大功率交流传动机车牵引变流器的研究与开发

论文摘要

西方发达国家经过30多年的研发、考核、技术更新,已经完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业升级,IEC、新干线、TGV成为这些国家铁路现代化和国家综合实力的重要标志。交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。与国外相比,受起步较晚、工业基础落后等因素的限制,我国交流传动系统尚未构成标准化、系列化的产品平台。在系统的可靠性、稳定性方面存在一定差距,难以很好地满足铁路装备现代化和铁路跨越式发展的迫切需求。因此对我国电力机车大功率交流传动系统,特别是牵引变流器这一核心部件进行研究和开发就显得尤为重要。论文首先介绍了牵引变流器的主电路结构,牵引变流器各重要电气部件的构成和工作原理,主要的控制策略和方法。其次结合理论计算和工程实践经验,对牵引变流器关键元器件的选型进行了分析,给出了包括IGBT元件、直流支撑电容、二次谐振电抗器和电容器、功率电阻等元器件基本参数的计算公式和选型原则。紧接着论文对牵引变流器的功率器件的功率损耗估算和结温核算方法进行了分析,给出了仿真计算结果。并通过不同冷却方式散热效率的比较,得出了大功率机车牵引变流器采用密闭式循环水冷系统是最合适的选择。之后详细阐述了牵引变流器水冷系统的构成和工作原理,集成式冷却塔的特点,散热器的设计原则以及冷却介质和制造材料的选择。论文最后通过仿真与试验相结合,对牵引变流器的结构设计,热设计和电气性能进行了验证,结果表明牵引变流器的主要技术指标完全达到了技术规格书的要求,研制是成功的。论文主要从牵引变流器的工程化实践出发,通过样机试验和仿真相结合的方式,设计出具有完全自主知识产权的大功率机车牵引变流器,并为今后其它变流器的设计与开发提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 交流传动技术的特点及其优势
• 1.2 国内外交流传动机车的发展概况
• 1.2.1 国外交流传动机车的发展概况
• 1.2.2 国内交流传动机车的发展概况
• 1.3 本文的研究意义和主要研究内容
• 第2章 牵引变流器的结构及原理
• 2.1 牵引变流器的结构
• 2.2 牵引变流器的原理说明
• 2.2.1 线路接触器和预充电单元
• 2.2.2 四象限整流器
• 2.2.3 中间支撑电容
• 2.2.4 谐振吸收回路
• 2.2.5 接地故障检测及固定放电电阻
• 2.2.6 斩波放电（直流放电）电路
• 2.2.7 PWM逆变器
• 2.2.8 传动控制单元（TCU）
• 2.3 本章小结
• 第3章 牵引变流器元器件参数计算及选型方法
• 3.1 牵引逆变器基本参数的计算方法
• 3.2 四象限整流器基本参数的计算方法
• 3.3 IGBT元件的选型
• 3.4 支撑电容器的选型
• 3.5 二次谐振回路的参数计算及选型
• 3.6 功率电阻的选型
• 3.7 其他关键元器件的参数选择
• 3.8 本章小结
• 第4章 牵引变流器冷却系统的设计
• 4.1 牵引变流器功率器件的热计算
• 4.1.1 IGBT模块功率损耗的估算
• 4.1.2 IGBT模块结温的核算
• 4.1.3 仿真软件计算结果
• 4.2 牵引变流器水冷系统的设计
• 4.2.1 变流器水冷系统构成及工作原理
• 4.2.2 集成式冷却塔
• 4.2.3 散热器的设计
• 4.2.4 冷却介质和制造材料的选择
• 4.3 本章小结
• 第5章 牵引变流器的仿真与试验
• 5.1 有限元分析在牵引变流器设计中的应用
• 5.2 牵引变流器柜体的强度与模态分析
• 5.3 水冷板的热仿真
• 5.4 牵引变流器考核试验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果