CRH2 和CRH1 型動車組牽引變流器性能比較與優化

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

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”的牽引集成單元構成了全列“四動四拖”結構。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獲得電能，經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繞組相連接，VCB 控制其牽引電路開閉。牽引變壓器的結構是由二次繞組及2 個線圈組成，一次電壓為25 kV 時，通過繞組二次側電壓轉換為1500 V；另外還有輔助繞組，通過輔助繞組二次側電壓為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，能單獨控制相應各M 車的動力輸出。基本單元部分可以用周期控制的VCB 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，該電機在驅動模式下將電能轉換為機械能，并在制動期間將機械能轉換為電能。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 部分構成：電網側變流器（LCM），中間直流元器件，電機側變流器[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構特性

（1）主電路。主電路系統通常以2 輛車為1 個動力單元，主電路系統電源是單相交流電，由受電弓引入。牽引變壓器一次側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外，它還具有根據車輛運行信息進行控制并實現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為直流電力的整流器部分、直流電流變為三相交流的逆變器部分、吸收電壓波動獲得直流定壓的直流電壓電路（濾波電容器）部分構成。由于整流器、逆變器可進行精密的電壓調節控制，作為主電路的半導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，以感應電機發出的三相交流電作為電源輸入，向濾波電容器側輸出直流電壓。

（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構看上去相似，但實際在主電路的拓撲結構和相應的控制策略方面存在很明顯的區別。中國的鐵路供電網絡一般采用的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的交流900 V 轉換成直流1650 V，通過逆變器轉換成三相交流電。而CRH2 動車組牽引所使用的轉換器，是將使交流1500 V電壓轉換成直流3000 V 電壓，經過逆變器變轉換成三相交流電。其主要參數見表1、表2，可以系統清晰地觀察到兩種不同結構的差別所在。

表1 兩種牽引變流器結構對比

表2 兩種牽引變流器電氣參數對比

2.3 CRH1 和CRH2 型動車組牽引變流器優缺點

（1）網側變流器。CRH1 動車組電網側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 個電網側轉換器的觸發脈沖也偏移一定角度。該結構同時消除了輸入轉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，如果轉換器發生故障，系統可以不受其干擾，繼續可靠地運行。但由于轉換器處于兩個電平的機構特性，因此在運行中，往往還存在系統容差，其產生的諧波也難以去除，因此網側必須裝有消除諧波的模塊，以減少諧波對電網造成的沖擊。由于出現故障現象時該部分電路會斷開，大大降低了車側電網轉換器的高次諧波抑制功能。CRH2A 動車組電網側轉換器是使用載波相移調制的三電平四象限脈沖整流器[3]。電網側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，并且電網側的功率因數幾乎為100%。但其缺點也比較突出，主要表現為控制方法繁瑣，電路結構復雜，中點電壓不平衡等特點。

（2）中間直流環節。CRH1 動車組的中間直流結構包括1 個二次諧波濾波電路，該電路由4 個串聯連接的電容器和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量。像CRH2 的中間DC 電路一樣，它包括支持電容器、預充電電路和再生漏極電路等，區別在于CRH2 動車組中間DC 電路不存在二次諧波電路，通過調整脈沖整流器可以降低或消除諧波，有效節省了設備空間占有率，使動車故障檢測和維護都變得簡單易操作。

（3）電機側變流器。CRH1 動車組電機側變頻器是兩電平三相逆變器，其優點是結構簡單，并且可以輕松實現電壓、頻率的調節和控制，從而實現了負載電機的轉速和扭矩。在再生制動期間，由于電機會產生三相交流電，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、對電網側沖擊比較大等特點[4]。CRH2動車組的電機側轉換器是兩電平三相逆變器，其輸出電壓為三級。優點是電能紋波小，電能質量高，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，電橋結構使每個電橋臂的功率管數量都增加了一倍，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定了直流側。其缺點是結構復雜、邏輯程序繁瑣，功率管數量的增加為故障診斷和狀態監測帶來了一定困難。

3 牽引變流器主電路優化

綜合比較上述高速動車組牽引變流器的主電路結構特點，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成熟度等，可以針對牽引變流器的主電路做如下優化，改善性能：①主電路采用成熟的兩電平結構，采用2 重四象限＋2 重逆變器的結構可以改善電網側的諧波性能，并且1 個逆變器模塊驅動同一轉向架上的2 臺牽引電機，有助于同時實現車控與架控；②充電電路采用雙充電接觸器+充電電阻的結構，結構簡單，同時提高了系統冗余度；③中間直流回路具有次級諧振回路（可以根據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采用主電路和結構主輔一體化設計，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，重量輕，體積小；⑤牽引變流器箱中高度集成了牽引變流器、冷卻系統、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節，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節，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 結束語

從動車牽引系統組成出發，引出牽引變流器在動車組牽引單元中所占據的重要地位和其實現的重要功能，具體介紹了牽引變流器的一般結構。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構和不同的功能特性，對比了它們的優缺點，并在最后對牽引變流器的主電路結構設計如何進行優化提出了可行的建議。