動車組多制式牽引傳動系統(tǒng)設(shè)計探討*

張 瑜，哈大雷，姜 雪，白 龍

（1 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

目前我國軌道交通領(lǐng)域采用的是25 kV/50 Hz交流供電系統(tǒng)和1 500 V 或750 V 直流供電系統(tǒng)，其中交流供電系統(tǒng)用于機(jī)車和動車領(lǐng)域，直流供電系統(tǒng)用于城市軌道交通領(lǐng)域，這2 種供電系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。在國外，由于歷史發(fā)展原因，在很多國家以及地區(qū)并存著多種牽引供電制式。日本采用直流1 500 V、交流20 kV/50 Hz 和交流20 kV/60 Hz 等3 種牽引供電制式；美國采用12 kV/50 Hz、12 kV/60 Hz 以及2.5 kV/60 Hz 等3 種交流供電制式；南非采用25 kV/50 Hz 交流供電制式與3 kV 直流供電制式；歐洲地區(qū)同時擁有交流15 kV/16.7 Hz和25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和3 kV 等4 種 供 電制式［1-2］。

國家提出的一帶一路和高鐵走出去等發(fā)展戰(zhàn)略說明，研究適用于不同供電制式的動車組是具有重要意義的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 幾種有代表性的電力機(jī)車

（1）西門子BR189 型多流制電力機(jī)車

車上配置4 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。該機(jī)車采用了Eurosprinter 多制式牽引變流器，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍(lán)色箭頭所示為直流制式電路路徑。

（2）阿爾斯通PRIMA 3U15 型電力機(jī)車

車上配置3 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。該機(jī)車采用了ONIX 牽引系統(tǒng)，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍(lán)色箭頭所示為直流制式電路路徑。

（3）龐巴迪TRAXX MS E186 電力機(jī)車

車上配置4 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和 直流3 kV 等。 該機(jī)車采用TRAXX MITRAC TC 3000 系列牽引變流器，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍(lán)色箭頭所示為直流制式電路路徑。

1.2 多制式電力機(jī)車主電路的對比分析

1.2.1 多制式電力機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)

（1）主斷路器的設(shè)置。在多制式供電系統(tǒng)中需設(shè)置相對應(yīng)的主斷路器，應(yīng)用于供電回路中。交流供電系統(tǒng)主斷采用的是真空斷路器，直流供電回路則采用高速斷路器。同時處于安全接地方面的考慮，無論何種供電制式的主斷，均需要設(shè)置相對應(yīng)的接地開關(guān)。

圖1 BR189 機(jī)車主電路拓?fù)?/p>

圖2 PRIMA 3U15 機(jī)車主電路拓?fù)?/p>

圖3 TRAXX MS E186 機(jī)車主電路拓?fù)?/p>

（2）弓網(wǎng)的匹配性。不同的供電制式應(yīng)采用不同的受電弓，多制式機(jī)車采用與一般的電力機(jī)車大致相同的選擇原則，但具體應(yīng)針對網(wǎng)壓、弓網(wǎng)特性和限值要求來全面考慮。

（3）制動方式。在直流供電制式下，設(shè)置制動電阻來實(shí)現(xiàn)列車的電制動，將由于電機(jī)制動而產(chǎn)生的能量不用回饋到電網(wǎng)上，直接在制動電阻上進(jìn)行消耗?；蛘呷绻孛嬖O(shè)有吸收裝置或鄰線車輛牽引時也可以吸收電制能量。這樣做可以避免迅速升高網(wǎng)壓，繼而影響列車的正常運(yùn)行。

（4）避雷裝置。多制式機(jī)車處于交流供電制式下，采用雙避雷器的形式。一方面保護(hù)網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的過電壓，另一方面可以保護(hù)牽引變壓器側(cè)產(chǎn)生的過電壓。在直流供電制式下，不存在牽引變壓器，因此僅需設(shè)置直流避雷裝置，用于保護(hù)直流網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的過電壓。

