動車組多制式牽引傳動系統設計探討*

張 瑜，哈大雷，姜 雪，白 龍

（1 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

目前我國軌道交通領域采用的是25 kV/50 Hz交流供電系統和1 500 V 或750 V 直流供電系統，其中交流供電系統用于機車和動車領域，直流供電系統用于城市軌道交通領域，這2 種供電系統是相互獨立的。在國外，由于歷史發展原因，在很多國家以及地區并存著多種牽引供電制式。日本采用直流1 500 V、交流20 kV/50 Hz 和交流20 kV/60 Hz 等3 種牽引供電制式；美國采用12 kV/50 Hz、12 kV/60 Hz 以及2.5 kV/60 Hz 等3 種交流供電制式；南非采用25 kV/50 Hz 交流供電制式與3 kV 直流供電制式；歐洲地區同時擁有交流15 kV/16.7 Hz和25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和3 kV 等4 種 供 電制式［1-2］。

國家提出的一帶一路和高鐵走出去等發展戰略說明，研究適用于不同供電制式的動車組是具有重要意義的。

1 國內外研究現狀

1.1 幾種有代表性的電力機車

（1）西門子BR189 型多流制電力機車

車上配置4 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。該機車采用了Eurosprinter 多制式牽引變流器，其主電路結構如圖1 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍色箭頭所示為直流制式電路路徑。

（2）阿爾斯通PRIMA 3U15 型電力機車

車上配置3 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。該機車采用了ONIX 牽引系統，其主電路結構如圖2 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍色箭頭所示為直流制式電路路徑。

（3）龐巴迪TRAXX MS E186 電力機車

車上配置4 個受電弓，兼容的供電制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和 直流3 kV 等。 該機車采用TRAXX MITRAC TC 3000 系列牽引變流器，其主電路結構如圖3 所示。紅色箭頭所示為交流制式電路路徑，藍色箭頭所示為直流制式電路路徑。

1.2 多制式電力機車主電路的對比分析

1.2.1 多制式電力機車主電路結構的共同點

（1）主斷路器的設置。在多制式供電系統中需設置相對應的主斷路器，應用于供電回路中。交流供電系統主斷采用的是真空斷路器，直流供電回路則采用高速斷路器。同時處于安全接地方面的考慮，無論何種供電制式的主斷，均需要設置相對應的接地開關。

圖1 BR189 機車主電路拓撲

圖2 PRIMA 3U15 機車主電路拓撲

圖3 TRAXX MS E186 機車主電路拓撲

（2）弓網的匹配性。不同的供電制式應采用不同的受電弓，多制式機車采用與一般的電力機車大致相同的選擇原則，但具體應針對網壓、弓網特性和限值要求來全面考慮。

（3）制動方式。在直流供電制式下，設置制動電阻來實現列車的電制動，將由于電機制動而產生的能量不用回饋到電網上，直接在制動電阻上進行消耗。或者如果地面設有吸收裝置或鄰線車輛牽引時也可以吸收電制能量。這樣做可以避免迅速升高網壓，繼而影響列車的正常運行。

（4）避雷裝置。多制式機車處于交流供電制式下，采用雙避雷器的形式。一方面保護網側產生的過電壓，另一方面可以保護牽引變壓器側產生的過電壓。在直流供電制式下，不存在牽引變壓器，因此僅需設置直流避雷裝置，用于保護直流網側產生的過電壓。

1.2.2 多制式機車主電路結構的差異

（1）是否將牽引變壓器副邊繞組作為直流供電制式下的平波電抗器。這樣做一方面可以降低整車的質量，而且可以節省空間和降低成本。但同時需要大量的工作來優化作為平波電抗器使用的變壓器繞組的參數和性能，一定程度上提高了主電路電氣元件選擇的難度。

（2）是否在直流供電制式下的主電路中采用四象限斬波電路。四象限斬波電路的存在可以穩定中間側直流電壓，但在列車實際運行過程中，要求所有的四象限控制模塊全部處于工作狀態，因此會增大故障產生的概率，冗余性方面也較差；如果不采用四象限斬波電路，主電路結構得到進一步的優化，且降低了整個牽引變流器的成本以及設計難度，但也會提高牽引電機的設計要求，提高電機所要承受的電壓范圍。

