crh380d動(dòng)車(chē)組充電機(jī)的設(shè)計(jì)

crh380d動(dòng)車(chē)組充電機(jī)的設(shè)計(jì)

1crh系列高速動(dòng)車(chē)組近年來(lái)，中國(guó)軌道交通行業(yè)面臨著前所未有的技術(shù)發(fā)展機(jī)遇。crh380d列車(chē)是基于龐巴迪亞zefilo模式的高速crh系列，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度為350km。目前,CRH380D動(dòng)車(chē)組充電機(jī)作為列車(chē)直流供電的關(guān)鍵子部件,充電機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn),完全依賴(lài)原裝進(jìn)口。在高速動(dòng)車(chē)組充電機(jī)產(chǎn)品領(lǐng)域,雖然CRH1動(dòng)車(chē)組充電機(jī)、CRH3動(dòng)車(chē)組充電機(jī)和CRH5動(dòng)車(chē)組充電機(jī)均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、自主化,但在功率、體積和重量等方面,功率密度還有待提高2充電機(jī)主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)CRH380D動(dòng)車(chē)組對(duì)充電機(jī)的直流供電設(shè)計(jì)參數(shù)為:額定三相輸入交流電壓400V/50Hz,輸入電壓波動(dòng)范圍為±10%,額定輸出直流電壓110V,輸出電壓紋波因數(shù)小于等于5%,直流充電電壓為112～129.6V,最大輸出功率為25kW,冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷,使用環(huán)境溫度為-25℃～40℃,充電機(jī)實(shí)現(xiàn)三相交流400V到直流110V的功率變換,設(shè)計(jì)功率25kW,充電機(jī)為整車(chē)直流110V負(fù)載提供電源和蓄電池充電。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求,充電機(jī)主電路原理見(jiàn)圖1。其中,三相交流400V作為充電機(jī)的輸入,在充電機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)熔斷器、電磁干擾(EMI)濾波器、三相電抗器、整流橋、直流濾波得到直流電,再經(jīng)過(guò)半橋隔離DC/DC變換輸出110V等級(jí)直流電壓?？刂破鞑捎肨MS320LF28335作為核心控制芯片,對(duì)功率變換主電路進(jìn)行控制,核心控制芯片和控制器外圍信號(hào)通過(guò)相應(yīng)接口電路實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓采集、中間直流電壓采集、輸出電壓電流采集、溫度采集、脈寬調(diào)制控制等功能。充電機(jī)控制器檢測(cè)到交流輸入電壓正常,當(dāng)直流支撐電容電壓達(dá)到預(yù)定電壓值時(shí),隔離DC/DC變換電路開(kāi)始工作,直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變變?yōu)榻涣麟?通過(guò)高頻變壓器傳遞到變壓器次級(jí),次級(jí)交流電經(jīng)過(guò)全波整流后變?yōu)槊}動(dòng)的直流電,再經(jīng)過(guò)LC濾波輸出穩(wěn)定的直流電壓給電池充電,同時(shí)給直流110V負(fù)載供電。CRH380D動(dòng)車(chē)組充電機(jī)采用了鋁材進(jìn)行整機(jī)的箱體設(shè)計(jì),相對(duì)于鋼材大大降低了箱體重量,同時(shí),內(nèi)部主電路器件采用集成化的布局方式,大大減小了內(nèi)部器件的布局體積,充電機(jī)整機(jī)采用車(chē)下坐裝的安裝方式,正面為檢修門(mén)板,背面為接線側(cè)和散熱通風(fēng)風(fēng)道。充電機(jī)的冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷,由充電機(jī)背部包裹的可調(diào)速離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行充電機(jī)的散熱,散熱風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口為充電機(jī)正面右側(cè),散熱風(fēng)道出風(fēng)口為充電機(jī)背面右側(cè),通過(guò)與車(chē)體底板風(fēng)道相接,將充電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過(guò)底板向車(chē)下排出。3充電機(jī)網(wǎng)箱應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度以及應(yīng)力分析針對(duì)CRH380D動(dòng)車(chē)組充電機(jī)的主電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了相應(yīng)的Matlab主電路仿真,負(fù)載采用阻性負(fù)載模擬充電機(jī)的輸出負(fù)載,主電路主要器件參數(shù)為:三相輸入電抗器為1.5mH,半橋支撐電容C針對(duì)充電機(jī)箱體的機(jī)械設(shè)計(jì),進(jìn)行了相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算分析,表1為充電機(jī)箱體靜強(qiáng)度計(jì)算工況(IEC61373-2010),靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,其中,應(yīng)力較大的部分主要分布在中間隔板與變壓器加強(qiáng)板連接處、箱體頂板與風(fēng)扇支架底座連接處、散熱片安裝板與模塊安裝板連接處。最大應(yīng)力發(fā)生在工況1中,如圖3a所示,最大值為54.2MPa,位于中間隔板與變壓器加強(qiáng)板連接處,低于屈服強(qiáng)度110Mpa。表3為充電機(jī)箱體疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況(EN12663-2010/DVS1608-2009),疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。在3種工況下進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算,如圖3b～d所示,各工況的最大應(yīng)力均低于DVS1608-2009規(guī)定的相應(yīng)材料的最大許用應(yīng)力,利用系數(shù)均不大于0.15,具有較高的強(qiáng)度裕量。4負(fù)載突變時(shí)輸出電壓充電機(jī)實(shí)物樣機(jī)經(jīng)過(guò)了完整型式試驗(yàn),各項(xiàng)功能工作穩(wěn)定,整機(jī)重量90kg,25kW滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)最高效率達(dá)到92.1%。圖4a為穩(wěn)態(tài)高頻變壓器電壓電流波形,圖4b為穩(wěn)態(tài)輸出濾波電感電壓電流波形?？梢?jiàn),充電機(jī)內(nèi)部主要磁性元件的波形正常,輸出電壓穩(wěn)定,與電路仿真一致。圖5a為負(fù)載由3kW到25kW突加時(shí)輸出電壓波形,圖5b為負(fù)載由25kW到3kW突減時(shí)輸出電壓波形,在負(fù)載進(jìn)行劇烈突變時(shí),充電機(jī)輸出電壓可通過(guò)快速調(diào)節(jié)保持恒定,抑制負(fù)載突變對(duì)輸出電壓的影響。圖6為充電機(jī)裝車(chē)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控狀態(tài),在電池基本充滿(mǎn)的情況下按照電池溫度補(bǔ)償充電曲線進(jìn)行最大輸出電壓為113.5V、最大輸出電流為210A的恒壓限流模式輸出,工作穩(wěn)定。表5為各系CRH動(dòng)車(chē)組充電機(jī)的功率密度對(duì)照表,其中,CRH5充電機(jī)采用自然冷卻方式進(jìn)行散熱,導(dǎo)致整機(jī)功率密度較低,在采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱的充電機(jī)產(chǎn)品中,CRH380D充電機(jī)的功率密度要求為大于等于0.263kW·kg5充電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果在此進(jìn)行了CRH380D動(dòng)車(chē)組充電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究,驗(yàn)證了主電路的電壓電流波形,分析了充電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度,通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算保證了箱體設(shè)計(jì)的可靠性,最后試制了充電機(jī)實(shí)物樣機(jī),進(jìn)行