淺談動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路

孫麗偉 孫渤 王志 王滌非 李琳 衣云利

【摘? 要】對(duì)動(dòng)車組電氣牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)以及原理進(jìn)行研究分析。通過對(duì)其組成部分網(wǎng)側(cè)電路、牽引變壓器、牽引變流器進(jìn)行研究分析，進(jìn)而對(duì)其他動(dòng)車組主電路的分析設(shè)計(jì)大有裨益。

【關(guān)鍵詞】牽引傳動(dòng)系統(tǒng);主電路;牽引變流器

0 引言

中國(guó)動(dòng)車組是針對(duì)于中國(guó)高速鐵路運(yùn)行環(huán)境所設(shè)計(jì)，能夠滿足在復(fù)雜的線路環(huán)境中、遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的高速運(yùn)行的需求。同時(shí)首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)動(dòng)車組在牽引、制動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方面的全面自主化，是中國(guó)高鐵事業(yè)發(fā)展的一座里程碑。本文將對(duì)動(dòng)車組的電氣牽引系統(tǒng)主電路部分進(jìn)行研究分析，為后續(xù)其他動(dòng)車組主電路設(shè)計(jì)提供參考。

1 動(dòng)車組電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：負(fù)責(zé)從高壓接觸網(wǎng)取電供給整列車所有能源消耗的動(dòng)力源牽引供電裝置和產(chǎn)生動(dòng)車組列車牽引力以及制動(dòng)力的牽引動(dòng)力裝置即機(jī)車的主電路部分。本文主要針對(duì)于動(dòng)車組的主電路部分進(jìn)行研究分析。

（1）牽引工況：受電弓從接觸網(wǎng)處獲取25kV/50Hz單相交流電，然后經(jīng)由牽引變壓器降壓得到1900V/50Hz單相交流電作為牽引變流器的輸入。四象限脈沖整流器將輸入的1900V單相交流電整流成3600V的直流電，通過中間直流環(huán)節(jié)的支撐電容及二次諧振電路和過壓保護(hù)電路后作為牽引逆變器的輸入。牽引逆變器將3600V直流電逆變?yōu)殡妷悍?、頻率可調(diào)的三相380V交流電供給牽引電機(jī)。

（2）再生制動(dòng)工況：原牽引電機(jī)提供負(fù)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)原牽引逆變器用作為整流器，原整流器作為逆變器，將牽引電機(jī)側(cè)的交流電整流成為直流電，然后再將直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟姡詈笥勺儔浩魃龎夯仞佒两佑|網(wǎng)完成能量反饋。

2 高壓電器設(shè)備

（1）受電弓：受電弓安裝在TP03車、TP06車上，其中一個(gè)從接觸網(wǎng)上受流獲取25kV電源，另一個(gè)通常處在降弓折疊狀態(tài)。牽引工況時(shí)經(jīng)過變壓器向整個(gè)列車供電，列車制動(dòng)工況時(shí)，再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量會(huì)通過受電弓回到電網(wǎng)，起到一個(gè)雙向傳輸樞紐的作用。受電弓適用于各種型式的接觸網(wǎng)，并能保證在不同的速度和軌道上保持良好的接觸穩(wěn)定性，具有良好的適應(yīng)性和動(dòng)力學(xué)性能。

（2）主斷路器（VCB）及避雷器：主斷路器（VCB）安裝在TP03車、TP06車上，負(fù)責(zé)連接和關(guān)閉機(jī)車的主電源，并且在牽引變壓器二次側(cè)以后的電路發(fā)生故障時(shí)，能夠迅速、安全、可靠地阻斷過電流，起到保護(hù)電路的作用，兼有斷路器和開關(guān)的2種作用。避雷器設(shè)置在主斷路器與高壓電流互感器之間，作用是抑制過電壓、防雷擊。

3 牽引變壓器

牽引變壓器安裝在TP03車、TP06車上，其低壓側(cè)由4個(gè)繞組構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)2臺(tái)牽引變流器。變壓器是將線圈繞在鐵芯上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電氣設(shè)備，在其原邊線圈上通入交流電，根據(jù)電磁感應(yīng)定律就會(huì)在鐵芯上產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量，并通過鐵心上磁場(chǎng)傳遞至副邊線圈，相當(dāng)于在副邊線圈中施加了一個(gè)交變磁場(chǎng)，通過改變副邊線圈匝數(shù)的方式改變副邊輸出電壓。

