交流電力機車電傳動系統(tǒng)匹配分析

李 輝，顏 罡，張振華，李先嶺

(南車株洲電力機車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001)

0 引言

我國大力發(fā)展以交流傳動為顯著特點的軌道交通裝備。交流傳動電力機車以“和諧號”為代表，主要用于貨運/客運運輸，具有單軸功率大，控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)先，運行可靠等諸多優(yōu)點。在國家各大鐵路局甚至是國有地方鐵路都先后得到應(yīng)用，在各地承擔(dān)著重要的運輸任務(wù)。因此，對電力機車牽引系統(tǒng)牽引控制方法以及電氣匹配的分析和研究具有重要意義。

1 牽引變壓器與主變流器的匹配

1．1 牽引變壓器

牽引變壓器將網(wǎng)側(cè)接觸網(wǎng)高壓電經(jīng)過隔離變壓后輸出到牽引繞組，為主變流器提供電能。在設(shè)計時，在安裝尺寸、體積滿足總體要求的前提下，主要應(yīng)考慮以下幾個方面。

1.1.1 額定容量選擇

按照常規(guī)計算方法，主變壓器額定容量應(yīng)包括輪軸牽引功率的折算值、輔助系統(tǒng)的折算值、列車供電系統(tǒng)折算值以及變壓器損耗等方面，但實際容量往往低于以上計算值。

1)限于機車安裝空間和自重，較大的容量往往帶來較大的體積和重量，設(shè)計難度大且很不經(jīng)濟。

2)機車額定容量的確定主要是基于繞組溫升的考慮，因機車運行一般不會長期工作在額定功率工況下，繞組溫升一般不會太高，所以，在設(shè)計時可以考慮在計算值的基礎(chǔ)上有所降低，但是，必須根據(jù)機車配屬機務(wù)段的不同運行區(qū)間進行溫升校核。

3)機車輔助供電系統(tǒng)和列車供電系統(tǒng)在折算容量時，可按照實際輸出的有功功率考慮，且可根據(jù)不同負載的工作頻繁度進行相應(yīng)調(diào)整。

4)主變壓器的過載能力與繞組溫度有關(guān)，環(huán)境溫度較低時的過載能力往往大于溫度較高的區(qū)域，所以在年平均氣溫較大的區(qū)段，主變壓器容量確定可稍有降低。

5)主變壓器的損耗在參數(shù)設(shè)計時一般不去考慮，在主變壓器的自身技術(shù)設(shè)計階段時會考慮預(yù)留該部分余量。

6)在某種難以調(diào)和的狀態(tài)下，變壓器可通過選用更加優(yōu)質(zhì)的材料進行設(shè)計，但往往成本會較大程度上浮。

1.1.2 變比確定

主變壓器的變比確定主要涉及與主變流器的參數(shù)匹配。對變流器而言，牽引繞組輸出電壓越高，額定功率下的輸入電流就會越低，較低的電流可以降低四象限整流器的負擔(dān)。但并非越大越好，該值受到變流器中間回路恒定電壓的限制。

1.1.3 短路阻抗

短路阻抗(主要指漏電感)是交流傳動電力機車主變壓器設(shè)計中的一個重要參數(shù)。該阻抗的作用包括:平波和升壓電感。

1．2 主變流器

整車電氣方案的設(shè)計時，它與主變壓器的匹配主要涉及主變流器的四象限整流部分、中間直流環(huán)節(jié)等兩個主要環(huán)節(jié)，其三相逆變部分主要與牽引電機匹配相關(guān)。

1．2．1 四象限整流部分

國內(nèi)“和諧號”電力機車主要包括三個系列，即:株洲電力機車有限公司生產(chǎn)的HXD1系列;大同電力機車有限公司生產(chǎn)的HXD2系列;大連機車車輛有限公司生產(chǎn)的HXD3系列。整流環(huán)節(jié)均采用了電壓型單相橋式四象限整流結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓和電流的四象限運行，做到能量的雙向傳輸。即:整流系統(tǒng)工作在牽引工況時，電壓、電流運行在1、3象限;整流系統(tǒng)工作在再生制動工況時，電壓、電流運行在2、4象限;電流相位與牽引時相比相差180度。該結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定輸出電壓的同時，保證輸入端網(wǎng)測電壓和電流功率因數(shù)接近于1(再生制動時為－1)。

在整車電氣方案的設(shè)計階段，主變壓器與主變流器的配合主要也是在于與四象限整流的配合。主要包括:變壓器變比與變壓器短路阻抗。

1)變壓器變比:為保證變流器在恒功率輸出區(qū)間的穩(wěn)定運行，變壓器牽引繞組輸出電壓需在一定的范圍內(nèi):牽引繞組電壓最小值需符合恒功區(qū)變流器的最大輸入電流;在維持中間直流恒定且可控的前提下，牽引繞組電壓盡可能的大。所以，在調(diào)制深度可以達到1的前提下，牽引繞組電壓的輸出范圍必須滿足以下的必要公式:

