高速列車牽引控制系統(tǒng)兼容性技術研究＊

杜會謙，姜東杰，王師昂

（唐山軌道客車有限責任公司 產品研發(fā)中心，河北唐山064000）

我國成功完成了 CRH1、CRH2、CRH3、CRH54種車型高速動車組的國產化批量生產和在多條線路上的廣泛運用。因此采各家技術之長，進行牽引控制系統(tǒng)兼容性研究，并實現(xiàn)不同技術體系牽引控制系統(tǒng)的兼容，將為我國打破國外技術封鎖，塑造自主品牌奠定良好基礎。

1 牽引控制設計

以CRH3型車為平臺，進行高速列車牽引系統(tǒng)兼容性研究設計。CRH3型車牽引變流器為兩電平，功率模塊采用兩并聯(lián)的600 A／6．5 k V IGBT，中間直流環(huán)節(jié)電壓高，相比之下日系變流技術具有大電流、低電壓的特性，功率模塊采用三并聯(lián)的900 A／4．5 k V IGBT，根據(jù)該IGBT技術參數(shù)及工程設計經驗，牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)電壓值VD通過式（1）計算得到：

其中ΔV＝K·最大斷開電流 （K可通過試驗得知）＝K·過電流設定值·公差

根據(jù)IGBT元件的特性，ΔV取為700～800 V，VD＝3 200～3 300 V，考慮直流電壓15%～20%的波動，直流環(huán)節(jié)電壓 應該控制在2 600～2 700 V。逆變器最大輸出線電壓VOUT為：

為滿足技術要求，同時結合電機特性，要達到啟動轉矩3 000 NM，電機啟動電流約為320 A，4臺電機并聯(lián)運行，牽引變流器的IGBT模塊是900 A／4．5 k V三并聯(lián)，持續(xù)電流可達2 700 A，通過式（3）知，選擇的IGBT模塊滿足設計要求。

在牽引變流器輸入側，四象限變流器4QC的整流會產生大量的二次諧波，對于直流環(huán)節(jié)的支撐電容，吸收高次諧波的特性好，對于二次諧波基本沒有濾波作用，所以傳統(tǒng)的做法是設計一個特定諧波濾波器，也稱串聯(lián)諧振電路，濾除二次諧波。而本次設計沒有采用增加硬件電路來解決這個問題，而是采用軟件算法消除了二次諧波的影響，具體實現(xiàn)方法就是通過直流環(huán)節(jié)的電壓互感器檢測得到二次諧波電壓的幅值與相位，在二次諧波的負半軸，相應的增加脈沖的寬度，在二次諧波的正半軸減小脈沖的寬度，實現(xiàn)電壓×時間為既定值，調整脈沖觸發(fā)時間，達到想要得到的輸出電壓，如圖1所示。這種方法不但減少了硬件電路，而且還有效利用了二次諧波的能量，提高了牽引變流器的效率，減小了電機轉矩脈動，如圖2所示。

圖1 無差拍控制算法

2 牽引變壓器的兼容性設計

圖2 無差拍控制結果

對于動車組牽引變壓器，日本多采用殼式變壓器，體積較小，但各牽引繞組存在一定耦合，互感一般小于自感的15%。歐洲牽引變壓器多采用芯式、全分裂結構，各牽引繞組之間能夠完全解耦，即互感為零［1］，這樣更便于四象限變流器的控制，同時也能減小牽引繞組的電流波動。

在四象限變流器的控制設計中，開關頻率由原來的350 Hz提高到450Hz，這樣不僅降低了變壓器原邊電流畸變率，還可以減小二次諧波電流，而且還可以把牽引變壓器短路阻抗做的更小，有效的降低了變壓器成本［2］。圖3是通過試驗得到的變壓器輸出電流波形，從圖中可以看出四象限變流器輸入電流負荷分配均勻，偏差在5%以內。

圖3 四象限變流器輸入電流

每個牽引變壓器都有4個輸出繞組，為兩個牽引變流器供電，每節(jié)動車上的牽引變流器有兩個四象限變流器和一個逆變器組成，如果動車組共有16個四象限變流器，為了減小電流的諧波分量，整列車的所有四象限整流器按相互位移11．25°進行調制，這樣做的結果，相當于提高了牽引變壓器一次繞組中供電接觸網中的等效開關頻率［3］。在四象限變流器中采用SPWM技術，會產生大量的高頻諧波成分：

