高速列車牽引控制系統兼容性技術研究＊

杜會謙，姜東杰，王師昂

（唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山064000）

我國成功完成了 CRH1、CRH2、CRH3、CRH54種車型高速動車組的國產化批量生產和在多條線路上的廣泛運用。因此采各家技術之長，進行牽引控制系統兼容性研究，并實現不同技術體系牽引控制系統的兼容，將為我國打破國外技術封鎖，塑造自主品牌奠定良好基礎。

1 牽引控制設計

以CRH3型車為平臺，進行高速列車牽引系統兼容性研究設計。CRH3型車牽引變流器為兩電平，功率模塊采用兩并聯的600 A／6．5 k V IGBT，中間直流環節電壓高，相比之下日系變流技術具有大電流、低電壓的特性，功率模塊采用三并聯的900 A／4．5 k V IGBT，根據該IGBT技術參數及工程設計經驗，牽引變流器的中間直流環節電壓值VD通過式（1）計算得到：

其中ΔV＝K·最大斷開電流 （K可通過試驗得知）＝K·過電流設定值·公差

根據IGBT元件的特性，ΔV取為700～800 V，VD＝3 200～3 300 V，考慮直流電壓15%～20%的波動，直流環節電壓 應該控制在2 600～2 700 V。逆變器最大輸出線電壓VOUT為：

為滿足技術要求，同時結合電機特性，要達到啟動轉矩3 000 NM，電機啟動電流約為320 A，4臺電機并聯運行，牽引變流器的IGBT模塊是900 A／4．5 k V三并聯，持續電流可達2 700 A，通過式（3）知，選擇的IGBT模塊滿足設計要求。

在牽引變流器輸入側，四象限變流器4QC的整流會產生大量的二次諧波，對于直流環節的支撐電容，吸收高次諧波的特性好，對于二次諧波基本沒有濾波作用，所以傳統的做法是設計一個特定諧波濾波器，也稱串聯諧振電路，濾除二次諧波。而本次設計沒有采用增加硬件電路來解決這個問題，而是采用軟件算法消除了二次諧波的影響，具體實現方法就是通過直流環節的電壓互感器檢測得到二次諧波電壓的幅值與相位，在二次諧波的負半軸，相應的增加脈沖的寬度，在二次諧波的正半軸減小脈沖的寬度，實現電壓×時間為既定值，調整脈沖觸發時間，達到想要得到的輸出電壓，如圖1所示。這種方法不但減少了硬件電路，而且還有效利用了二次諧波的能量，提高了牽引變流器的效率，減小了電機轉矩脈動，如圖2所示。

圖1 無差拍控制算法

2 牽引變壓器的兼容性設計

圖2 無差拍控制結果

對于動車組牽引變壓器，日本多采用殼式變壓器，體積較小，但各牽引繞組存在一定耦合，互感一般小于自感的15%。歐洲牽引變壓器多采用芯式、全分裂結構，各牽引繞組之間能夠完全解耦，即互感為零［1］，這樣更便于四象限變流器的控制，同時也能減小牽引繞組的電流波動。

在四象限變流器的控制設計中，開關頻率由原來的350 Hz提高到450Hz，這樣不僅降低了變壓器原邊電流畸變率，還可以減小二次諧波電流，而且還可以把牽引變壓器短路阻抗做的更小，有效的降低了變壓器成本［2］。圖3是通過試驗得到的變壓器輸出電流波形，從圖中可以看出四象限變流器輸入電流負荷分配均勻，偏差在5%以內。

圖3 四象限變流器輸入電流

每個牽引變壓器都有4個輸出繞組，為兩個牽引變流器供電，每節動車上的牽引變流器有兩個四象限變流器和一個逆變器組成，如果動車組共有16個四象限變流器，為了減小電流的諧波分量，整列車的所有四象限整流器按相互位移11．25°進行調制，這樣做的結果，相當于提高了牽引變壓器一次繞組中供電接觸網中的等效開關頻率［3］。在四象限變流器中采用SPWM技術，會產生大量的高頻諧波成分：