2)變壓器短路阻抗:經(jīng)前文分析，變壓器短路阻抗的數(shù)值需要與主變流器的設(shè)計相配合。該數(shù)值的確定可通過計算得出，但目前一般通過仿真軟件直接仿真進行匹配。從整車匹配設(shè)計角度出發(fā)，在保證網(wǎng)測等效干擾電流在要求范圍之內(nèi)的前提下，變壓器短路阻抗不應(yīng)過大。否則，將會造成主變壓器損耗、溫升的上升，同時體積和成本也隨之提高，進而顯得極不經(jīng)濟。此外，交流傳動電力機車一般采用多重四象限控制，從而進一步降低網(wǎng)測諧波。該技術(shù)可以在一定程度上降低對主變壓器短路阻抗的要求。

1．2．2 中間直流環(huán)節(jié)

作為主變流柜內(nèi)部的變流過度環(huán)節(jié)，中間直流環(huán)節(jié)與主變壓器的匹配主要是指對諧振電抗器的選取。因為四象限整流器的應(yīng)用，在中間直流環(huán)節(jié)引入了100 Hz的電流諧波分量，為濾除該電流分量，保證逆變部分穩(wěn)定工作，需設(shè)置LC諧振電路，需滿足:

此外，中間回路二次諧波電流的峰值近似滿足以下公式:

設(shè)計時，為保證二次諧振回路中電感(和電容)電壓較小，二次濾波電感一般應(yīng)設(shè)計得盡可能小。

2 主變流器和牽引電機的匹配

主變流器和牽引電機的匹配直接影響交流傳動系統(tǒng)的優(yōu)越性是否得到最大限度的發(fā)揮。在整車設(shè)計時，不僅要考慮啟動轉(zhuǎn)矩、最大功率，還要保證變流器和電機的重量、外形尺寸的總體限制條件。牽引電機的牽引特性曲線包括三大部分:恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性曲線。一般，電機在啟動時采用恒壓頻比啟動，使得牽引電機內(nèi)部定子勵磁磁通恒定，輪軸輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。隨著機車速度的上升，變流器輸出電壓達到額定值，此時進入恒功率調(diào)速區(qū)。根據(jù)牽引電機內(nèi)部參數(shù)關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)矩近似滿足以下公式:

所以，主變流器和牽引電機存在兩種典型匹配方案:

1)大電機小逆變器方案:保持Us為一恒定值，轉(zhuǎn)差頻率fsl和電源頻率fs，按比例調(diào)節(jié)，即s=fsl/fs=恒值。

2)大逆變器小電機方案:保持轉(zhuǎn)差頻率fsl恒定為恒定值。

綜合以上兩種方案，前者應(yīng)用較廣，目前的主流電力機車均采用該控制方式;后者因其需要較大的變流器容量、車內(nèi)空間、較高的中間電壓等級等，應(yīng)用較不普遍。

3 牽引電機的控制方式匹配

目前，典型的牽引電機控制方式包括軸控和架控兩種:①軸控方式是應(yīng)用較為廣泛的形式。②架控方式也是一種普遍的控制方式。所以，在整車電氣方案設(shè)計時需要綜合考慮機車總體設(shè)計要求、線路狀況、運行區(qū)間等因素，并結(jié)合成本控制的相關(guān)要求作出合理的選擇。

4 輔助系統(tǒng)匹配

電力機車輔助系統(tǒng)是主傳動系統(tǒng)正常工作的可靠保障，在方案設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點:①輔助系統(tǒng)的輸入電源可以來自牽引變壓器次邊，也可以來自變流器中間直流回路，而且各有優(yōu)缺點。然而，在輔助負載容量要求不大、技術(shù)允許的情況下，一般建議采用主輔集成的方式，將輔助變流系統(tǒng)至于主變流柜內(nèi)部，從中間直流回路取電。②輔助模塊的開關(guān)器件(通常為IGBT)的開關(guān)頻率(750 Hz以上)一般大于主變流器的逆變模塊，所以控制精度更高。但是與牽引回路逆變器輸出三相方波電壓不同，輔助系統(tǒng)的輸出電壓需要經(jīng)過LC濾波以達到輸出正弦的目的。LC濾波參數(shù)可以通過計算得到，也可以通過simulink等仿真軟件仿真進行匹配，但是，在追求輸出電壓低諧波含量的同時，必須注意對濾波電感和電容的外形尺寸限制。

5 結(jié)語

綜上所述，設(shè)計人員可以考慮從主變壓器與主變流器匹配、主變流器與牽引電機的匹配、電機控制方式的匹配、輔助系統(tǒng)匹配等四個方面著手，并結(jié)合機車運行環(huán)境和業(yè)主的不同要求進行交流傳動電力機車電氣傳動系統(tǒng)方案設(shè)計。