crh380d动车组充电机的设计

crh380d动车组充电机的设计

1crh系列高速动车组近年来，中国轨道交通行业面临着前所未有的技术发展机遇。crh380d列车是基于庞巴迪亚zefilo模式的高速crh系列，设计运营速度为350km。目前,CRH380D动车组充电机作为列车直流供电的关键子部件,充电机具有体积小、重量轻、功率密度高等优点,完全依赖原装进口。在高速动车组充电机产品领域,虽然CRH1动车组充电机、CRH3动车组充电机和CRH5动车组充电机均已实现国产化、自主化,但在功率、体积和重量等方面,功率密度还有待提高2充电机主电路系统设计CRH380D动车组对充电机的直流供电设计参数为:额定三相输入交流电压400V/50Hz,输入电压波动范围为±10%,额定输出直流电压110V,输出电压纹波因数小于等于5%,直流充电电压为112～129.6V,最大输出功率为25kW,冷却方式为强制风冷,使用环境温度为-25℃～40℃,充电机实现三相交流400V到直流110V的功率变换,设计功率25kW,充电机为整车直流110V负载提供电源和蓄电池充电。根据设计参数要求,充电机主电路原理见图1。其中,三相交流400V作为充电机的输入,在充电机内部经过熔断器、电磁干扰(EMI)滤波器、三相电抗器、整流桥、直流滤波得到直流电,再经过半桥隔离DC/DC变换输出110V等级直流电压。控制器采用TMS320LF28335作为核心控制芯片,对功率变换主电路进行控制,核心控制芯片和控制器外围信号通过相应接口电路实现输入交流电压采集、中间直流电压采集、输出电压电流采集、温度采集、脉宽调制控制等功能。充电机控制器检测到交流输入电压正常,当直流支撑电容电压达到预定电压值时,隔离DC/DC变换电路开始工作,直流电经过高频逆变变为交流电,通过高频变压器传递到变压器次级,次级交流电经过全波整流后变为脉动的直流电,再经过LC滤波输出稳定的直流电压给电池充电,同时给直流110V负载供电。CRH380D动车组充电机采用了铝材进行整机的箱体设计,相对于钢材大大降低了箱体重量,同时,内部主电路器件采用集成化的布局方式,大大减小了内部器件的布局体积,充电机整机采用车下坐装的安装方式,正面为检修门板,背面为接线侧和散热通风风道。充电机的冷却方式为强迫风冷,由充电机背部包裹的可调速离心风机进行充电机的散热,散热风道进风口为充电机正面右侧,散热风道出风口为充电机背面右侧,通过与车体底板风道相接,将充电机产生的热量通过底板向车下排出。3充电机网箱应力、疲劳强度以及应力分析针对CRH380D动车组充电机的主电路设计原理进行了相应的Matlab主电路仿真,负载采用阻性负载模拟充电机的输出负载,主电路主要器件参数为:三相输入电抗器为1.5mH,半桥支撑电容C针对充电机箱体的机械设计,进行了相应的强度计算分析,表1为充电机箱体静强度计算工况(IEC61373-2010),静强度计算结果见表2,其中,应力较大的部分主要分布在中间隔板与变压器加强板连接处、箱体顶板与风扇支架底座连接处、散热片安装板与模块安装板连接处。最大应力发生在工况1中,如图3a所示,最大值为54.2MPa,位于中间隔板与变压器加强板连接处,低于屈服强度110Mpa。表3为充电机箱体疲劳强度计算工况(EN12663-2010/DVS1608-2009),疲劳强度计算结果见表4。在3种工况下进行了疲劳强度计算,如图3b～d所示,各工况的最大应力均低于DVS1608-2009规定的相应材料的最大许用应力,利用系数均不大于0.15,具有较高的强度裕量。4负载突变时输出电压充电机实物样机经过了完整型式试验,各项功能工作稳定,整机重量90kg,25kW满载运行时最高效率达到92.1%。图4a为稳态高频变压器电压电流波形,图4b为稳态输出滤波电感电压电流波形。可见,充电机内部主要磁性元件的波形正常,输出电压稳定,与电路仿真一致。图5a为负载由3kW到25kW突加时输出电压波形,图5b为负载由25kW到3kW突减时输出电压波形,在负载进行剧烈突变时,充电机输出电压可通过快速调节保持恒定,抑制负载突变对输出电压的影响。图6为充电机装车后试验数据的监控状态,在电池基本充满的情况下按照电池温度补偿充电曲线进行最大输出电压为113.5V、最大输出电流为210A的恒压限流模式输出,工作稳定。表5为各系CRH动车组充电机的功率密度对照表,其中,CRH5充电机采用自然冷却方式进行散热,导致整机功率密度较低,在采用强迫风冷方式进行散热的充电机产品中,CRH380D充电机的功率密度要求为大于等于0.263kW·kg5充电机试验结果在此进行了CRH380D动车组充电机产品的设计研究,验证了主电路的电压电流波形,分析了充电机的机械强度,通过强度计算保证了箱体设计的可靠性,最后试制了充电机实物样机,进行