CRH2 和CRH1 型動車組牽引變流器性能比較與優(yōu)化

楊奇珍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

1 動車組牽引系統(tǒng)

動車組通常由8 輛編組組成（標準組），以和諧號CRH2A型動車組為例，8 輛車編組形式一般為“T-M-M-T-T-M-M-T”（T 代表拖車，M 代表動車），由兩個“二動二拖”的牽引集成單元構(gòu)成了全列“四動四拖”結(jié)構(gòu)。每個牽引單元通常包括1 臺牽引變壓器及其冷卻單元、2 臺牽引變流器及其冷卻單元，1 臺牽引變流器可操作控制4 臺牽引電機，一共包含8 臺牽引電機，以及牽引電機冷卻風扇等。

動車組電源通過接觸網(wǎng)獲得電能，經(jīng)受電弓引入單相交流的25 kV/50 Hz 電壓完成供電，通過VCB（真空斷路器）與牽引變壓器的一次側(cè)繞組相連接，VCB 控制其牽引電路開閉。牽引變壓器的結(jié)構(gòu)是由二次繞組及2 個線圈組成，一次電壓為25 kV 時，通過繞組二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為1500 V；另外還有輔助繞組，通過輔助繞組二次側(cè)電壓為400 V。

牽引變流器作為最主要的變換裝置，其主要分布安裝在各M 車上，同時也會搭載1 臺變頻器和逆變器，一般采用交直流相互轉(zhuǎn)換的方式，其原理為AC-DC-AC，當列車需要牽引時，則由牽引電機提供電力，變頻調(diào)速、制動時進行電力再生控制。當主變換裝置故障時，其他各個單元器件也具有保護功能，能單獨控制相應(yīng)各M 車的動力輸出?；締卧糠挚梢杂弥芷诳刂频腣CB 進行整體斷開，不會影響其他單元的獨立動作。

動車組總共有16 個牽引電機，安裝在02、03、06、07 車的動力轉(zhuǎn)向架上，每個車軸都有1 個牽引電機。牽引電機使用三相鼠籠式異步電機，該電機在驅(qū)動模式下將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并在制動期間將機械能轉(zhuǎn)換為電能。其軸端安裝的速度傳感器，作用是自動控制裝置檢測速度。

目前，高速動車組主要采取AC-DC-AC 的供電方式，牽引變流器的組成主要由3 部分構(gòu)成：電網(wǎng)側(cè)變流器（LCM），中間直流元器件，電機側(cè)變流器[1]。此電路為動車牽引的核心部分，完成整個能量的傳遞和交換。

2 CRH2、CRH1 牽引變流器的功能

2.1 動車組牽引變流器一般結(jié)構(gòu)特性

（1）主電路。主電路系統(tǒng)通常以2 輛車為1 個動力單元，主電路系統(tǒng)電源是單相交流電，由受電弓引入。牽引變壓器一次側(cè)繞組主電路的開閉由VCB 控制，同時，電流被引入另一個牽引變流器的脈沖整流器中。每輛M 車都配備了牽引變流器，除了控制2 輛車的電源和制動系統(tǒng)外，它還具有根據(jù)車輛運行信息進行控制并實現(xiàn)脈沖整流器的車輛保護功能，另外值得注意的是，載波階段操作減少了當前操作對動車組運行的干擾。

（2）牽引變流器。牽引變流裝置由單相交流變?yōu)橹绷麟娏Φ恼髌鞑糠?、直流電流變?yōu)槿嘟涣鞯哪孀兤鞑糠?、吸收電壓波動獲得直流定壓的直流電壓電路（濾波電容器）部分構(gòu)成。由于整流器、逆變器可進行精密的電壓調(diào)節(jié)控制，作為主電路的半導(dǎo)體元器件由于采用了能高速開閉的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）或IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊），能減小交流電壓波形的失真，由此降低了牽引電機、牽引變壓器的電磁噪聲，因而減少了轉(zhuǎn)矩波動。