文中在分析了多制式電力機車優缺點的基礎上，提出了動車組用多制式牽引變流器的主電路結構和供電制式切換控制策略等，并針對具體的切換問題提出相應的優化方法。

2 多制式切換控制電路結構及其控制方法

2.1 多制式牽引變流器主電路結構

AC 25 kV/DC 3 kV 多制式牽引系統電路采用兩點式電壓型交-直-交電路，原理圖如圖4 所示。電路工作原理如下：AC 25 kV 供電模式下，QS1、QS3 和QS6 閉合，QS2、QS4 和QS5 斷開，DC 3 kV 供 電 模 式 下，QS1、QS3 和QS6 斷 開，QS2、QS4 和QS5 閉合，QS1/QS2、QS3/QS4、QS5/QS6 分別為一對觸頭，一常閉一常開，觸頭機械互鎖。AC 25 kV 或DC 3 kV 通過各自的主斷路器VCB 后進入牽引變壓器，變壓器的副邊牽引繞組為兩重四象限提供電源，經過充電短接后，兩重四象限工作把中間直流電壓穩定在DC 3 600 V/DC 3 000 V給逆變模塊供電，兩重主逆變器輸出電壓及頻率可調的VVVF 電壓驅動牽引電機工作。同時，中間直流回路也需要給車載輔助變流器供電，產生380 V 交流電供給動車組上的中壓負載［3］。

圖4 多制式牽引變流器主電路結構

2.2 多制式切換控制方法

2.2.1 多制式切換控制方法的比較

傳統的供電制式切換方法及工作原理如圖5所示：

與列車過分相類似，不同制式之間的區域設置無電區，用于進行制式切換，設置磁鐵進行位置標定。列車上裝有2 個制式切換傳感器A 和B，用于感應軌道上設置的磁鐵。

（1）準備進入無電區前，傳感器A 感應磁鐵1，產生電信號導通相應繼電器，并作為反饋信號回送給控制器，繼而通過軟件撤銷交流主斷路器使能信號，斷開交流主斷，此時直流受電弓和直流主斷均不動作。

（2）進入無電區后，傳感器A 感應磁鐵3，導通繼電器，使車載控制器發出降弓指令，降下交流受電弓。傳感器B 感應磁鐵2，直流制式對應的控制器2 發出升弓指令，升起直流受電弓，此時直流主斷不動作。

（3）通過無電區后，傳感器B 感應磁鐵4，繼而控制器2 發出使能直流主斷閉合信號，最終閉合直流供電制式的主斷路器。

動車組在無電區時是惰性運行，無電區的設置距離應越短越好，但也應保證列車降弓、升弓的時間。傳統供電制式切換中，不同供電制式對應不同的用于制式切換的控制設備，但切換前后均只有一組控制設備處于工作狀態，設備利用率較低，控制電路冗雜且增加了動車組的質量。

為了解決這個問題，文獻［4］提出了1 種新型制式切換方法，該方法可以使動車組上只有1 套傳感器和控制器，具體切換過程如圖6 所示。

圖5 傳統切換方法

圖6 新型切換方法

（1）與傳統方法相似，準備進入無電區前，斷開交流主斷，直流受電弓和直流主斷均不動作。

（2）進入到無電區后，傳感器感應磁鐵2，導通繼電器，使車載控制器發出降弓指令，降下交流受電弓。同時，該控制器發出直流受電弓升弓指令，升直流受電弓但直流主斷不動作。

（3）通過無電區后，傳感器感應磁鐵3，控制器發出使能直流主斷閉合信號，最終閉合直流供電制式的主斷路器。

由上述切換過程可知，該方法使得只需設置1套控制器就可實現2 種供電制式的切換，也優化了牽引變流器本身的結構和控制軟件，因此該種方法更適用于圖4 所示的主電路結構中。

