永磁直驅(qū)160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車電傳動(dòng)系統(tǒng)研究

彭 旭，邢 亮，宋安東

（中車大同電力機(jī)車有限公司研究院，山西 大同 037038）

引言

時(shí)速160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組自上線運(yùn)營(yíng)以來(lái)取得了較大的社會(huì)反響和經(jīng)濟(jì)效益，得到了大多數(shù)旅客的認(rèn)可。隨著人們對(duì)永磁材料的開發(fā)與應(yīng)用，以及電力電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，促進(jìn)了永磁電機(jī)在結(jié)構(gòu)工藝、設(shè)計(jì)理論和控制技術(shù)等相關(guān)方面的飛速發(fā)展，并逐步在軌道交通領(lǐng)域取得應(yīng)用。

基于已經(jīng)開展的永磁直驅(qū)客運(yùn)機(jī)車的試制，以及部件和整車的試驗(yàn)情況，中車大同電力機(jī)車有限公司研究院積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，將永磁直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)力集中電動(dòng)車組平臺(tái)上，能夠更好地發(fā)揮永磁直驅(qū)技術(shù)在0～200 km/h全速度范圍效率和功率因素提升的優(yōu)勢(shì)。

1 電傳動(dòng)系統(tǒng)電路組成

永磁直驅(qū)160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車電傳動(dòng)系統(tǒng)電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、牽引變流器及牽引電機(jī)等組成。電路的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

牽引工況下，主變壓器原邊繞組通過(guò)受電弓得電，由次邊的牽引繞組和列供繞組分別向變流柜、列供柜供電。牽引變流器的中間直流回路同時(shí)向三個(gè)PWM逆變器（其中包括一個(gè)輔助逆變器和兩個(gè)主逆變器）供電，每個(gè)主逆變器向一臺(tái)牽引電機(jī)供電，再生制動(dòng)時(shí)能量反饋回電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能的效果[1-2]。

圖1 電傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 網(wǎng)側(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是從接觸網(wǎng)獲取電能，屬于25 kV電路。動(dòng)力車網(wǎng)側(cè)電路由受電弓、主斷路器、接地開關(guān)等部件構(gòu)成，其中接地開關(guān)、高壓電壓互感器、主斷路器和一個(gè)避雷器都布置在機(jī)械間的網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)。

網(wǎng)側(cè)電路從功能上可以分為網(wǎng)側(cè)受流、檢測(cè)和保護(hù)功能。網(wǎng)側(cè)電路的組成如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)電路

1.1.1 網(wǎng)側(cè)受流

網(wǎng)側(cè)電路的主要功能部件有受電弓、主斷路器、軸端接地裝置等。為了提高原邊受流的可靠性，設(shè)置了兩路相同的受電弓和主斷路器，當(dāng)一路故障時(shí)，可切換至另一路正常運(yùn)行。軸端接地裝置用于主變壓器原邊的回流，確保動(dòng)力車可靠接地，同時(shí)可保護(hù)電機(jī)軸承不受電蝕[3]。

1.1.2 網(wǎng)側(cè)檢測(cè)

網(wǎng)側(cè)電路中設(shè)置了高壓電流、電壓互感器和接地電流互感器等測(cè)量器件，用于向控制系統(tǒng)和TCU提供檢測(cè)到的網(wǎng)側(cè)電壓、電流信號(hào)，從而進(jìn)行判斷并在必要時(shí)斷開主斷路器以保護(hù)動(dòng)力車。

1.1.3網(wǎng)側(cè)保護(hù)

當(dāng)動(dòng)力車發(fā)生故障需要停止從接觸網(wǎng)取電時(shí)，可通過(guò)斷路器主斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。避雷器用于抑制動(dòng)力車運(yùn)行時(shí)的雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。用于在當(dāng)工作人員作業(yè)時(shí)，為了防止其他人員誤操作導(dǎo)致主斷閉合，可將接地開關(guān)打到接地位，以保證操作人員的安全。

1.2 主變壓器

牽引變壓器采用臥式結(jié)構(gòu)，車下懸掛安裝方式，如圖3所示。次邊設(shè)有牽引、列供繞組，用于向主變流柜和列供柜供電。主變壓器油箱內(nèi)安裝有電抗器，與牽引變流器中的二次諧振電容一起構(gòu)成二次諧振電路。其主要參數(shù)如表1所示。

圖3 牽引變壓器

表1 主變壓器的技術(shù)參數(shù)

1.3 牽引變流器

牽引變流器在時(shí)速160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車牽引變流柜的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整[4]。

