時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉斯嘉

中國中車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧 大連 116023

1 前言

在軌道交通運(yùn)輸中，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來滿足車輛牽引的電氣傳動(dòng)部分，稱為牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱牽引系統(tǒng)。它以牽引電機(jī)為控制對(duì)象，對(duì)電機(jī)的牽引力和速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足車輛牽引和制動(dòng)特性的要求。時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的牽引系統(tǒng)是在借鑒HXD3G型電力機(jī)車成熟的設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國鐵路的實(shí)際情況由中國中車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)而成。

動(dòng)力車采用單軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方式(軸控方式)，交直交變流技術(shù)，牽引變流器采用MVB網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)與外部的數(shù)據(jù)通信。

2 牽引系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

牽引系統(tǒng)由牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機(jī)等部分組成。

牽引變壓器主要設(shè)計(jì)特點(diǎn):

(1)采用下懸式安裝，強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷方式，內(nèi)裝一臺(tái)牽引變壓器，四臺(tái)串聯(lián)電抗器，總重7.6t。

(2)變壓器采用心式臥放結(jié)構(gòu)，A級(jí)絕緣，普通礦物油；變壓器及油循環(huán)系統(tǒng)均采用真空注油，儲(chǔ)油柜封入高純度氮?dú)?，是與空氣完全隔離的全封閉結(jié)構(gòu)，冷卻裝置分開布置。

(3)高阻抗繞組結(jié)構(gòu)，使變壓器內(nèi)部空間磁場(chǎng)很強(qiáng)，大量采用無磁結(jié)構(gòu)件。

(4)油箱采用磁屏蔽的方式，避免漏磁干擾外部信號(hào)。

(5)線圈導(dǎo)線采用Nomex紙絕緣，具有耐熱等級(jí)高，機(jī)械強(qiáng)度大的特點(diǎn)。

(6)全鋁板翅式冷卻器，兩路油循環(huán)系統(tǒng)。

牽引變流器主要設(shè)計(jì)特點(diǎn):

動(dòng)力車由兩個(gè)結(jié)構(gòu)和原理相同的牽引變流器構(gòu)成。每個(gè)牽引變流器是由2個(gè)牽引供電單元、1個(gè)輔助供電單元、1個(gè)列車供電單元以及共用的水冷卻系統(tǒng)和相應(yīng)的控制單元等組成，牽引供電單元、輔助供電單元和列車供電單元分別由主變壓器牽引繞組、輔助繞組和列車供電繞組供電，保證各個(gè)系統(tǒng)在電氣線路上完全獨(dú)立和相互隔離。

牽引變流器采用強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻方式，牽引供電單元、輔助供電單元和列車供電單元共用水冷卻系統(tǒng)，冷卻水泵、冷卻管路和檢測(cè)部件位于牽引變流器中，散熱器和冷卻風(fēng)機(jī)位于動(dòng)力車上復(fù)合冷卻塔中，共同組成的冷卻系統(tǒng)能夠確保變流器功率模塊的冷卻要求。

牽引電機(jī)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn):

動(dòng)力車用牽引電機(jī)采用單端聯(lián)軸器輸出，參考HXD3D和HXD2F型機(jī)車牽引電機(jī)開展設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn):

(1)整機(jī)采用架懸安裝，非傳動(dòng)端單軸承支撐，通過薄板聯(lián)軸節(jié)與主動(dòng)齒輪連接組成驅(qū)動(dòng)裝置；

(2)電機(jī)安裝有速度傳感器和定子溫度傳感器并預(yù)留6A接口；

(3)電機(jī)采用單軸承結(jié)構(gòu)，軸承選用內(nèi)圈寬系列的NUB型絕緣圓柱滾子軸承NUB220；

(4)轉(zhuǎn)子采用聯(lián)軸節(jié)輸出形式，線速度高，采用高強(qiáng)度銅合金鼠籠加護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)；

(5)牽引電機(jī)采用輕量化設(shè)計(jì)，適用大功率、高速運(yùn)用條件。

3 牽引變流器設(shè)計(jì)

動(dòng)力車牽引變流器采用牽引、輔助以及列供分離設(shè)計(jì)方案，輔助單元及列供單元安裝在牽引變流器內(nèi)部，但其主電路均完全獨(dú)立。每列動(dòng)力車配置2臺(tái)牽引變流器，每臺(tái)牽引變流器中有兩組完全獨(dú)立的供電單元，每組供電單元是由一個(gè)四象限整流器、一個(gè)中間電路和一個(gè)三相PWM逆變器組成，并驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相異步牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整臺(tái)車的完全軸控驅(qū)動(dòng)方式每臺(tái)牽引電機(jī)額定功率1400kW，短時(shí)功率1600kW。

