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1、和谐型电力机车功率模块应用 2012年8月 和谐型电力机车功率模块应用 永济新时速 2012年8月 目 录 功率模块的基本作用、组成及分类 功率模块应用环境条件及标准 HXD2B电力机车牵引功率模块 HXD2B电力机车辅助功率模块 HXD2C电力机车牵引、辅助功率模块 新八轴电力机车牵引功率模块 新八轴电力机车辅助功率模块 功率模块维修维护 功率模块技术问题探讨 功率模块的作用 有利于变流器系列化 有利于变流器简统设计 有利于变流器批量生产 有利于变流器维修 有利于提高变流器质量 功率模块的基本组成 功率开关元件（GTO、IGBT等） 功率开关元件驱动电路（驱动、保护、 隔离） 过电压吸收电路
2、 低电感复合母排 冷却单元（水冷基板、风冷散热器） 对外接口（电接口、水接口） 温度保护 功率模块的基本分类 1、按安装方式 2、按冷却方式分类 3、按电压等级分类 4、按电路结构分类 按安装方式分类 l抽屉式（螺栓连接） l插拔式（快速连接） l固定小单元式（单元件） 按冷却方式分类 l型材冷却(自然冷却、强迫风冷) l热管冷却(直管冷却、环型冷却) l油循环冷却(变压器油、硅油) l水循环冷却(纯洁水+乙二醇) l沸腾冷却(全氟化冷却液FC72) 按电压等级分类 l 中间电压690V-1050V（应用1700V/1200A-2400A 功率器件） l 中间电压1500V-1800V（应用3
3、300V功率器件） l 中间电压2500V-3000V（应用4500V功率器件） l 中间电压3200V-4400V（应用6500V功率器件） 按电路结构分类 l单桥臂电路（高压大功率） l双桥臂电路（高压大功率） l三桥臂电路（中等功率、中压） l多桥臂电路（低压小功率） l混合电路（低压小功率） 电压、功率及冷却方式分类选择 应用环境条件 海拔高度 不超过2500m。 环境温度 机车外界环境温度为-40+40，变流 柜内部空气温度为-25+55，最大存储 温度：-40+85。 应用环境条件 相对湿度 该月平均最大相对湿度不大于95（该月 平均最低温度为25）。 冲击和振动 能够抵挡GB/T
4、 21563-2008中I类B级规定 的机械应力而不会受到损坏。 安装条件 安装在能防止风、沙、雨、雪直接侵袭、 散热好的箱体内。 参考标准 GB/T25122.1-2010 轨道交通 机车车辆用 电力变流器 第1部分：特性和试验方法 GB/T25119-2010轨道交通 机车车辆电子 装置 HXD2B电力机车牵引功率模块 一、概述 HXD2B电力机车牵引功率模块包括四象限 功率模块、四象限及斩波功率模块两种，每台 机车包括三台牵引变流柜，每柜包括两套牵引 电路，每套电路包括四象限模块两个及四象限 斩波模块一个，实现交直交变换，将输入的 AC2100V整流为DC3775V再进行逆变后，变换为
5、三相变频输出，为牵引电机供电。 HXD2B电力机车牵引功率模块 一、概述 牵引变流柜在机车上的布局如下图（黄颜色部 分）： HXD2B电力机车牵引功率模块 一、概述 各个功率模块在牵引变流柜中的安装情况 如下图所示： 1 ONIX233XHP 2 ONIX233XHP-1R 3 ONIX233XHP HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 主要技术参数 额定输入电压AC 2100V 额定输入电流987 A rms 额定输入频率50Hz 额定输出电压DC 3775V 每个桥臂IGBT并联数2 IGBT数量及冷却方式8个，水冷 外形尺寸680mm370mm305mm（ 长宽高） 重
6、量50.53kg 主电路结构及工作原理 系统由TCU发出控制信号，控制开 关器件IGBT的导通与关断，将单相交流 2100V整流成DC3600V/DC3775V，为后续 的逆变电路供电。 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 模块采用水循环冷却方式，冷却液为 50%水和50%乙二醇混合液体，水循环系统 与变流器共用。模块以水冷基板为中心向 两侧安装部件，水冷基板上安装有进、出 水接口以及机械定位销，水接口采用快速 水连接器，插拔方便，机械定位销供模块 安装到变流器时定位、支撑使用。 HXD2B电力机车牵引功率模
7、块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 水冷基板双面安装8个IGBT器件，交 直母排采用低电感、层叠式复合母排，取 消了吸收电路，使装置结构紧凑、重量轻 、体积小，而且达到了抑制IGBT关断时产 生尖峰过电压的目的。 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 支撑框架作为骨架，固定在水冷基板上 ，对IGBT和复合母排起到保护作用。框架上还 安装了两个低压连接器和电子配置板，低压连 接器负责在TCU和驱动控制板之间进行信号传 递，配置板上针对不同厂家IGBT设置了 门极 开关电阻，保证每个IGBT都工作在最佳状态， 同时对IGBT工作状态进行监测反馈。 HXD2B电力机车牵
8、引功率模块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 框架外共安装4块驱动控制线路板，从TCU 得到控制信号后，在合适时间驱动IGBT，完 成功率变换。 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 模块结构 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 对外接口 u机械接口 通过1个M8的长螺杆固定在变流柜上。 u电气接口-主电路电气接口 模块对外功率连接端子，包括DC、DC和AC 、AC，AC、AC为交流输入端子，采用复合 母排与变流柜主电路连接；DC、DC