1.2.2 多制式機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)的差異

（1）是否將牽引變壓器副邊繞組作為直流供電制式下的平波電抗器。這樣做一方面可以降低整車的質(zhì)量，而且可以節(jié)省空間和降低成本。但同時需要大量的工作來優(yōu)化作為平波電抗器使用的變壓器繞組的參數(shù)和性能，一定程度上提高了主電路電氣元件選擇的難度。

（2）是否在直流供電制式下的主電路中采用四象限斬波電路。四象限斬波電路的存在可以穩(wěn)定中間側(cè)直流電壓，但在列車實(shí)際運(yùn)行過程中，要求所有的四象限控制模塊全部處于工作狀態(tài)，因此會增大故障產(chǎn)生的概率，冗余性方面也較差；如果不采用四象限斬波電路，主電路結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，且降低了整個牽引變流器的成本以及設(shè)計難度，但也會提高牽引電機(jī)的設(shè)計要求，提高電機(jī)所要承受的電壓范圍。

文中在分析了多制式電力機(jī)車優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了動車組用多制式牽引變流器的主電路結(jié)構(gòu)和供電制式切換控制策略等，并針對具體的切換問題提出相應(yīng)的優(yōu)化方法。

2 多制式切換控制電路結(jié)構(gòu)及其控制方法

2.1 多制式牽引變流器主電路結(jié)構(gòu)

AC 25 kV/DC 3 kV 多制式牽引系統(tǒng)電路采用兩點(diǎn)式電壓型交-直-交電路，原理圖如圖4 所示。電路工作原理如下：AC 25 kV 供電模式下，QS1、QS3 和QS6 閉合，QS2、QS4 和QS5 斷開，DC 3 kV 供 電 模 式 下，QS1、QS3 和QS6 斷 開，QS2、QS4 和QS5 閉合，QS1/QS2、QS3/QS4、QS5/QS6 分別為一對觸頭，一常閉一常開，觸頭機(jī)械互鎖。AC 25 kV 或DC 3 kV 通過各自的主斷路器VCB 后進(jìn)入牽引變壓器，變壓器的副邊牽引繞組為兩重四象限提供電源，經(jīng)過充電短接后，兩重四象限工作把中間直流電壓穩(wěn)定在DC 3 600 V/DC 3 000 V給逆變模塊供電，兩重主逆變器輸出電壓及頻率可調(diào)的VVVF 電壓驅(qū)動牽引電機(jī)工作。同時，中間直流回路也需要給車載輔助變流器供電，產(chǎn)生380 V 交流電供給動車組上的中壓負(fù)載［3］。

圖4 多制式牽引變流器主電路結(jié)構(gòu)

2.2 多制式切換控制方法

2.2.1 多制式切換控制方法的比較

傳統(tǒng)的供電制式切換方法及工作原理如圖5所示：

與列車過分相類似，不同制式之間的區(qū)域設(shè)置無電區(qū)，用于進(jìn)行制式切換，設(shè)置磁鐵進(jìn)行位置標(biāo)定。列車上裝有2 個制式切換傳感器A 和B，用于感應(yīng)軌道上設(shè)置的磁鐵。

（1）準(zhǔn)備進(jìn)入無電區(qū)前，傳感器A 感應(yīng)磁鐵1，產(chǎn)生電信號導(dǎo)通相應(yīng)繼電器，并作為反饋信號回送給控制器，繼而通過軟件撤銷交流主斷路器使能信號，斷開交流主斷，此時直流受電弓和直流主斷均不動作。

（2）進(jìn)入無電區(qū)后，傳感器A 感應(yīng)磁鐵3，導(dǎo)通繼電器，使車載控制器發(fā)出降弓指令，降下交流受電弓。傳感器B 感應(yīng)磁鐵2，直流制式對應(yīng)的控制器2 發(fā)出升弓指令，升起直流受電弓，此時直流主斷不動作。