（3）逆變器部分。逆變器將濾波電容器電壓作為輸入，通過IGBT 元件，實現(xiàn)無觸點控制裝置的信號輸出控制，從而達到對可變電壓、可變頻率的三相交流電壓轉(zhuǎn)換的目的，其作用是控制4 臺電機速度和扭矩。再生制動工況時，以感應(yīng)電機發(fā)出的三相交流電作為電源輸入，向濾波電容器側(cè)輸出直流電壓。

（4）中間直流部分。每臺濾波電容器由2 臺整流器、3 臺逆變器所組成，過濾電容器上端則由備用充電電路連接。在啟動時，通過內(nèi)置變壓器從輔助繞組開始初期充電，以此來防止牽引主電路接觸器閉合時所產(chǎn)生電流過大的問題。

2.2 CRH1 和CRH2 動車組牽引變流器對比

盡管CRH1 和CRH2 動車組牽引變流器的總體結(jié)構(gòu)看上去相似，但實際在主電路的拓撲結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略方面存在很明顯的區(qū)別。中國的鐵路供電網(wǎng)絡(luò)一般采用的25 kV/50 Hz 單相交流電源。CRH1 動車組牽引變流器采用兩重兩電平四象限脈沖整流器，目的是將主變壓器次級側(cè)的交流900 V 轉(zhuǎn)換成直流1650 V，通過逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電。而CRH2 動車組牽引所使用的轉(zhuǎn)換器，是將使交流1500 V電壓轉(zhuǎn)換成直流3000 V 電壓，經(jīng)過逆變器變轉(zhuǎn)換成三相交流電。其主要參數(shù)見表1、表2，可以系統(tǒng)清晰地觀察到兩種不同結(jié)構(gòu)的差別所在。

表1 兩種牽引變流器結(jié)構(gòu)對比

表2 兩種牽引變流器電氣參數(shù)對比

2.3 CRH1 和CRH2 型動車組牽引變流器優(yōu)缺點

（1）網(wǎng)側(cè)變流器。CRH1 動車組電網(wǎng)側(cè)變頻器采用兩重四象限脈沖整流器[2]。主要組成部分是并聯(lián)的二電平四象限整流器，其載波偏移了一定角度，并且整車中5 個電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)脈沖也偏移一定角度。該結(jié)構(gòu)同時消除了輸入轉(zhuǎn)換器的高次電流諧波，并在一定程度上減少了輸出脈動干擾。另一方面，如果轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，系統(tǒng)可以不受其干擾，繼續(xù)可靠地運行。但由于轉(zhuǎn)換器處于兩個電平的機構(gòu)特性，因此在運行中，往往還存在系統(tǒng)容差，其產(chǎn)生的諧波也難以去除，因此網(wǎng)側(cè)必須裝有消除諧波的模塊，以減少諧波對電網(wǎng)造成的沖擊。由于出現(xiàn)故障現(xiàn)象時該部分電路會斷開，大大降低了車側(cè)電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的高次諧波抑制功能。CRH2A 動車組電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器是使用載波相移調(diào)制的三電平四象限脈沖整流器[3]。電網(wǎng)側(cè)由于其波形接近于正弦波，因此諧波比較小。當功率增加時，其耐壓性也會相對提高，輸出效率隨之變高，并且電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)幾乎為100%。但其缺點也比較突出，主要表現(xiàn)為控制方法繁瑣，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中點電壓不平衡等特點。

（2）中間直流環(huán)節(jié)。CRH1 動車組的中間直流結(jié)構(gòu)包括1 個二次諧波濾波電路，該電路由4 個串聯(lián)連接的電容器和1 個電感器組成，對脈沖整流器輸出頻率的脈動能量進行兩次平衡，提高輸出直流電源質(zhì)量。像CRH2 的中間DC 電路一樣，它包括支持電容器、預(yù)充電電路和再生漏極電路等，區(qū)別在于CRH2 動車組中間DC 電路不存在二次諧波電路，通過調(diào)整脈沖整流器可以降低或消除諧波，有效節(jié)省了設(shè)備空間占有率，使動車故障檢測和維護都變得簡單易操作。

