城际动车组牵引系统技术分析及展望

城际动车组牵引系统技术分析及展望

李亚超,许云飞,李砚辉

中车青岛四方机车车辆股份有限公司    山东省青岛市  266000 

摘要：本文首先对几种不同类型的城市动车组牵引系统进行了性能指标和技术特征的介绍，并对目前我国城市动车组主要部件的主要技术平台进行了详细的介绍和分析，并比较了国内外几种典型的城际动车牵引系统，并对其在城市动车组牵引系统中的应用前景进行了预测，以期为我国城市动车组的技术发展提供借鉴。

关键词：城际动车组；牵引系统；性能指标；借鉴

引言：城际轨道是指在经济发达、人口密集的大城市和城市的中心城区之间，或者在大城市的通勤范围内修建的便捷、运力大的铁路运输体系。它位于干线铁路网和城市轨道交通网之间，能够与干线铁路网、城市轨道交通网和其他交通网形成良好的联系，便于换乘，并分流干线铁路网的中短途客运，承担城际间或中心城市周边区域中短途客流运输任务。运行时速120-200公里/小时，运行时间为1-2小时，客流较多，潮起性较强，但不像地铁那样拥挤。高速铁路城际列车是城市轨道交通的重要组成部分，其主要特征是载客量大、开停快、乘降快、安全舒适、高效快捷、公交化运营。

1.国外城际动车组牵引系统国外城际动车组本文主要介绍

1.1 “南洋之星”城际动车组牵引系统

“南洋之星”城际动车组，其牵引变流器由西门子公司提供。这种动车组的最高设计时速是140公里/小时，6节车厢（4M2T)，分为两个功率单元，每个功率单元（Mc+ T+ M）是一个功率单元，两个功率单元由高压电缆和高压绝缘开关相连。其中，1台牵引变压器用于2台牵引变流器，1台牵引变流器用于4台并联交流异步电动机。主电路采用主、辅、充一体化的结构，将牵引变流器、辅助变流器、充电机、冷却系统等功能整合到一个柜内，具有很高的集成性。该系统包括两个四象限整流器+2个逆变器+1个副逆变器+1个充电机制组成，其中一个辅助逆变器是从牵引变流器的中间 DC回路获取电能，中间直流回路的电压是DC1800V，并通过强制空气制冷+水循环制冷。（1）牵引变压器采用油冷却，副侧4个牵引绕组，对2个牵引变流器进行供电。（2）牵引变换器采用主、辅、充一体化的结构，具有整体的制冷；主电路采用了完全独立的结构，没有二次谐振环路，并与高频辅变器、充电电动机结合，可以达到不间断供电的过度辅助。（3）4个副变均为并联供电，具有较高的冗余。（4）牵引电动机使用4极自排异步电动机。（5）牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机三个主要部件在车上安装。

1.2瑞士SBB双层动车组牵引系统

瑞士 SBB双轨列车是由 Stadler公司开发的 KISS系列动车组，其主要部件为 ABB公司生产的CC1500AC_15-25kV主次一体牵引变频器。动车组由2部动车、4部牵引机车、2部牵引变压器、2部牵引变流器、4台电动机。每一牵引变换器都有两组完全分开的装置，单组最大输出功率为750 kW,1号机组包括两路辅助变换（一段固定频率，一段可调）。在线路发生故障时，不会对其他线路产生任何影响，从而改善了系统的冗余度。本发明的机车牵引系统具有以下技术特征：（1）能适应AC25kV/50 Hz及AC15kV/16.7 Hz的电力供应。（2）牵引变压器为油冷却，1台牵引变压器用于1台牵引变频器，1台牵引变频器用于1台转向架2台电动机。（3）采用主、辅相结合的牵引变换器；主电路采用了一个完全独立的轴控结构，不需要二次谐振环路。

2.国内城际动车组牵引系统

CRH6F-A型动车组列车为4节车厢，2动2拖，是一种功率分散式的交流驱动系统。动车组由两个动力装置组成，其中一台牵引变压器用于牵引变流器，一台牵引变流器用于四台并联的交流异步电动机。

2.1 牵引变压器

动车组是从接触网接受电弓的AC25000V/50 Hz单相 AC电流，并经真空断路器与牵引变压器的原侧线圈相连，牵引变压器牵引线圈将AC970V供电至牵引变流器。牵引变流器负责采集变压器的网压、网流信号，监测和保护变压器的运行状况。