（3）通過無電區(qū)后，傳感器B 感應(yīng)磁鐵4，繼而控制器2 發(fā)出使能直流主斷閉合信號，最終閉合直流供電制式的主斷路器。

動車組在無電區(qū)時是惰性運(yùn)行，無電區(qū)的設(shè)置距離應(yīng)越短越好，但也應(yīng)保證列車降弓、升弓的時間。傳統(tǒng)供電制式切換中，不同供電制式對應(yīng)不同的用于制式切換的控制設(shè)備，但切換前后均只有一組控制設(shè)備處于工作狀態(tài)，設(shè)備利用率較低，控制電路冗雜且增加了動車組的質(zhì)量。

為了解決這個問題，文獻(xiàn)［4］提出了1 種新型制式切換方法，該方法可以使動車組上只有1 套傳感器和控制器，具體切換過程如圖6 所示。

圖5 傳統(tǒng)切換方法

圖6 新型切換方法

（1）與傳統(tǒng)方法相似，準(zhǔn)備進(jìn)入無電區(qū)前，斷開交流主斷，直流受電弓和直流主斷均不動作。

（2）進(jìn)入到無電區(qū)后，傳感器感應(yīng)磁鐵2，導(dǎo)通繼電器，使車載控制器發(fā)出降弓指令，降下交流受電弓。同時，該控制器發(fā)出直流受電弓升弓指令，升直流受電弓但直流主斷不動作。

（3）通過無電區(qū)后，傳感器感應(yīng)磁鐵3，控制器發(fā)出使能直流主斷閉合信號，最終閉合直流供電制式的主斷路器。

由上述切換過程可知，該方法使得只需設(shè)置1套控制器就可實(shí)現(xiàn)2 種供電制式的切換，也優(yōu)化了牽引變流器本身的結(jié)構(gòu)和控制軟件，因此該種方法更適用于圖4 所示的主電路結(jié)構(gòu)中。

2.2.2 供電制式切換時牽引變流器控制流程

供電制式切換過程中牽引變流器側(cè)的控制流程如圖7 所示。將新型供電制式切換方法應(yīng)用于多制式牽引變流器，應(yīng)在列車TCU（牽引控制器）程序中編寫切換邏輯，按照切換控制流程設(shè)定接觸器指令時序，通過TCU 中板卡硬線信號來控制相應(yīng)接觸器的導(dǎo)通和關(guān)斷，包括封鎖逆變器和整流器信號、控制短接接觸器、多極開關(guān)以及主斷路器等，即可實(shí)現(xiàn)供電制式的安全切換。

圖7 供電制式切換變流器控制流程

2.3 供電制式切換相關(guān)問題

（1）牽引變壓器副邊繞組

由圖4 所示，當(dāng)供電制式由交流切換成直流后，牽引變壓器副邊繞組作為直流供電的平波電抗器使用。適當(dāng)修改主電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)連接變壓器1 組或者2 組副邊繞組，這樣可實(shí)現(xiàn)不同的電感值。文獻(xiàn)［5-6］通過ANSYS 仿真軟件完成了不同數(shù)量繞組的電感值的計算及其磁場分析，確定了該方法的可行性，即在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的直流供電需求進(jìn)行主電路優(yōu)化。

（2）對電氣元件的影響

牽引變流器中包含了很多感性、容性以及開關(guān)器件，而供電制式切換過程勢必伴隨著電壓和電流的突變，因此對其過渡過程的分析是十分必要的，多制式切換動態(tài)響應(yīng)對變流器器件的選型也具有一定的指導(dǎo)意義。