在主變壓器和牽引電機(jī)之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹匾考菭恳兞髌鳎糜诳刂茽恳姍C(jī)以獲得所期望的轉(zhuǎn)矩，具體分為四象限整流、中間直流和牽引逆變等環(huán)節(jié)。

牽引變流器對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)向架采用兩組四象限整流器+逆變器+輔助逆變器模式。逆變器和永磁電機(jī)之間設(shè)計(jì)有隔離接觸器，由于永磁電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較高的反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)中間回路部件造成損害，可以通過(guò)接觸器將變流器和電機(jī)隔離開。輔助逆變器直接并聯(lián)到中間回路，經(jīng)輔助變壓器和濾波環(huán)節(jié)隔離濾波后輸出3AC380 V，給輔助設(shè)備供電。牽引變流電路的主要參數(shù)如表2所示。

1.4 牽引電機(jī)

動(dòng)力車采用的是永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)采用臥式、內(nèi)轉(zhuǎn)子、空心軸結(jié)構(gòu)，兩端軸承支撐安裝。電機(jī)通過(guò)端面齒傳力盤與輪對(duì)空心軸聯(lián)接。牽引電機(jī)的主要參數(shù)如表3所示。

表2 牽引變流電路的技術(shù)參數(shù)

表3 牽引電機(jī)的主要參數(shù)

2 永磁直驅(qū)技術(shù)在電傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組電傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用了永磁直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如以下幾點(diǎn)[5]：

2.1 效率優(yōu)勢(shì)

當(dāng)動(dòng)力車采用永磁電機(jī)時(shí)，可以提高牽引效率，同時(shí)齒輪箱的取消使得整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)的效率提升約3%。如圖4、圖5所示。

圖4 異步電傳動(dòng)系統(tǒng)效率

圖5 永磁直驅(qū)系統(tǒng)效率

與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁直驅(qū)電機(jī)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）無(wú)勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)；

2）定子銅耗相對(duì)較小，轉(zhuǎn)子無(wú)銅耗，電機(jī)效率高；

3）電機(jī)采用多極結(jié)構(gòu)，空間、材料利用率高；

4）在20%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率及功率因數(shù)；

5）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)振動(dòng)小。

2.2 電機(jī)全壽命周期成本降低

機(jī)車的全壽命周期是指機(jī)車研發(fā)→制造→出售→使用→報(bào)廢的整個(gè)過(guò)程。通常機(jī)車的檢修維護(hù)費(fèi)用占整個(gè)機(jī)車全壽命周期費(fèi)用的66%～88%，是購(gòu)置費(fèi)的3～8倍，因此對(duì)機(jī)車檢修維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行有效地控制可極大地降低全壽命周期成本，是評(píng)判軌道交通運(yùn)輸裝備的重要指標(biāo)之一。

機(jī)車牽引齒輪箱開裂與漏油是傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性故障，在定修中需要大量人力、物力進(jìn)行檢查、維護(hù)，延長(zhǎng)了檢修時(shí)時(shí)；機(jī)車的走形部會(huì)因齒輪箱的漏油而導(dǎo)致污染，從而影響動(dòng)車組的運(yùn)行線路；動(dòng)車組回段檢修時(shí)，需要補(bǔ)充大量的潤(rùn)滑油，增加了動(dòng)車組的運(yùn)行成本；機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)主、從牽引齒輪的磨耗非常小，若齒輪箱發(fā)生潤(rùn)滑油泄漏且長(zhǎng)時(shí)間得不到補(bǔ)充時(shí)，齒輪間的磨耗會(huì)加劇，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致齒輪報(bào)廢。因此與牽引齒輪箱相關(guān)的故障也成為了現(xiàn)階段迫切需要解決的問(wèn)題。

而永磁電機(jī)在動(dòng)車組上的應(yīng)用，由于齒輪箱的取消，只需采用定期對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行檢修維修即可，大大降低了動(dòng)車組全壽命周期的成本。

2.3 噪聲降低

機(jī)車的噪聲很大一部分來(lái)自于齒輪箱的運(yùn)行，特別是在機(jī)車高速行駛時(shí)。因此齒輪箱的取消，可以大大減少噪聲的來(lái)源，提高動(dòng)車組運(yùn)行的舒適性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)永磁直驅(qū)160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車電傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，掌握了動(dòng)力車交流傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工作過(guò)程，為動(dòng)力組的運(yùn)營(yíng)和檢修提供可靠的技術(shù)支持。