在動(dòng)車組中，牽引變壓器2次側(cè)的2個(gè)牽引繞組分別在1次側(cè)繞組的勵(lì)磁作用下感應(yīng)出1900V（1次側(cè)為25kV時(shí)）的電壓，并輸入牽引變流器的整流器部分。

4 牽引變流器

牽引變壓器2次繞組中的2個(gè)繞組與M02/MB05車的牽引變流器連接，另2個(gè)繞組連接到MB04/M07車的牽引變流器。牽引變流器是由將牽引變壓器輸出的單相交流電變?yōu)橹绷麟姷恼鞑糠?、吸收運(yùn)行過程中電壓波動(dòng)從而獲得穩(wěn)定的直流電壓的中間直流環(huán)節(jié)部分以及將直流電變?yōu)槿嚯妷悍怠㈩l率可調(diào)的交流電部分組成。

4.1 四象限脈沖整流器

整流器主要負(fù)責(zé)將牽引變壓器副邊輸出的單相高壓交流電變成直流電輸入到中間直流環(huán)節(jié)，還具有提高機(jī)車功率因數(shù)、降低諧波干擾、優(yōu)化粘著利用和再生制動(dòng)的作用。牽引工況時(shí)，正常起到整流作用，其輸入側(cè)功率因數(shù)接近1;制動(dòng)工況時(shí)，整流器作逆變器使用，將直流環(huán)節(jié)的直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟娡ㄟ^牽引變壓器反饋電網(wǎng)，此時(shí)輸入側(cè)功率因數(shù)接近-1。根據(jù)此種工作特性，整流器的工作狀態(tài)位于電壓與電流平面所在的四個(gè)象限，并且對(duì)于整流器的控制采用PWM控制技術(shù)，因此又稱為四象限脈沖整流器。

4.2 中間直流環(huán)節(jié)

中間直流環(huán)節(jié)在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中起著很關(guān)鍵的作用，尤其是在電壓高、功率大的場(chǎng)合在中，它是決定整套系統(tǒng)品質(zhì)以及壽命的重要器件之一。主要由母線支撐電容、二次諧振濾波電路、過壓保護(hù)電路等構(gòu)成。主要功能如下：

（1）在網(wǎng)側(cè)整流器和電機(jī)側(cè)逆變器之間實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡;

（2）支撐電容還可以補(bǔ)償電感產(chǎn)生的無(wú)功功率，改善電機(jī)的輸出性能;

（3）二次諧振濾波電路可以盡量消除由于四象限脈沖整流器在直流側(cè)產(chǎn)生的二次諧波;

（4）過壓保護(hù)電路可以將中間直流環(huán)節(jié)電壓限制在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，防止由于母線電壓過高損壞系統(tǒng)中的設(shè)備，同時(shí)也可以為其后面的牽引逆變器提供一個(gè)質(zhì)量高、較為平穩(wěn)的直流電壓。

4.3 牽引逆變器

牽引逆變器主要負(fù)責(zé)在牽引工況下將直流環(huán)節(jié)輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳姍C(jī)所需的三相電壓幅值、頻率可調(diào)的交流電、制動(dòng)工況時(shí)，將牽引電機(jī)的三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姺答伒街虚g直流環(huán)節(jié)、同時(shí)盡量保證輸出的諧波電流小，直流電壓利用率高，自身的損耗較小。

牽引逆變器根據(jù)直流電源性質(zhì)可分為電流源與電壓源兩種類型逆變器，電流源逆變器大多用于同步電機(jī)，而電壓源逆變器用于像動(dòng)車組牽引電機(jī)所采用的異步電機(jī)。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可以主要分為兩電平和三電平型逆變器，動(dòng)車組采用的是兩電平型逆變器。其主電路如圖4.2所示，每時(shí)刻都有3個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，共有V1 V2 V3，V1 V2 V3 V4，V3 V4 V5，V4 V5 V6，V5 V6 V1，V6 V1V2，V1 V3 V5和V2 V4V6導(dǎo)通8種工作狀態(tài)，從而獲得三相對(duì)稱輸出電壓波形。

圖4.1 兩電平式逆變器主電路圖

5 結(jié)論

電氣牽引系統(tǒng)主電路作為整列動(dòng)車組最為核心的系統(tǒng)，影響著整列動(dòng)車組列車運(yùn)行安全。通過對(duì)主電路各構(gòu)成部件的職能以及原理進(jìn)行深入的研究分析，能夠?yàn)閯?dòng)車組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生故障的排查和分析提供理論支持。在后續(xù)其他車型的主電路設(shè)計(jì)過程中，盡可能從設(shè)計(jì)的角度減少類似故障的產(chǎn)生。

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（作者單位：1中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）