3 多制式傳動系統(tǒng)切換過程暫態(tài)分析

3.1 交流供電切換到直流供電

動車組從交流供電網(wǎng)進(jìn)到無電區(qū)后，首先會斷開車上的牽引負(fù)載，使得該牽引單元的變壓器處于空載狀態(tài)。通過TCU 軟件控制斷主斷后，變壓器被切除。但由于供電回路中的感性負(fù)載的存在，供電電流的突然斷開勢必會產(chǎn)生短時的過電壓。過高的過電壓、很大程度上對高壓器件的絕緣產(chǎn)生影響。并且原邊繞組上的過電壓會反作用于接觸網(wǎng)，使其工作于異常狀態(tài)［7-8］。

3.2 直流供電切換到交流供電

由于牽引變壓器副邊繞組在直流供電制式下作為平波電抗器使用，當(dāng)直流制式切換回交流制式并合上交流主斷時，鐵芯磁通不會突然減小，因此空載變壓器會有大量剩磁存在，感性元件工作于磁化曲線非線性區(qū)域，勢必會產(chǎn)生一定的沖擊電流，該電流被稱為勵磁涌流［9-10］。

涌流電流的大小與電壓的初始相位角和變壓器剩磁大小均有關(guān)，當(dāng)初始相位角為0°時，電流最大，相位角為90°時，電流最小。

涌流電流中含有大量的高次諧波，會導(dǎo)致電流最大值超過額定電流值的10 倍，且供電制式切換過程中產(chǎn)生的暫態(tài)諧波分量會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，嚴(yán)重影響牽引供電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)。

基于此分析，有必要對暫態(tài)過程產(chǎn)生的諧波分量進(jìn)行抑制，以滿足供電系統(tǒng)以及電氣部件電磁兼容性的要求。文獻(xiàn)［11］提出在交流過渡區(qū)設(shè)置感應(yīng)濾波隔離變壓器，用來限制多制式列車在交流接觸網(wǎng)合閘時的諧波電流并且有效地隔離電流中的直流分量，感應(yīng)濾波隔離變壓器設(shè)置如圖8 所示（TS 即為感應(yīng)濾波隔離變壓器）

圖8 無電區(qū)隔離變壓器單元電路圖

圖9 四象限變流器等效電路圖

該項(xiàng)技術(shù)將網(wǎng)側(cè)電源與諧波源隔離開，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好運(yùn)行，提升了逆變器關(guān)斷角裕度，降低逆變器換相失敗概率等。但該種方法需要設(shè)置新的變壓器，增加了質(zhì)量，降低了動車組的空間利用率。

由勵磁涌流原理可知，改變變壓器合閘角也具有一定抑制效果，但需要提前確定剩磁的大小，應(yīng)用起來具有不小的難度。

結(jié)合了變壓器勵磁震蕩原理［12］，針對動車組應(yīng)用的實(shí)際需求，提出了新型變壓器涌流電流抑制方法。即適當(dāng)控制變流器中的四象限整流，即選取合適的控制器參數(shù)，其直流側(cè)可以等效為一個電容，而在無電區(qū)時，交流側(cè)可以等效為一個電感和電阻，如圖9 所示。

對于如圖9 所示的二階系統(tǒng)來說，由于電阻的存在，切換過程產(chǎn)生的電流的幅值會不斷衰減，達(dá)到了去磁的目的。隨著電流的變化，變壓器的剩磁能量也會衰減，去除剩磁后就可達(dá)到抑制涌流的目的。

該方法在實(shí)際多制式動車組上得到了應(yīng)用，取得了較好的涌流電流抑制效果。

4 多制式傳動系統(tǒng)切換保護(hù)點(diǎn)設(shè)置及相應(yīng)的保護(hù)策略

一種新技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用，最重要的是要考慮安全性方面的要求，因此多制式切換控制要在列車上應(yīng)用的話，在原有列車牽引系統(tǒng)保護(hù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)針對有可能的新故障點(diǎn)設(shè)置檢測與保護(hù)，使得此項(xiàng)技術(shù)得到絕對安全的應(yīng)用。

4.1 過電壓保護(hù)

