CRH3高速動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)分析

朱幗蓉 上海鐵路局科研所

CRH3高速動(dòng)車組以德國(guó)ICE-3列車改進(jìn)的。ICE的全稱是Inter City Express，即城際快車。該車采用的交流牽引系統(tǒng)，是德國(guó)西門子公司用于客運(yùn)車輛（地鐵、城軌）及長(zhǎng)途客車（電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車）的VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)，主要有三部分：

(1)SIBAS 32 system牽引電子控制單元。使用32位微處理器的西門子Bahn Automatisierungs系統(tǒng)，進(jìn)行列車牽引和電力傳動(dòng)中調(diào)制和邏輯控制功能。也包含了整個(gè)車輛控制單元的信息處理。同時(shí)集成了車輛診斷系統(tǒng)和提供調(diào)試和維護(hù)幫助的系統(tǒng)。滿足IEC 60571與EN 50155的標(biāo)準(zhǔn)要求，并符合EN 50121－3－2中規(guī)定的電磁兼容條件。

(2)四象限斬波器進(jìn)行整流與反饋和IGBT組成電壓型脈寬調(diào)制三相橋式逆變器。

(3)560 kW自通風(fēng)三相鼠籠式牽引電機(jī)。

1 列車牽引特性綜述

1.1 概述

列車編組：8車 EC08-TC07-IC06-FC05-BC04-IC03-TC02-EC08

16車 2列8車聯(lián)掛

EC： 帶駕駛室牽引逆變器的動(dòng)車

TC： 帶變壓器和單輔助逆變器的拖車

IC： 帶牽引逆變器的動(dòng)車

BC： 帶餐廳雙輔助逆變器的拖車

FC： 帶頭等座和雙輔助逆變器的拖車

1.2 列車工作情況

最大速度：380 km/h

電源電壓：27.5 kVAC變2×1 550 VAC進(jìn)變流器輸入（變化范圍：1 085 VAC～1 922 VAC）

輔助電源：三相400 V AC 50 Hz 160 kVA

低壓電源：110 VDC 電源（變化范圍：77 VDC～138 VDC）

1.3 牽引與制動(dòng)

最大加速度：?jiǎn)?dòng)加速度為0.5 m/s2，0～200 km/h平均加速度0.38 m/s2

最大沖動(dòng)率：0.75 m/s3

車輪直徑：920 mm（全新）～830 mm（全磨損）

減速箱傳動(dòng)比：2.788/1

減速箱的機(jī)械損耗：3%（最大估計(jì)值）

緊急制動(dòng)：

氣電混合制動(dòng)300 km/h～200 km/h減速度a3=0.9265 m/s2；200 km/h～80 km/h

制動(dòng)力 a2=1.1364 m/s2；80 km/h～0 km/h制動(dòng)力 a1=1.048 m/s2。

常用制動(dòng)：最大達(dá)到1 m/s2共分8檔（電與氣混合制動(dòng)）

2 主電路的分析研究

2.1 主電路工作原理

主電路工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 牽引系統(tǒng)主電路原理圖

牽引逆變器是三相電壓型。接觸網(wǎng)上27.5 kV/50 Hz單相交流電由變壓器變成2組1 550 V/50 Hz交流電。通過(guò)單極斷路器和預(yù)充電電路（在接通期間）連接到兩個(gè)并聯(lián)四象限斬波器4QC模塊（每個(gè)模塊為一個(gè)半橋）給直流回路供電。直流回路電容器、諧波吸收電路、接地故障檢測(cè)和保護(hù)模塊位于直流回路內(nèi)。經(jīng)脈寬調(diào)制逆變器將直流電源變換成三相變頻交流輸出電源，供給三相異步牽引電機(jī)。四象限斬波器4QC模塊其任務(wù)是將單相交流輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海⒖刂浦绷骰芈分g的能量流。四象限斬波器表示在牽引及制動(dòng)時(shí)，電壓UST和電流 IN之間的相角是可以自由調(diào)整的。通過(guò)電壓和電流之間相角的控制，可以獲得四個(gè)運(yùn)行象限。進(jìn)行再生能量的反饋(見(jiàn)圖2)。

圖2 四象限斬波器原理圖

預(yù)充電單元由預(yù)充電接觸器和電阻器VLW構(gòu)成。在逆變器投入運(yùn)行時(shí)，逆變器的DC回路電容器先在預(yù)充電單元上充電，然后斷路器閉合。這可降低突然接入電容器上初始沖擊電流。當(dāng)主斷路器要求打開(kāi)時(shí)它處于無(wú)電流條件下才能斷開(kāi)。DC回路電容由4×0.75 mF電容器構(gòu)成，總共3 mF。諧波吸收電路，由電容器CSK和和一個(gè)外部扼流圈LSK構(gòu)成（不在牽引變流器的內(nèi)側(cè)）。其分兩次過(guò)濾輸入電壓導(dǎo)致的DC回路中的波動(dòng)。諧波吸收器的電容容量共有Cn=4.5 mF。

2.2 主電路特點(diǎn)的分析

電阻制動(dòng)控制器包括與電阻串聯(lián)的IGBT。制動(dòng)電阻Rmub安裝在地板下、牽引逆變器箱外部，在制動(dòng)時(shí)，來(lái)自電機(jī)的能量將提供給DC回路。讓電阻吸收來(lái)自中間電路不能反饋到接觸網(wǎng)的能量。制動(dòng)電阻器由分開(kāi)安裝的三相風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷。制動(dòng)電阻器有一個(gè)熱量監(jiān)視裝置，提供超溫報(bào)警。超溫裝置的輸出由牽引控制電子單元(CCU)監(jiān)視。Rmub電阻的另一個(gè)作用是對(duì)直流回路的過(guò)壓保護(hù)，線路電壓超過(guò)3 600 V時(shí)觸發(fā)保護(hù)，限制電壓的上升。

