基于HVIPM模块的电力机车变频控制

1 引言
　　三菱公司在电力机车领域发展了一门新的技术，就是采用基于新一代高压智能功率模块（hvipm）两电平变频控制，该产品紧凑、轻巧，而且在模块内部集成了驱动电路和各种保护功能。
　　目前在电力机车拖动上的发展趋势是要求有更快的速度、更高的能效、更舒适的乘坐和更低的维修频度。要达到这些目的，使用绝缘栅双极晶体管（igbt）是一种比较好的方法，因为它能提供快速的开关、低损耗和低能量电压驱动控制回路。基于igbt的变频器一般体积较小、重量轻、效率高、控制快和噪音低。三菱公司正在发展的技术将是利用更小、更轻和更可靠的下一代高压智能功率模块（hvipm），hvipm是由igbt组成，并内置门驱动电路和保护回路（是由igbt模块与内置门极驱动电路和保护电路所组成）。
　　本文将介绍的就是基于3.3kv hvipm的电力机车变频控制系统。
2 电力机车牵引的两电平变频器
　　三菱公司推出的变频器原型将是下一代电力机车用的紧凑、轻巧、高可靠、低维护量和环保的变频器。图1所示是在电力机车上主要的技术挑战目标和他们的解决方案。

 

　　在三菱公司的每台机车中都有两部分共计8个马达组成（图2），而表1列出了变频器的基本技术指标。本系统采用进线为直流1500vdc的逆变器方式，配置为4台410kw（各控制2台205kw的交流电机），采用风冷和矢量控制。

 

　　该变频器（或逆变器）的主回路采用3.3kv/1.2kahvipm模块，其回路电感可通过采用低感充油式滤波电容和层积式母排来降低。另外，其元器件数量的降低使变频器本体更加可靠、小巧和轻灵。

 

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　　图3所示是hvipm的外观， 除了igbt外， 该模块还包括集成式（集成的）门驱动电路，以及检测和防止过流、过压、过热和门驱动电压不足（门极驱动欠压）等故障的电路。
3 低噪音设计
　　噪音是在电力机车变频器设计中必须考虑的一个重要环境因素。三菱公司引入了一种高载波频率技术和零矢量调制功能以保证新型两电平变频器的低噪音指标，并基本和三电平变频器所能达到的噪音等级一致。该载波频率带宽为800～1200hz，能降低噪音和能耗。同时采用零矢量调制则可以避免机车和牵引头之间的机械共振。

 

　　图4所示是使用这种方法的电机电流频率分布的频谱分析。在机车运行在30km/h时，距离牵引头1.5m的地方测得为65db，与三电平的变频器的噪音相类似。而且，采用零调制技术将可能获得更低的噪音。
4 风冷系统
　　新的变频器使用风冷方式，采用机车运行时产生的风量来冷却铝散热器。这是其国内同型号变频器第一次采用无冷却剂的散热方式。
　　采用无冷却剂方式能够最大程度上降低对周围环境的影响， 同时可以降低尺寸和重量。跟以前采用gto方式的老型号变频器相比只有64%的体积，而重量只有一半左右。图5（a）为变频器滤波电容的侧面， 图5（b）为散热器的侧面。

 

5 辅助电源
　　三菱公司采用基于两电平变频器的辅助电源，其容量为180kva，并采用3.3kv400a的ipm模块。无缓冲设计的主回路集成了各种保护功能和低感母排，比以往的变频电源尺寸更小、重量更轻、可靠性更高。

 

　　图6所示是辅助电源。hvipm模块的冷却方式是采用纯水散热管方式来完成，这样也能够降低尺寸和重量。其中ipm模块安装在散热管的前面，维修时非常容易触及与更换。电感通过将母排做得更短来进一步降低，如将滤波电容安放在ipm的下面，或者采用层积式铜排（上下两排，分别接＋－极性）。
　　全部的元器件算起来已经从原来得170个降低到80个左右， 体积则比以前的变频器减轻20%， 重量则减轻10%。
6 结束语
　　三菱公司采用了hvipm的变频器比起以前的老型号来说，尺寸更小，而控制效率则大为提高，完全可以满足新一代电力机车的技术要求。