第3 節(jié)的切換過程暫態(tài)分析中指出，多制式列車在由交流制式切換到直流制式過程中，會產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。實(shí)際車組上，該電壓持續(xù)時間不長且能量也不大，但是電壓幅值卻很高，所以實(shí)際應(yīng)用中采用非線性電阻或氧化鋅避雷設(shè)備來限制過電壓。

除了上述措施外，基于對變流器側(cè)電氣元件的保護(hù)目的，變流器控制軟件也應(yīng)對過電壓設(shè)置保護(hù)。TCU（牽引控制器）實(shí)時采集中間直流側(cè)電壓，軟件中采用du/dt控制方法，即設(shè)置直流電壓變化率監(jiān)控，來判斷出短時過電壓的產(chǎn)生。同時也對直流電壓的幅值設(shè)置限制，如電壓變化率或者電壓幅值超過限制，變流器會立即報出故障并進(jìn)行相應(yīng)電氣元件的保護(hù)。算法流程如圖10 所示。

圖10 過電壓保護(hù)策略

4.2 直流切換交流的涌流電流保護(hù)

第3 節(jié)分析中指出，多制式列車在由直流制式切換到交流制式過程中，會產(chǎn)生浪涌電流，增大電流諧波。除了上文中提到的抑制勵磁涌流的方法外，實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)對交流側(cè)的電流設(shè)置保護(hù)點(diǎn)，使浪涌電流的幅值不能超過限制，確保電氣元件的安全。

同樣地，TCU 中的采樣板卡也實(shí)時采集直流回路電流值，列車高壓單元會發(fā)給TCU 實(shí)時網(wǎng)流值。控制器軟件根據(jù)采集到的電流值進(jìn)行限值判斷，如超出限值，則立即報出故障并進(jìn)行電氣元件保護(hù)動作，具體流程如圖11 所示。

圖11 涌流電流保護(hù)策略

4.3 交流切換直流的元件保護(hù)

供電制式由交流供電切換到直流供電后，四象限整流器處于不工作狀態(tài)，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)將其完全隔離開，規(guī)避其與直流制式供電下牽引變流器的相互影響。因此，應(yīng)對切換四象限整流電路的隔離開關(guān)QS 進(jìn)行保護(hù)設(shè)置，確保列車牽引系統(tǒng)在直流供電制式下對四象限整流電路的完全隔離。TCU 實(shí)時監(jiān)控QS 接觸器反饋的閉合狀態(tài)，如與指令不一致，則立即報出故障并進(jìn)行電氣元件保護(hù)動作，具體如圖12 所示。

圖12 四象限整流電路隔離開關(guān)QS 保護(hù)策略

4.4 過熱保護(hù)

多制式切換控制方案是將牽引變壓器副邊繞組作為平波電感器進(jìn)行復(fù)用，在切換過程中會產(chǎn)生浪涌電流與諧波，而諧波電流會增大繞組的發(fā)熱，進(jìn)而影響牽引變流器的穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生安全隱患。因此應(yīng)在牽引變壓器副邊繞組上進(jìn)行溫度采集，TCU 軟件中設(shè)置過熱故障保護(hù)，確保牽引變壓器的安全正常工作，具體流程如圖13 所示。

5 結(jié) 論

將多制式供電系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用于動車組領(lǐng)域，針對一種應(yīng)用于動車組上的25 kV 交流供電和3 kV 直流供電的新型多制式牽引變流器的主電路結(jié)構(gòu)、多制式切換控制方法以及控制問題進(jìn)行了論述。重點(diǎn)分析了多制式切換的暫態(tài)過程以及不同于傳統(tǒng)牽引變流器的問題并給出了解決方案。最后從軌道交通領(lǐng)域安全要求入手，為了更好的利用多制式切換技術(shù)，在牽引傳動系統(tǒng)中增加了4個故障檢測點(diǎn)及相關(guān)保護(hù)策略，并進(jìn)行了探討，對多制式牽引傳動系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

圖13 變壓器副邊繞組溫度保護(hù)策略