接地故障檢測(cè)由分壓器，差動(dòng)放大器構(gòu)成。連續(xù)放電電阻分成99 kΩ：34 kΩ比的兩個(gè)部分，當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，測(cè)量電壓改變，逆變器的TCU（牽引控制單元）得到接地故障信息。

3 VVVF牽引和制動(dòng)逆變器系統(tǒng)的分析研究

3.1 VVVF逆變器的一般技術(shù)參數(shù)

牽引逆變器為四個(gè)牽引電機(jī) (亦即：兩個(gè)轉(zhuǎn)向架)提供變頻變壓(VVVF)電源。牽引逆變器的參數(shù)為：

輸入電壓

牽引時(shí)：2 700～3 600 V D.C；

制動(dòng)時(shí)：2 800～3 600 V D.C；

IGBT 開(kāi)關(guān)頻率 460 Hz(最大)；

逆變器輸出最大相電流峰值 880 Ar.m.s；

輸出頻率 0～200 Hz；

輸出電壓 0～2 500 V A.C；

持續(xù)輸出功率 牽引時(shí)2 383 kW；制動(dòng)時(shí)1 843 kW。

3.2 逆變器脈寬調(diào)制的控制策略

在低頻段采用異步調(diào)制方式，載波頻率相對(duì)提高，改善輸出特性對(duì)稱性。中頻段采用分段同步調(diào)制方式，輸出三相波形嚴(yán)格對(duì)稱。高頻段采用方波輸出，使輸出效率最高。

為了使逆變器的性能達(dá)到最佳并且減少諧波，用增加逆變器的頻率來(lái)改變PWM的類型。不同的PWM類型如下：

異步相交的PWM--這些PWM波形由調(diào)制的正弦波（表示逆變器要產(chǎn)生的電壓）和"鋸齒"載波產(chǎn)生。

同步相交的PWM--這是異步相交的PWM的一種特殊情況，其中載波與調(diào)制波同步，以減少3RD（第三）和5TH（第五）諧波。

全波--這些PWM的波形具有相等的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以較低的逆變器損失產(chǎn)生最大的電機(jī)電壓。

輸出脈沖驅(qū)動(dòng)器應(yīng)被設(shè)計(jì)成以便產(chǎn)生的脈沖寬度不超過(guò)逆變器的最小導(dǎo)通時(shí)間11 s，最小關(guān)斷時(shí)間11 s和間隔時(shí)間（無(wú)電壓的）10 s的限制值。

3.3 牽引電機(jī)的控制方法

圖3 矢量控制示意圖

電機(jī)由脈寬調(diào)制(PWM)電壓源逆變器供電。逆變器使電機(jī)能得到平衡三相電壓，并且電壓的幅值和頻率均可調(diào)整。電機(jī)控制采用包含磁場(chǎng)定向控制的矢量控制方法用來(lái)靜態(tài)地和動(dòng)態(tài)地精確控制轉(zhuǎn)矩。磁場(chǎng)定向控制建立在電動(dòng)機(jī)磁通幅值大小和角度的基礎(chǔ)上。由于這些變量不能直接測(cè)量到，所以使用計(jì)算模型來(lái)模擬異步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)磁通是通過(guò)實(shí)際測(cè)量值，如電機(jī)電流和速度等效變換而計(jì)算得到(如圖3所示)。該方法減少了響應(yīng)時(shí)間，能獲得與給定轉(zhuǎn)矩非常接近的轉(zhuǎn)矩，改善了低速運(yùn)行情況。

矢量控制給出非常迅速的磁通和轉(zhuǎn)矩響應(yīng) (對(duì)非磁通化電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間小于1s)，最佳地控制電機(jī)的電流。矢量控制使逆變器短時(shí)關(guān)閉后能迅速重建功率，無(wú)需等待電機(jī)內(nèi)的磁通完全消失后再工作。由于矢量控制法根據(jù)電機(jī)磁通來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，寬頻帶的調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)已建立磁通的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩由電流環(huán)路控制，降低了過(guò)流的可能性。該矢量控制以電機(jī)外部測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)。相電壓的測(cè)量由電隔離的傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器直接連接至逆變器的輸出端，用于控制和監(jiān)測(cè)的電流測(cè)量也在逆變器輸出端進(jìn)行。

3.4 牽引電機(jī)的主要參數(shù)

牽引電機(jī)是四極三相異步電機(jī)，型號(hào)為1TB2019-0GC02，是西門子公司橫向安裝的三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)能夠承受各種應(yīng)力并滿足IEC349-2和VDE 0535對(duì)軌道車輛的要求。它屬于允許工作在惡劣環(huán)境條件下的低磨損電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)，它應(yīng)能長(zhǎng)期工作僅需少量維修。

其主要尺寸數(shù)據(jù)如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)CRH3高速動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的主要控制功能作了較為詳盡的分析研究，該系統(tǒng)采用IGBT作為牽引逆變器的功率模塊，其控制方法與傳統(tǒng)的矢量控制有所改進(jìn)，降低了過(guò)流的可能性，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快。該系統(tǒng)將被用在滬寧、滬杭城際高速鐵路及即將通車的京滬高速鐵路的動(dòng)車上。