式中ωc為載波頻率；ω基波頻率。M 和N 均為整數，M＋N為一個奇整數［4］。通過載波相位差控制可以降低部分諧波，如上所述，根據整列車四象限整流器的個數，推算出可以消除8ωc倍的高次諧波，圖4為模擬計算結果。，數，進行了等效干擾電流的計算，在牽引正常的情況下，干擾電流值小于1．5 A，符合TB／T 2517標準的規定。

圖4 電流高頻模擬計算結果

3 牽引電機的兼容性設計

由于逆變器輸出最大電壓由歐系平臺的2 800 V降低到日系平臺的2 100 V，在保證牽引電機輸出功率不變的情況下，必須增加電機電流，電流增加會帶來電機磁飽和、溫升等一系列問題，所以要對原電機進行優化設計，以適應日系牽引變流器的低電壓、大電流特性。

CRH3型車的牽引電機是三相4極異步感應電機，在主結構保持不變的情況下，通過減少繞組匝數，增加繞組導體截面積，增加冷卻風量，采用高磁感硅鋼材料等措施對原電機進行改進，同時還對電機的絕緣結構進行了優化，來滿足大電流特性的要求。在V／F特性曲線不變的情況下，由于勵磁電流的增加，通過減少繞組匝數，即減少電機的磁化電感Lm，來保持氣隙磁密與原型電機相當，公式（4）、公式（5）說明了以上機理。

牽引電機定子匝數的減少更有利于電機的散熱，降低軸。緣結構，改善導熱性，增強了散熱效率。繞組導體截面積的增加使得新設計的電機與CRH3型電機定子電流密度保持相當，發熱因數稍低于CRH3型電機。

圖5和圖6是對上述設計方案進行的模擬計算結果。從圖5看電機的溫度場分布滿足牽引電機絕緣壽命的要求。圖6是電機在額定負載時的磁場分布圖，電機的磁通密度與CRH3電機相當。

圖5 牽引電機溫升模擬分析結果

圖6 牽引電機電磁場模擬分析結果

4 地面聯調試驗

在完成了牽引系統的兼容性設計和牽引設備的試制后，進行了牽引系統的地面聯調試驗。聯調試驗由25 k V／50 Hz電源、斷路器、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機、飛輪等設備組成，利用飛輪模擬傳動負載，進行了牽引變流器控制參數匹配、牽引特性、制動特性等試驗，試驗結果如圖7、圖8所示。

其中黑色曲線為試驗結果，灰色曲線為設計值，可以看出試驗值與設計值基本是吻合，在牽引工況下，低速區電機轉矩稍大于設計值，電機啟動轉矩大，滿足合同要求，只是在高速區末端，電機電流稍微變大，這是因為當電機超過額定頻率運行時，效率有所下降造成的，。工況，由于減少了齒輪傳動裝置的效率，所以在額定電壓、電流的情況下，使得電機轉矩比設計值稍大，完全滿足列車對電制動功率的要求。

圖7 牽引特性試驗結果

圖8 電制動特性試驗結果

5 結束語

試驗結果驗證了本牽引系統的兼容性設計是成功的，通過對采用歐洲技術的牽引變壓器和牽引電機的兼容性設計，成功的使它們與日系的低電壓、大電流的變流設備相匹配，優化了電氣性能，降低了設備成本。同時這種低電壓、大電流的PWM變流器有效的降低了，減小了共模耦合電流，降低了共模干擾，也改善了電機絕緣性能。

［1］李 偉，張 黎．交流傳動電動車組變壓器牽引繞組互感對網測變流器的影響［J］．中國鐵道科學，2005，（10）：6－7．

［2］鄒 仁．四象限變流器瞬態電流控制的仿真研究［J］．機車電傳動，2003，（6）：24－26．

［3］丁榮軍，黃濟榮．現代變流技術與電氣傳動［M］．北京：科學出版社，2009．

［4］B K Bose．Power Electronics and AC Drives［M］．Prentice Hall，New Jersey，1986．