2011 三月

电动车用块状电力电容器

在快车道上

TDK-EPC现可供应爱普科斯专为Velaro高速列车打造的吸收电路电容器,Velaro系列由西门子为中国国有铁路设计。相关电容器将用于牵引变流器谐振电路。

目前,中国正按计划逐步扩建铁路网。西门子Velaro CN——截至目前速度最快的客运列车,由国有铁路中铁(CR)运营,在2008年奥运会前投入使用。在中国,这一基于德国ICE3制造的第四系列高速列车称作CRH3。TDK-EPC已为1000多个牵引变流器供应谐振电路电容器。


2005年,中铁向西门子下单,订购六十多列Velaro CN系列高速列车,要求车体比ICE3宽,每排座椅可坐6名乘客。总体而言,Velaro CN要在总长200米的8节车厢内提供超过600个座位。每列列车重达447吨,设计运行速度达300公里/小时,并在改造后可达350公里/小时。五列列车在2008奥运会前已投入使用(参见图1)。

图1:Velaro的多单元理念原理

如今,60列列车已全部投入使用,在首都北京和南部港口城市天津之间来回穿梭,全程115千米,单程仅需30分钟。除去最初的三列列车,天津唐山机车车辆厂(TLRW)现正打造中国版Velaro CN。

凭借新驱动理念增加15%以上的坐席

Velaro CN驱动系统并非位于列车前端或后端的动力车,而是分散在列车各轮上(参见图1)。32车轴中有16个由马达驱动;每列列车的4个牵引变流器配备四台电机,这种驱动理念使铁路运营商可增加将近15%的座位空间。作为一项特殊卖点,乘客有机会在乘车时前后方的铁轨,不过,列车底部却装满了设备:除牵引变流器和驱动器外,车底还必须为变压器、空调设备、压缩空气产生器、马桶水缸以及许多其它设备腾出空间。所以,为牵引变流器剩下的空间相对非常小。

电气列车需使用谐振电路

不同于工业用三相驱动器,机车和列车组用牵引电机的运行需要单相交流电压。Velaro CN的架空牵引线路电压(25 kV,50 Hz)首先经过降压并整流,最后借助直流链路电容器实现平稳。

不过,由于使用单相供电,上述直流链路电压还会承受相当大的、两倍于电源频率的纹波电压。额外滤波和干扰抑制借助谐振电路进行,即包含电容器和扼流圈的串联振荡电路,调谐到双倍电源频率。

Velaro CN谐振电路由两个并联的固定电容器以及一个四合一调谐电容器组成。该设计还允许谐振电路频率在由扼流圈电感值不一致或或电容老化损耗后得以正确调整。

定制解决方案

根据西门子的规格研发出基本设计后,便运用仿真模型就温度曲线、电流和频率响应以及高速列车预计运行周期对其进行优化。作为谐振电路解决方案,最终建议使用爱普科斯MKK DCI电力电容器,即为直流电压运行所设计的油浸电容(参见图2)。该系列电容器还满足了对有限载荷和防火的高要求。

图2:谐振电路电容器
MKK DCI电力电容器为油浸式,专为直流电压运行设计,还能满足有限载荷和防火的高要求。

Velaro CN列车牵引变流器谐振电路使用了两个固定电容器,其中每一个的电容都高达1520 µF,专用于3600伏的工作电压;而所用调谐电容器具有多个连接点,在一个外壳中有4个电容器,总电容亦为1520 µF(参见下表)。

爱普科斯电力电容器技术数据图

参数固定电容器调谐电容器
电容 [µF]1520∑ 1520
工作电压3600 V DC / 2960 V AC3600 V DC / 2960 V AC
峰值电压6000 V DC / 8300 V AC6000 V DC / 8300 V AC
工作电流 [A]273273
峰值电流 [kA]200200
工作温度 [°C]−40 ~ +70−40 ~ +70
空气湿度< 95%< 95%
气候分类40 / 070 / 5640 / 070 / 56
热负荷 [g]< 300
(要求 0)
> 300
(类别 2)
规格(宽 × 深 × 高)[mm]340 x 600 x 165340 x 600 x 165
重量 [kg]5758