9、为直流输出 端子，采用快速电连接器与变流柜主电路连接。 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 电气接口-控制电路电气接口 模块的控制信号包括电源、 IGBT驱动信号、反馈信号等，采用 两个18芯连接器对外与变流柜的TCU 连接。 HXD2B电力机车牵引功率模块 二、四象限功率模块介绍 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 主要技术参数 额定输入电压DC 3775V 额定输出电压3 AC 2945 V 额定输出电流390 A rms） 每个桥臂IGBT并联数2 IGBT数量及冷却方式6个，水冷 外形尺寸 680mm370mm305mm（长宽 高） 重量50
10、3kg 主电路结构及工作原理 系统由TCU发出控制信号，控制开 关器件IGBT的导通与关断，将单相交流 2100V整流成DC3600，为后续的逆变电 路供电。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 此模块包括一个双管并联的桥臂和 一个斩波制动桥臂，并联的桥臂可以作 为整流电路的一个桥臂，也可以作为逆 变电路的一个桥臂。TCU发出控制信号， 控制开关器件IGBT的导通与关断，实现 功率变换。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 模块采用水循环冷却方式，冷却液为 50%水和50%乙二
11、醇混合液体，水循环系统 与变流器共用。模块以水冷基板为中心向 两侧安装部件，水冷基板上安装有进、出 水接口以及机械定位销，水接口采用快速 水连接器，插拔方便，机械定位销供模块 安装到变流器时定位、支撑使用。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 水冷基板双面安装6个IGBT器件， 交直母排采用低电感、层叠式复合母排 ，取消了吸收电路，使装置结构紧凑、 重量轻、体积小，而且达到了抑制IGBT 关断时产生尖峰过电压的目的。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 支撑框架作为骨架，固定在水冷基板上 ，对IGBT和复合母排起到保护作用。框
12、架 上还安装了两个低压连接器和电子配置板 ，低压连接器负责在TCU和驱动控制板之间 进行信号传递，配置板上针对不同厂家 IGBT设置了 门极开、关电阻，保证每个 IGBT都工作在最佳状态，同时对IGBT工作 状态进行监测反馈。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 框架外共安装3块驱动控制线路板，从 TCU得到控制信号后，在合适时间驱动IGBT ，完成功率变换。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 模块结构 H
13、XD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 对外接口 u机械接口 通过1个M8的长螺杆固定在变流柜上。 u电气接口-主电路电气接口 模块对外功率连接端子，包括DC、DC和L 。DC、DC为直流输入/输出端子，采用快速电 连接器与变流柜主电路连接。L为桥臂中间连接端子 ，采用复合母排与变流柜主电路连接； HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 电气接口-控制电路电气接口 模块的控制信号包括电源、IGBT驱动信 号、反馈信号等，采用两个18芯连接器对 外与变流柜的TCU连接。 HXD2B电力机车牵引功率模块 三、四象限斩波功率模块介绍 HXD2B电力机车辅助功率模
14、块 一、概述 辅助变流器的输入为DC3600V，经辅助 逆变模块、充电机模块、二极管模块等功率 电路变换后，为列车辅助系统负载供电，辅 助负载包括3相400V恒频及变频负载、直流 110V负载等。 HXD2B电力机车辅助功率模块 一、概述 HXD2B电力机车辅助功率模块 一、概述 各个功率模块在辅助变流柜中的安装情 况如下图所示： HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 主要技术参数 输入参数 额定输入电压3775 VDC 工作电压范围20004000 VDC 输出参数 输出基波线电压有效值 三相400VAC5% 基波电压频率50Hz 2% 额定功率（两个模块都工作时）110kV
15、A cos 0.93 HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 永久降级额定功率（一个模块工作在应急状态时）： 150kVA cos 0.93 非永久降级额定功率（1h）（一个模块工作在应急状 态时）:160kVA cos 0.93 额定瞬时视在功率（最长5秒，20次/小时）： 260kVA cos 0.63 电压总谐波失真率THD8% 额定条件下的效率90% HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 额定条件下的效率 90% 热保护双金属盘式温控器 外形尺寸: 639.4474.8470.5（mm） 重量44.3kg5% HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 主电路结构和工作原理 HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 主电路结构和工作原理 系统由ACU发出控制信号，控制开关器件 IGBT的导通与关断，将直流3600V逆变成交流 电，再通过三相变压器降压后，得到3相400V 的交流电，为三相负载。配置板完成IGBT的 过流保护，驱动控制电路板完成IGBT关断控 制和保护功能，为热敏开关，完成模块的 过热保护。 HXD2B电力机车辅助功率模块 二、辅助功率模块介绍 模块结构 模块采用强迫通风冷却，IGBT器件安装 在风冷散热器的散热面上，通过母排和吸 收电容按电路结构相连，驱动电路
