用于牽引變流器的電力電容器:在快車道上
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
愛普科斯現(xiàn)可供應(yīng)愛普科斯專為Velaro高速列車打造的吸收電路電容器，Velaro系列由西門子為中國(guó)國(guó)有鐵路設(shè)計(jì)。相關(guān)電容器將用于牽引變流器諧振電路。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/231521.htm目前，中國(guó)正按計(jì)劃逐步擴(kuò)建鐵路網(wǎng)。西門子Velaro CN——截至目前速度最快的客運(yùn)列車，由國(guó)有鐵路中鐵（CR）運(yùn)營(yíng)，在2008年奧運(yùn)會(huì)前投入使用。在中國(guó)，這一基于德國(guó)ICE3制造的第四系列高速列車稱作CRH3。TDK-EPC已為1000多個(gè)牽引變流器供應(yīng)諧振電路電容器。
2005年，中鐵向西門子下單，訂購(gòu)六十多列Velaro CN系列高速列車，要求車體比ICE3寬，每排座椅可坐6名乘客?？傮w而言，Velaro CN要在總長(zhǎng)200米的8節(jié)車廂內(nèi)提供超過(guò)600個(gè)座位。每列列車重達(dá)447噸，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度達(dá)300公里/小時(shí)，并在改造后可達(dá)350公里/小時(shí)。五列列車在2008奧運(yùn)會(huì)前已投入使用（參見圖1）。
| 圖1：Velaro的多單元理念原理 |
如今，60列列車已全部投入使用，在首都北京和南部港口城市天津之間來(lái)回穿梭，全程115千米，單程僅需30分鐘。除去最初的三列列車，天津唐山機(jī)車車輛廠（TLRW）現(xiàn)正打造中國(guó)版Velaro CN。
憑借新驅(qū)動(dòng)理念增加15%以上的坐席
Velaro CN驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并非位于列車前端或后端的動(dòng)力車，而是分散在列車各輪上（參見圖1）。32車軸中有16個(gè)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；每列列車的4個(gè)牽引變流器配備四臺(tái)電機(jī)，這種驅(qū)動(dòng)理念使鐵路運(yùn)營(yíng)商可增加將近15%的座位空間。作為一項(xiàng)特殊賣點(diǎn)，乘客有機(jī)會(huì)在乘車時(shí)前后方的鐵軌，不過(guò)，列車底部卻裝滿了設(shè)備：除牽引變流器和驅(qū)動(dòng)器外，車底還必須為變壓器、空調(diào)設(shè)備、壓縮空氣產(chǎn)生器、馬桶水缸以及許多其它設(shè)備騰出空間。所以，為牽引變流器剩下的空間相對(duì)非常小。
電氣列車需使用諧振電路
不同于工業(yè)用三相驅(qū)動(dòng)器，機(jī)車和列車組用牽引電機(jī)的運(yùn)行需要單相交流電壓。Velaro CN的架空牽引線路電壓（25 kV，50 Hz）首先經(jīng)過(guò)降壓并整流，最后借助直流鏈路電容器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)。
不過(guò)，由于使用單相供電，上述直流鏈路電壓還會(huì)承受相當(dāng)大的、兩倍于電源頻率的紋波電壓。額外濾波和干擾抑制借助諧振電路進(jìn)行，即包含電容器和扼流圈的串聯(lián)振蕩電路，調(diào)諧到雙倍電源頻率。
Velaro CN諧振電路由兩個(gè)并聯(lián)的固定電容器以及一個(gè)四合一調(diào)諧電容器組成。該設(shè)計(jì)還允許諧振電路頻率在由扼流圈電感值不一致或或電容老化損耗后得以正確調(diào)整。
定制解決方案
根據(jù)西門子的規(guī)格研發(fā)出基本設(shè)計(jì)后，便運(yùn)用仿真模型就溫度曲線、電流和頻率響應(yīng)以及高速列車預(yù)計(jì)運(yùn)行周期對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。作為諧振電路解決方案，最終建議使用愛普科斯MKK DCI電力電容器，即為直流電壓運(yùn)行所設(shè)計(jì)的油浸電容（參見圖2）。該系列電容器還滿足了對(duì)有限載荷和防火的高要求。
| 圖2：諧振電路電容器 |
| MKK DCI電力電容器為油浸式，專為直流電壓運(yùn)行設(shè)計(jì)，還能滿足有限載荷和防火的高要求。 |
Velaro CN列車牽引變流器諧振電路使用了兩個(gè)固定電容器，其中每一個(gè)的電容都高達(dá)1520 μF，專用于3600伏的工作電壓；而所用調(diào)諧電容器具有多個(gè)連接點(diǎn)，在一個(gè)外殼中有4個(gè)電容器，總電容亦為1520 μF（參見下表）。
愛普科斯電力電容器技術(shù)數(shù)據(jù)圖
| 參數(shù) | 固定電容器 | 調(diào)諧電容器 |
| 電容 [μF] | 1520 | ∑ 1520 |
| 工作電壓 | 3600 V DC / 2960 V AC | 3600 V DC / 2960 V AC |
| 峰值電壓 | 6000 V DC / 8300 V AC | 6000 V DC / 8300 V AC |
| 工作電流 [A] | 273 | 273 |
| 峰值電流 [kA] | 200 | 200 |
| 工作溫度 [°C] | ?40 ~ +70 | ?40 ~ +70 |
| 空氣濕度 | 95% | 95% |
| 氣候分類 | 40 / 070 / 56 | 40 / 070 / 56 |
| 熱負(fù)荷 [g] | 300 (要求 0) | > 300 (類別 2) |