式中ωc為載波頻率；ω基波頻率。M 和N 均為整數(shù)，M＋N為一個奇整數(shù)［4］。通過載波相位差控制可以降低部分諧波，如上所述，根據(jù)整列車四象限整流器的個數(shù)，推算出可以消除8ωc倍的高次諧波，圖4為模擬計算結果。，數(shù)，進行了等效干擾電流的計算，在牽引正常的情況下，干擾電流值小于1．5 A，符合TB／T 2517標準的規(guī)定。

圖4 電流高頻模擬計算結果

3 牽引電機的兼容性設計

由于逆變器輸出最大電壓由歐系平臺的2 800 V降低到日系平臺的2 100 V，在保證牽引電機輸出功率不變的情況下，必須增加電機電流，電流增加會帶來電機磁飽和、溫升等一系列問題，所以要對原電機進行優(yōu)化設計，以適應日系牽引變流器的低電壓、大電流特性。

CRH3型車的牽引電機是三相4極異步感應電機，在主結構保持不變的情況下，通過減少繞組匝數(shù)，增加繞組導體截面積，增加冷卻風量，采用高磁感硅鋼材料等措施對原電機進行改進，同時還對電機的絕緣結構進行了優(yōu)化，來滿足大電流特性的要求。在V／F特性曲線不變的情況下，由于勵磁電流的增加，通過減少繞組匝數(shù)，即減少電機的磁化電感Lm，來保持氣隙磁密與原型電機相當，公式（4）、公式（5）說明了以上機理。

牽引電機定子匝數(shù)的減少更有利于電機的散熱，降低軸。緣結構，改善導熱性，增強了散熱效率。繞組導體截面積的增加使得新設計的電機與CRH3型電機定子電流密度保持相當，發(fā)熱因數(shù)稍低于CRH3型電機。

圖5和圖6是對上述設計方案進行的模擬計算結果。從圖5看電機的溫度場分布滿足牽引電機絕緣壽命的要求。圖6是電機在額定負載時的磁場分布圖，電機的磁通密度與CRH3電機相當。

圖5 牽引電機溫升模擬分析結果

圖6 牽引電機電磁場模擬分析結果

4 地面聯(lián)調試驗

在完成了牽引系統(tǒng)的兼容性設計和牽引設備的試制后，進行了牽引系統(tǒng)的地面聯(lián)調試驗。聯(lián)調試驗由25 k V／50 Hz電源、斷路器、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機、飛輪等設備組成，利用飛輪模擬傳動負載，進行了牽引變流器控制參數(shù)匹配、牽引特性、制動特性等試驗，試驗結果如圖7、圖8所示。

其中黑色曲線為試驗結果，灰色曲線為設計值，可以看出試驗值與設計值基本是吻合，在牽引工況下，低速區(qū)電機轉矩稍大于設計值，電機啟動轉矩大，滿足合同要求，只是在高速區(qū)末端，電機電流稍微變大，這是因為當電機超過額定頻率運行時，效率有所下降造成的，。工況，由于減少了齒輪傳動裝置的效率，所以在額定電壓、電流的情況下，使得電機轉矩比設計值稍大，完全滿足列車對電制動功率的要求。

圖7 牽引特性試驗結果

圖8 電制動特性試驗結果

5 結束語

試驗結果驗證了本牽引系統(tǒng)的兼容性設計是成功的，通過對采用歐洲技術的牽引變壓器和牽引電機的兼容性設計，成功的使它們與日系的低電壓、大電流的變流設備相匹配，優(yōu)化了電氣性能，降低了設備成本。同時這種低電壓、大電流的PWM變流器有效的降低了，減小了共模耦合電流，降低了共模干擾，也改善了電機絕緣性能。

［1］李 偉，張 黎．交流傳動電動車組變壓器牽引繞組互感對網測變流器的影響［J］．中國鐵道科學，2005，（10）：6－7．

［2］鄒 仁．四象限變流器瞬態(tài)電流控制的仿真研究［J］．機車電傳動，2003，（6）：24－26．

［3］丁榮軍，黃濟榮．現(xiàn)代變流技術與電氣傳動［M］．北京：科學出版社，2009．

［4］B K Bose．Power Electronics and AC Drives［M］．Prentice Hall，New Jersey，1986．