浅析高压牵引变频系统在动车组中的应用

浅析高压牵引变频系统在动车组中的应用

付乃宽

北京铁路局北京动车段北京102600

摘要：由于其舒适、高速、安全等特点，动车组一直受到广大乘客的青睐。它已成为生产、运输和客运专线的重要资源之一。截至2018年底，我国高铁运营里程超过29000公里，占全球高铁运营里程的三分之二以上，超过了其他国家的运营总里程。2004年至2005年，中国主要高铁制造商青岛四方厂、长春客车厂和唐山客车公司分别从庞巴迪、日本、川崎重工、阿尔斯通、法国和德国西门子进口和吸收，共同设计和开发了CRH1。高速动车组。2016年，中国设计开发的完全拥有自主知识产权的中国标准电动车组融合速度创下新的世界纪录。动车组高压牵引变频系统主要用于控制牵引电机的供电。其结构简单，包括整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等主电路和无触点控制装置、控制电源等控制电路及电器。因此，动车组牵引变频系统的主要性能直接影响动车组的安全运行。以动车组高压牵引变频系统为例，根据动车组高压牵引变频系统的结构和工作原理，对动车组牵引变频系统进行了研究。

关键词：高压牵引；变频系统；动车组；应用

1牵引变频系统的概述

动车组牵引变频系统主要用于控制四台牵引电机的供电。其结构简单。主电路电器，如整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等控制电路电器，如无触点控制装置、控制电源，均采用箱式结构，减少了安装空间。同时，采用铝框力求达到轻量化的目的。

动车组高压牵引变频系统动力单元的集中布置，考虑到运行维护方便，采用模块化设计。动车组高压牵引变频系统配置一台带两个排气口的电动轴流风机，向机组凝汽器送风。真空接触器、继电器单元和无触点控制装置集中布置，便于维护。例如，半导体冷却装置分为两个脉冲整流器单元和三个逆变器单元，它们可以互换。另外，考虑到密封性和检查方便，采用了板簧式手动夹紧装置。

半导体冷却装置、电动通风机等大型设备采用下部拆装结构。小控制单元中的部件可以由不同的制造商制造。在维护和检查期间，需要更换控制单元。内部装置有其独特的形式，但每个单元都有其自身的结构和功能，以确保其互换性。

电源由受电弓将单相交流25kV、50Hz的线电压,通过VCB与牵引变压器的一次侧绕组相连接。主电路由VCB来实施开闭。在牵引主变压器二次侧的两个牵引绕组、分别在一次侧绕组的励磁作用下感应出1500V(1次侧为25kV时)的电压,并输入牵引变频系统的整流器部分。

M1车和M2车上各自装载有一台牵引变流器,在牵引运行时向牵引电机提供电力和制动时进行再生制动控制,此外还具有保护功能。另外,以来自车辆信息控制装置的信息为基础,进行整流器间载波的相位差运行,以此来降低接触网电流的高次谐波。

牵引变频系统由单相交流变为直流电力的整流器部分和直流电流变为三相交流的逆变器部分、吸收电压波动获得直流定压的直流平滑电路(滤波电容器)部分构成。整流器·逆变器部分均采用了三电式结构,可进行精密的电压控制。作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT或IPW,能减小交流电压波形的失真,由此降低了牵引电机、牵引变压器的电磁噪声和转矩波动。

1.1整流器简述

整流器部分输入为变压器二次绕组侧输出的AC1500V、50Hz电压,由单相三级PWM整流器、交流接触器K构成。

通过无触点控制装置的(IGBT元件)控制,使输出的直流电压为2600～3000V定电压控制、牵引变压器1次绕组侧电压电流的功率因数1控制以及无触点控制装置具有保护功能。进行再生制动时,进行逆变换,以滤波电容器的DC3000V作为输入,向牵引变压器一侧提供AC1500V,50Hz的电源。作为输入侧的主电路闭合切断使用交流接触器K。

整流器三电平PWM控制的简述。三电平整流器将由滤波电容器对直流电压分压取得的三级(正:+Ed/2,零,负:-Ed/2)电压输出到交流(牵引变压器)侧。

三电平整流器的调制方式由U相调制波ymU(U相电压指令)、正侧载波和负侧载波(三角形波)的大小关系,得到作为三级PWM信号Gsw取得+1,0,-1的信号。(为降低谐波,V相调制波ymV(与U相为逆相位)和V相载波ycV的关系也是同样地、与ycU错开180°的相位。)为降低接触网电流谐波,在同一单元内的M1车、M2车的两台整流器之间,将其载波相位错开-90°并且每个单元相位差也每隔-45°错开。

1.2逆变器简述

逆变器以滤波电容电压为输入，通过IGBT控制信号输出可变电压和频率的三相交流电压，控制四台并联感应电动机的转速和转矩。在再生制动条件下，采用感应电动机的三相交流输出作为输入，直流电压输出到滤波电容器侧。感应电动机的控制采用矢量控制方法。转矩电流和励磁电流独立控制，实现了转矩控制精度高、转矩响应速度快，提高了电流控制性能。电路结构与整流器相同，采用三点结构。

1.3直流滤波电容器工作机构

滤波电容器内分别安装两台整流电源和三台逆变器电源，总容量为8000mf。滤波器电容器上连接有备用充电电路。启动时，充电电阻从辅助绕组的初级通过内置变压器充电，以防止K闭合时过大的冲击电流。当逆变器关闭时，它连接到CHK。充电后（约1秒），CHK被切断，然后K被打开。

2主变及牵引电机简介

2.1主变压器

动车组牵引变压器二次绕组为两个独立的绕组。每一绕组均与牵引变流器相连，以保证二次绕组的高电抗和弱耦合。牵引变压器具有运行稳定的特点。此外，为了增加每个二次绕组的容量，一次绕组配置了两个并联线圈。为了减轻重量，第一和第二线圈使用铝线圈。一次绕组接地侧、二次绕组侧、三次绕组侧的绝缘套管采用耐热环氧树脂将11根铜芯导线注入一个成型端板。相对于第三绕组一侧的一个端子，使用并抽出两个中心导线。

2.2牵引电机简述

2.2.1电机转子

动车组牵引电机作为车辆的一个组成部分，在结构设计上既追求重量轻，又追求维护简单。转子为实心鼠笼型，结构也适用于高速运行。了确保转差率,转子导条(bar)采用电阻系数较大,强度足够的铜锌合金(红铜)。为了尽量减小运转过程中因温度上升而产生的热膨胀,短路环采用电阻系数较小的纯铜。此外,为了应对高速转动,还在短路环的外围设置了保持环。

2.2.2电机定子

为了追求轻量化，定子机座采用无框结构机座，连接板连接铁心，并设有转向架安装凸台和安装座。定子机座两侧采用铝合金铸件（铝支架）制作零件，进一步实现了定子机座的整体轻量化。铝托架材料和板厚均考虑适应高速行驶。另外，铝支架的定子框架安装部分用钢筋加固。为了防止铁铝热膨胀差引起的错位，在车架侧面装配时采用了双重装配法。为满足强制风冷的需要，反向驱动侧铝支架采用支架上部安装风管、支架端面旋转检测盒的结构。在驱动器中，安装了上部接线盒。

结论

动车组高压牵引变频系统是动车组的核心动力部件。考虑到其设计结构和工作机理的科学、合理、实用，能够稳定、连续地运行。各部件采用模块化结构，具有良好的通用性和互换性。确保动车组的安全可靠性和牵引变频系统的安全运行。

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