| 規(guī)格（寬 × 深 × 高）[mm] | 340 x 600 x 165 | 340 x 600 x 165 |
| 重量 [kg] | 57 | 58 |
運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)久
電力電容器內(nèi)部由結(jié)構(gòu)薄膜構(gòu)成，可分為多個(gè)單段，因此Velaro CN諧振電路電容器包含了10,000個(gè)左右的串、并連獨(dú)立電容器，通過(guò)薄膜正面直接堆疊和接觸（參見圖3）。
| 圖3：愛普科斯電力電容器截面 |
| 電容器內(nèi)部含有約10,000個(gè)相互堆疊的獨(dú)立電容器。通過(guò)適當(dāng)串聯(lián)和并聯(lián)，可在高電壓條件下實(shí)現(xiàn)較大電容值。 |
上述結(jié)構(gòu)原理可實(shí)現(xiàn)電力電容器的自愈，并保證不會(huì)在過(guò)載時(shí)發(fā)生關(guān)鍵故障：如果單個(gè)電容器出現(xiàn)故障，金屬鍍層將在該點(diǎn)蒸發(fā)，直至其余金屬面之間的間距再次變得足夠?qū)?。如果電流持續(xù)上升，薄膜將徹底融化，使該電容器電阻變高，從而避免進(jìn)一步的加熱風(fēng)險(xiǎn)，并預(yù)防其它點(diǎn)產(chǎn)生故障。
獨(dú)立電容器直接連至終端引線，因而MKK DCI電力電容器不僅寄生電感較低，其內(nèi)阻也特別低；而由于所需連線較少，其等效串聯(lián)電阻也較低。因此，Velaro CN諧振電路電容器便以較低的自我加熱風(fēng)險(xiǎn)與高達(dá)200 kA的脈沖承受能力享譽(yù)業(yè)內(nèi)。上述特性之所以重要，是因?yàn)镮GBT電力開關(guān)運(yùn)行時(shí)的切換頻率越來(lái)越高。
體積小，功能可靠
愛普科斯諧振電路電容器中注滿了菜籽油，使其熱分布特性優(yōu)于干鑄造材料。采用油浸法，電容器薄膜可承受高達(dá)240 V /μm的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而在內(nèi)部可形成高能量密度，實(shí)現(xiàn)了高度緊湊的外殼尺寸（340 x 600 mm x 165 mm3）。通過(guò)將該電容器焊入不銹鋼體，該產(chǎn)品可承受高達(dá)8300 V交流電壓峰值。
本產(chǎn)品系列十分可靠，得益于其優(yōu)化布局是其中一個(gè)原因。它擁有20萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，相當(dāng)于可連續(xù)運(yùn)行約23年，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出EN50155的要求。此外，MKK DCI電容器具備十分穩(wěn)定的電容值：在正常工作條件下，在整個(gè)運(yùn)行壽命期間，其電容下降幅度也大大低于3個(gè)百分點(diǎn)。
盡管受到列車不斷沖擊和震動(dòng)，MKK DCI電容器的電氣性能也將在-40到+70℃的溫度范圍內(nèi)保持不變。本產(chǎn)品符合鐵路運(yùn)營(yíng)要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，IEC 1070。
IRIS認(rèn)證工廠
諧振電路電容器剛設(shè)計(jì)完成，西班牙馬拉加TDK-EPC工廠便著手生產(chǎn)樣品，在第一批樣品中，有一部分用于測(cè)試使用壽命以及進(jìn)行電氣和熱感認(rèn)證，而其余部分則試用于西門子牽引變流器，并隨后根據(jù)中鐵規(guī)格進(jìn)行檢查和測(cè)試。作為全球一流的工廠之一，馬拉加TDK-EPC工廠通過(guò)了基于ISO9001認(rèn)證的歐洲鐵路行業(yè)聯(lián)盟IRIS標(biāo)準(zhǔn)。而位于印度的納希克工廠也于近日通過(guò)了IRIS認(rèn)證。
鑒于高速列車和貨運(yùn)機(jī)車領(lǐng)域市場(chǎng)的發(fā)展，我們正在印度和中國(guó)建設(shè)電力電容器生產(chǎn)基地。這些工廠不僅將滿足當(dāng)?shù)貒?guó)有鐵路部門的訂單需求，重點(diǎn)是還將迅速靈活地滿足客戶需求。
除諧振電路電容器外，TDK-EPC還可供應(yīng)Velaro CN列車用牽引變流器所需其它多種電容器，比如IGBT電力開關(guān)濾波器或電路用電容器。
電力電容器發(fā)展趨勢(shì)
原則上，為Velaro CN用諧振電路電容器不僅適用于高速列車，憑借其超長(zhǎng)壽命，也適用于所有貨運(yùn)機(jī)車和列車組。此外，可調(diào)諧諧振電路還是跨境交通用電軌車的理想選擇（例如，中歐和斯堪的納維亞半島部分地區(qū)使用16 2/3 Hz，法國(guó)使用50 Hz）。
MKK DC/DCI電容器的設(shè)計(jì)使其外形尺寸特別適合相關(guān)應(yīng)用，從而使變流器中電路布局得以簡(jiǎn)化和優(yōu)化。這可通過(guò)低插入高度的矩形薄膜電容器來(lái)說(shuō)明：其占用面積與IGBT電力開關(guān)尺寸完全對(duì)應(yīng)，從而不僅節(jié)省了空間，還省去了變流器內(nèi)的連接線，最終在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，還提高了可靠性。
2009年3月，中鐵再次下單，訂購(gòu)100列基于CRH3的高速列車，要求每列車有16節(jié)車廂，這意味著新型列車長(zhǎng)度將是原型號(hào)的兩倍。以350公里/小時(shí)時(shí)速計(jì)算，北京至上海這段1300公里的旅程將降至約4小時(shí)。新型CRH3列車也將使用TDK-EPC產(chǎn)諧振電路電容器。
評(píng)論