2.2 牵引电机

牵引电动机采用三相鼠笼异步电动机，以变频调速三相交流电作为牵引电动机的动力。在牵引状态下，四象限 PWM整流器对电力系统进行整流，然后逆变器将其转换成 VVVF三相 AC供电。在再生制动状态下，牵引电动机的能量通过逆变器和整流器回路，通过牵引变压器和受电弓的形式回馈给电网。本发明的电动机是由强制风冷驱动，由两个可调风的风扇对其进行降温。电动机装有温度和转速传感器，用以测量电动机的定子温度和转速。

3.新技术的展望及应用

3.1 牵引变压器轻量化技术

常规的牵引变压器，其本体（铁心+线圈+引线）全部浸泡在变压器油中。只有线圈部分浸于变压器油中，以满足线圈的冷却与绝缘要求，全新的外壳结构将线圈完全密封，核心暴露于空气中。它的优点是：降低了70%的燃油，降低了20%的变压器重量，降低了20%的重量，降低了50%的损失。

3.2 SiC器件应用技术

SiC装置是一种宽频段半导体装置的典型代表，它与常规硅装置相比，有三大特性：（1）其绝缘失效电场强度是常规硅装置的9倍以上，因而采用 SiC方法制造的功率装置的导通电阻较低，晶片尺寸较小，且装置的封装后尺寸较常规器件要小。（2）SiC肖特基二极管和 MOS场效应晶体管，其漂移电阻区的厚度比同等电压下的 Si器件要薄一倍，器件的切换损失减小，切换速度更快，适用于高切换频率的应用。（3）由于热传导性高，且 SiC装置自身的发热量低，所以无需考虑到封装及周边材料的约束，即可在600摄氏度以上的温度下工作。可见，碳化硅材料的自身特点，使其在半导体应用中优于硅，尤其是其高切换频率和高结温应用。由于受到封装材料技术的限制，短时间内难以突破高温度，高切换频率在低电压、磁性设备占据较大比例的场合，由于切换频率的增加，使磁性设备的参数减小、重量减轻等优点。所以目前厂商建议的材料中，损耗比较大的是10 kHz。

3.3 高频辅变技术

辅助电力系统是列车的重要组成部分，现有的辅助变换器主要有工频辅变和高频辅变法。与传统的工频辅变技术相比，高频辅变技术更加适应高频、轻量化的发展方向。例如某种典型的高频辅助变流器，其主要结构为 Boost+ LLC+ HVDC+三相逆变器，其中 Boost预稳压电路可保证输入电压的稳定性， LLC谐振转换电路的许多优异性能，例如：一次侧开关实现零电压开通，小电流关断，变压器二次二极管零电流关断（ZCS)，输出电压范围大，负荷变化适应性强等。采用 LLC谐振电路，减少了传统的工频变压器，降低了整体体积、重量，达到了轻质化的目的。LLC的开关管采用了软开关，提高了工作的效率。

3.4 永磁同步电机

绿色节能是今后城际动车牵引系统技术改造和突破的关键。由于永磁同步电动机具有高效率、高功率密度、强过载能力等特点，已成为发展高效率牵引技术、建设绿色轨道交通的重要技术。法国 AGV型机车采用动力分散式转向架和永磁牵引技术，使牵引制动的综合能耗达到15%。与传统的异步电动机相比，它的效率提高了3%~4%，体积减小了30%，质量降低了30%，功率密度达到1.1 kW/kg。德国 VelaroNovo型机车，由于使用了永磁牵引系统和降低阻力等技术，预计将节约30%的能源。在此基础上，对转向架外形进行了优化，对车顶进行了优化，对永磁拖动系统的效率提高了5%。经过10多年的技术积累，我国已全面掌握和验证了其关键技术，并已在轨道交通中大量投入使用。

结束语

本文对具有代表性的城际动车组牵引系统进行了分析、归纳，并对当前主要城市城际动车组的主要组成部分进行了详细的分析，并就其平台的谱系化、集成化、轻量化、舒适性和节能等几个方面进行了探讨，今后的城际动车组牵引系统中的牵引变压器轻量化、 SiC器件应用、高频辅变、永磁同步电动机等技术进行了展望。这些技术的不断改进与完善，必然会带来城际动车组牵引系统的重大变化，从而对我国铁路牵引技术的自主创新产生积极而深刻的影响。

参考文献

[1]邹档兵, 孙亚运. 城际动车组牵引系统技术分析及展望[J]. 电力机车与城轨车辆, 2022, 45(2):9.