變壓器牽引繞組輸入單相交流電首先經(jīng)由充電接觸器、充電電阻組成的充電回路對(duì)直流回路的支撐電容充電，充電完成后閉合短接接觸器，主回路進(jìn)入工作狀態(tài)。

牽引工況時(shí)單相工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)四象限PWM整流器整流為3500V直流電壓，再經(jīng)逆變器逆變?yōu)槿郪VVF電壓為牽引電機(jī)供電。再生制動(dòng)工況時(shí)牽引電機(jī)發(fā)出的三相電壓經(jīng)整流、逆變后通過牽引變壓器、受電弓反饋回電網(wǎng)。

過壓斬波電阻用于直流回路的過電壓抑制及停機(jī)后的快速放電，固定放電電阻用于快速放電回路故障后將支撐電容電壓放至安全電壓以下，另外直流分壓電阻采用中點(diǎn)接地，用于變流器主電路接地檢測(cè)；電流傳感器用于檢測(cè)變流器輸入、輸出電流及斬波電流，電壓傳感器用于檢測(cè)變流器直流回路全電壓和半電壓。

4 牽引變流器控制與保護(hù)

牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元有強(qiáng)制工作的能力。當(dāng)因?yàn)橥獠枯斎胄盘?hào)異常時(shí)，牽引變流器可以根據(jù)TCMS輸出的強(qiáng)制工作信號(hào)投入相應(yīng)工作。牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，具有自診斷和故障記錄功能，并能在司機(jī)室顯示屏上顯示牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，便于故障分析和維修。變流器采用雙牽引控制單元方案，能夠?qū)崿F(xiàn)四象限控制、逆變器控制、中間電路過壓抑制、防空轉(zhuǎn)電氣控制、庫內(nèi)動(dòng)車控制、故障記錄診斷與保護(hù)、對(duì)外通及在線監(jiān)測(cè)和調(diào)試功能、低速連掛控制功能、軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償控制、輪徑修訂控制、軸報(bào)自動(dòng)切除控制等。

牽引供電單元設(shè)有過流和過載保護(hù)、接地保護(hù)、瞬時(shí)過電壓抑制、IGBT元件過流及短路保護(hù)、輸入電壓過壓及欠壓保護(hù)、控制電源保護(hù)、檢修時(shí)的安全連鎖保護(hù)、水冷卻系統(tǒng)的保護(hù)等保護(hù)功能，同時(shí)在司機(jī)室微機(jī)顯示屏上顯示故障內(nèi)容及有關(guān)故障處理提示。輔助供電單元設(shè)有過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過載保護(hù)、接地保護(hù)、三相電壓不平衡保護(hù)或缺相、短路保護(hù)、冷卻系統(tǒng)保護(hù)等保護(hù)功能。列車供電單元設(shè)有輸入過流過壓保護(hù)、輸入欠電壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出過載保護(hù)等保護(hù)功能，具有短時(shí)過載能力，能在空載、輕載及額定負(fù)載下正常工作，具有自檢功能，具有電子控制故障檢測(cè)和輸出隔離功能。

5 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)完全獨(dú)立軸控，獨(dú)立繞組供電，四象限整流、中間直流回路、PWM逆變電路及控制單元分別獨(dú)立。

(2)牽引變流器采用MVB和以太網(wǎng)通信，雙網(wǎng)冗余，提高通信穩(wěn)定性。

(3)牽引、輔助以及列供部分中間直流回路采用高阻中點(diǎn)接地方式，一點(diǎn)接地時(shí)，系統(tǒng)維持運(yùn)行。

(4)牽引變流器中間直流回路采用無二次濾波回路方案，通過逆變器軟件控制抑制網(wǎng)側(cè)二倍于電網(wǎng)頻率的的交流分量，抑制電機(jī)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

(5)變流系統(tǒng)滿足在一定速度下，動(dòng)力車通過分相區(qū)時(shí)輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)不間斷供電。

(6)列車供電單元均采用IGBT作為開關(guān)元件，四象限整流技術(shù)。

(7)牽引變流器納入動(dòng)力車高壓連鎖系統(tǒng)，每個(gè)牽引變流器的牽引供電單元高壓部分用一個(gè)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，輔助供電單元高壓部分和列車供電單元高壓部分共用一個(gè)連鎖機(jī)構(gòu)。

6 結(jié)束語

時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了機(jī)車設(shè)計(jì)和運(yùn)用要求，其采用的獨(dú)立繞組供電輔助系統(tǒng)過分相不停電技術(shù)、四象限整流列車供電等技術(shù)為以后機(jī)車及動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的設(shè)計(jì)提供了借鑒。