代MITRAC TC1500 轴控、3M3T、3 辅助、250 kW 永磁电机配置,牵引系统总质量为14 650 kg,比基准质量(18 136 kg)下降了19%。

  新一代牵引系统底架设备最大的变化是将外部牵引和辅助电抗器部件集成至变流器箱体内,使箱体数量大幅减少,因此可采用更少和更加标准化的安装接口,同时也缩短了车辆长度方向的安装尺寸(约14.5%),有利于优化底架设备的整体布局。

  4?牵引能耗仿真对比

  由于地铁车辆运行站间距短,起停频繁,且列车自动驾驶(ATO)模式运行时通常采用带惰行的节能运行模式,因此牵引能耗仿真应该模拟实际ATO 运行条件。在仿真时,同时也对全牵引无惰行的运行模式进行了能耗仿真。牵引能耗为牵引系统消耗的净能量,不包含辅助能耗。下图上为全牵引运行模式下的车辆速度曲线,下图下为真实ATO 惰行模式下的车辆速度曲线。

  基于该运行条件对几种牵引系统配置进行牵引能耗计算机仿真,结果如下表 所示。

  仿真结果表明:

  (1)采用全SiC 轴控变流器和永磁电机的组合方式效率最佳,在ATO 惰行运行下可节能21%(场景3);

  (2)全SiC 的高开关频率对于降低电机谐波损失贡献最大,即使不采用永磁电机,全SiC 轴控变流器和异图4 新一代 SiC 变流模块( 轴控,4 合 1) 步电机的组合方式在 ATO 惰行运行下亦可节能 13%(场景4);

  (3)若现阶段采用新型IGBT 轴控变流器和永磁电机的组合方式,在ATO 惰行运行下则可节能16%(场景2)。仿真结果用于评估节能指标,而真实的牵引节能效果是通过在传统车辆和示范车辆上安装独立的能耗记录设备,正线载客运行时作测量验证,将采集每一台牵引变流器和辅助变流器的能量数据,以及每一台受电弓的牵引和再生能量数据。

  03

  新型永磁牵引电机

  新型永磁牵引电机的机械安装结构与传统异步牵引电机基本相同,可适应目前地铁车辆多种转向架的安装要求。它既可以采用弹性橡胶关节安装方式,也可以采用刚性安装方式。电机冷却方式为封闭式自通风(IC411),由固定在转轴上的自带风扇冷却,冷却效果正比于电机转速,冷却空气流过定子上的专用风道。定子铁芯叠片采用绝缘、高导磁率硅钢片通过焊接和压接连接,并采用新型笼形结构固定。定子绕组采用与传统异步牵引电机一致的C 级(200 ℃)绝缘体系;且采用8 极连接结构和分数槽线圈连接方式,有利于缩短定子线圈端部的长度,提高功率密度和槽转矩基波频率,减少转矩脉动量。机座材料为球墨铸铁。

  永磁体内嵌于电机转子V 型槽内,选用高磁能积(199 ~ 231 kJ/m3)、高剩磁(1.03 ~ 1.09 T)、耐高温(230 ℃)、稳定可靠的钕铁硼材料。永磁体由多片粘接而成,可以显著减小涡流损耗。牵引电机转子采用双V型槽结构(下图),能有效保护永磁体,允许承受更高的转速。由于永磁体有极强的磁性,永磁电机转子的装配和拆卸必须采用专门的工装,以防止转子吸附在定子铁芯上或金属工装上造成安装故障。

  电机驱动端及非驱动端轴承均采用新型的混合陶瓷绝缘轴承,相对于常规涂层绝缘轴承,其绝缘和耐磨损能力更高,使用寿命更长,可达到120 万km 以上。

  永磁牵引电机转子位置的检测是电机驱动控制的关键,常规永磁电机需要在电机上安装位置传感器。而庞巴迪永磁电机驱动技术采用最先进的无速度传感器控制技术,取消了位置传感器,从而减少了故障点,降低了材料采购及维护成本。

  下表为250 kW 永磁电机、现有200 kW 异步电机的技术参数对比。下图为2 种电机工作效率的计算机仿真对比。

  研究结果表明:新一代轴控全SiC MITRAC TC1500 牵引变流器及永磁电机牵引系统将在能耗率、质量、尺寸、牵引可用性等方面给客户应用带来增值。轴控设计可选择降低驱动轴数量。除了采用永磁电机牵引外,地铁牵引采用新一代MITRAC TC1500 轴控SiC 变流器和异步电机的组合也具有很好的节能效果。

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