运行稳定,寿命长久

电力电容器内部由结构薄膜构成,可分为多个单段,因此Velaro CN谐振电路电容器包含了10,000个左右的串、并连独立电容器,通过薄膜正面直接堆叠和接触(参见图3)。

图3:爱普科斯电力电容器截面

电容器内部含有约10,000个相互堆叠的独立电容器。通过适当串联和并联,可在高电压条件下实现较大电容值。

上述结构原理可实现电力电容器的自愈,并保证不会在过载时发生关键故障:如果单个电容器出现故障,金属镀层将在该点蒸发,直至其余金属面之间的间距再次变得足够宽。如果电流持续上升,薄膜将彻底融化,使该电容器电阻变高,从而避免进一步的加热风险,并预防其它点产生故障。

独立电容器直接连至终端引线,因而MKK DCI电力电容器不仅寄生电感较低,其内阻也特别低;而由于所需连线较少,其等效串联电阻也较低。因此,Velaro CN谐振电路电容器便以较低的自我加热风险与高达200 kA的脉冲承受能力享誉业内。上述特性之所以重要,是因为IGBT电力开关运行时的切换频率越来越高。

体积小,功能可靠

爱普科斯谐振电路电容器中注满了菜籽油,使其热分布特性优于干铸造材料。采用油浸法,电容器薄膜可承受高达240 V /μm的电场强度,从而在内部可形成高能量密度,实现了高度紧凑的外壳尺寸(340 x 600 mm x 165 mm3)。通过将该电容器焊入不锈钢体,该产品可承受高达8300 V交流电压峰值。

本产品系列十分可靠,得益于其优化布局是其中一个原因。它拥有20万小时的使用寿命,相当于可连续运行约23年,从而远远超出EN50155的要求。此外,MKK DCI电容器具备十分稳定的电容值:在正常工作条件下,在整个运行寿命期间,其电容下降幅度也大大低于3个百分点。

尽管受到列车不断冲击和震动,MKK DCI电容器的电气性能也将在-40到+70℃的温度范围内保持不变。本产品符合铁路运营要求相关标准,IEC 1070。

IRIS认证工厂

谐振电路电容器刚设计完成,西班牙马拉加TDK-EPC工厂便着手生产样品,在第一批样品中,有一部分用于测试使用寿命以及进行电气和热感认证,而其余部分则试用于西门子牵引变流器,并随后根据中铁规格进行检查和测试。作为全球一流的工厂之一,马拉加TDK-EPC工厂通过了基于ISO9001认证的欧洲铁路行业联盟IRIS标准。而位于印度的纳希克工厂也于近日通过了IRIS认证。

鉴于高速列车和货运机车领域市场的发展,我们正在印度和中国建设电力电容器生产基地。这些工厂不仅将满足当地国有铁路部门的订单需求,重点是还将迅速灵活地满足客户需求。

除谐振电路电容器外,TDK-EPC还可供应Velaro CN列车用牵引变流器所需其它多种电容器,比如IGBT电力开关滤波器或电路用电容器。

电力电容器发展趋势

原则上,为Velaro CN用谐振电路电容器不仅适用于高速列车,凭借其超长寿命,也适用于所有货运机车和列车组。此外,可调谐谐振电路还是跨境交通用电轨车的理想选择(例如,中欧和斯堪的纳维亚半岛部分地区使用16 2/3 Hz,法国使用50 Hz)。

MKK DC/DCI电容器的设计使其外形尺寸特别适合相关应用,从而使变流器中电路布局得以简化和优化。这可通过低插入高度的矩形薄膜电容器来说明:其占用面积与IGBT电力开关尺寸完全对应,从而不仅节省了空间,还省去了变流器内的连接线,最终在降低系统成本的同时,还提高了可靠性。

2009年3月,中铁再次下单,订购100列基于CRH3的高速列车,要求每列车有16节车厢,这意味着新型列车长度将是原型号的两倍。以350公里/小时时速计算,北京至上海这段1300公里的旅程将降至约4小时。新型CRH3列车也将使用TDK-EPC产谐振电路电容器。

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