（3）電機側(cè)變流器。CRH1 動車組電機側(cè)變頻器是兩電平三相逆變器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，并且可以輕松實現(xiàn)電壓、頻率的調(diào)節(jié)和控制，從而實現(xiàn)了負載電機的轉(zhuǎn)速和扭矩。在再生制動期間，由于電機會產(chǎn)生三相交流電，可以通過整流后返回直流母線，最終達到反饋給電網(wǎng)的目的。但缺點也顯而易見，由于輸出電壓為二級，具有脈沖大、諧波高、對電網(wǎng)側(cè)沖擊比較大等特點[4]。CRH2動車組的電機側(cè)轉(zhuǎn)換器是兩電平三相逆變器，其輸出電壓為三級。優(yōu)點是電能紋波小，電能質(zhì)量高，負載電流接近于正弦波，輸出能量不受負載變化的影響。此外，電橋結(jié)構(gòu)使每個電橋臂的功率管數(shù)量都增加了一倍，其電壓也相對降低，同時使得集成模塊使用年限延長，并在再生制動期間穩(wěn)定了直流側(cè)。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯程序繁瑣，功率管數(shù)量的增加為故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測帶來了一定困難。

3 牽引變流器主電路優(yōu)化

綜合比較上述高速動車組牽引變流器的主電路結(jié)構(gòu)特點，考慮到各種因素，如重量輕、集成度高、可靠性高、安裝和維護方便以及技術(shù)成熟度等，可以針對牽引變流器的主電路做如下優(yōu)化，改善性能：①主電路采用成熟的兩電平結(jié)構(gòu)，采用2 重四象限＋2 重逆變器的結(jié)構(gòu)可以改善電網(wǎng)側(cè)的諧波性能，并且1 個逆變器模塊驅(qū)動同一轉(zhuǎn)向架上的2 臺牽引電機，有助于同時實現(xiàn)車控與架控；②充電電路采用雙充電接觸器+充電電阻的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，同時提高了系統(tǒng)冗余度；③中間直流回路具有次級諧振回路（可以根據(jù)輸出刪除次級諧振回路）、固定放電回路和快速放電回路，可以通過電流傳感器選擇接地故障，選擇電壓傳感器檢測；④采用主電路和結(jié)構(gòu)主輔一體化設(shè)計，四象限脈沖整流模塊，牽引逆變器模塊和輔助逆變器模塊采用集中布置，并通過低靈敏度母線共享中間直流回路和冷卻系統(tǒng)，重量輕，體積??；⑤牽引變流器箱中高度集成了牽引變流器、冷卻系統(tǒng)、輔助逆變器輸出降壓變壓器、三相濾波電容器和接觸器；⑥將無火回送升壓模塊添加到中間直流環(huán)節(jié)，當動車組處于非回火模式時，電池DC 100 V 通過模塊升壓到中間直流環(huán)節(jié)，讓牽引變流器給牽引電機完成勵磁并開始輔變啟動，提高整車在無火回送時的舒適度。

4 結(jié)束語

從動車牽引系統(tǒng)組成出發(fā)，引出牽引變流器在動車組牽引單元中所占據(jù)的重要地位和其實現(xiàn)的重要功能，具體介紹了牽引變流器的一般結(jié)構(gòu)。以CRH1 和CRH2 兩種不同型號的動車組為例，詳細分析它們各自的牽引變流器具有的不同電路結(jié)構(gòu)和不同的功能特性，對比了它們的優(yōu)缺點，并在最后對牽引變流器的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計如何進行優(yōu)化提出了可行的建議。