2.2.2 供電制式切換時牽引變流器控制流程

供電制式切換過程中牽引變流器側的控制流程如圖7 所示。將新型供電制式切換方法應用于多制式牽引變流器，應在列車TCU（牽引控制器）程序中編寫切換邏輯，按照切換控制流程設定接觸器指令時序，通過TCU 中板卡硬線信號來控制相應接觸器的導通和關斷，包括封鎖逆變器和整流器信號、控制短接接觸器、多極開關以及主斷路器等，即可實現供電制式的安全切換。

圖7 供電制式切換變流器控制流程

2.3 供電制式切換相關問題

（1）牽引變壓器副邊繞組

由圖4 所示，當供電制式由交流切換成直流后，牽引變壓器副邊繞組作為直流供電的平波電抗器使用。適當修改主電路結構，可以實現連接變壓器1 組或者2 組副邊繞組，這樣可實現不同的電感值。文獻［5-6］通過ANSYS 仿真軟件完成了不同數量繞組的電感值的計算及其磁場分析，確定了該方法的可行性，即在實際應用中根據不同的直流供電需求進行主電路優化。

（2）對電氣元件的影響

牽引變流器中包含了很多感性、容性以及開關器件，而供電制式切換過程勢必伴隨著電壓和電流的突變，因此對其過渡過程的分析是十分必要的，多制式切換動態響應對變流器器件的選型也具有一定的指導意義。

3 多制式傳動系統切換過程暫態分析

3.1 交流供電切換到直流供電

動車組從交流供電網進到無電區后，首先會斷開車上的牽引負載，使得該牽引單元的變壓器處于空載狀態。通過TCU 軟件控制斷主斷后，變壓器被切除。但由于供電回路中的感性負載的存在，供電電流的突然斷開勢必會產生短時的過電壓。過高的過電壓、很大程度上對高壓器件的絕緣產生影響。并且原邊繞組上的過電壓會反作用于接觸網，使其工作于異常狀態［7-8］。

3.2 直流供電切換到交流供電

由于牽引變壓器副邊繞組在直流供電制式下作為平波電抗器使用，當直流制式切換回交流制式并合上交流主斷時，鐵芯磁通不會突然減小，因此空載變壓器會有大量剩磁存在，感性元件工作于磁化曲線非線性區域，勢必會產生一定的沖擊電流，該電流被稱為勵磁涌流［9-10］。

涌流電流的大小與電壓的初始相位角和變壓器剩磁大小均有關，當初始相位角為0°時，電流最大，相位角為90°時，電流最小。

涌流電流中含有大量的高次諧波，會導致電流最大值超過額定電流值的10 倍，且供電制式切換過程中產生的暫態諧波分量會產生強烈的電磁干擾，嚴重影響牽引供電設備和供電網絡。

基于此分析，有必要對暫態過程產生的諧波分量進行抑制，以滿足供電系統以及電氣部件電磁兼容性的要求。文獻［11］提出在交流過渡區設置感應濾波隔離變壓器，用來限制多制式列車在交流接觸網合閘時的諧波電流并且有效地隔離電流中的直流分量，感應濾波隔離變壓器設置如圖8 所示（TS 即為感應濾波隔離變壓器）

圖8 無電區隔離變壓器單元電路圖

圖9 四象限變流器等效電路圖

該項技術將網側電源與諧波源隔離開，實現了系統的穩定性和良好運行，提升了逆變器關斷角裕度，降低逆變器換相失敗概率等。但該種方法需要設置新的變壓器，增加了質量，降低了動車組的空間利用率。

由勵磁涌流原理可知，改變變壓器合閘角也具有一定抑制效果，但需要提前確定剩磁的大小，應用起來具有不小的難度。

結合了變壓器勵磁震蕩原理［12］，針對動車組應用的實際需求，提出了新型變壓器涌流電流抑制方法。即適當控制變流器中的四象限整流，即選取合適的控制器參數，其直流側可以等效為一個電容，而在無電區時，交流側可以等效為一個電感和電阻，如圖9 所示。

對于如圖9 所示的二階系統來說，由于電阻的存在，切換過程產生的電流的幅值會不斷衰減，達到了去磁的目的。隨著電流的變化，變壓器的剩磁能量也會衰減，去除剩磁后就可達到抑制涌流的目的。

該方法在實際多制式動車組上得到了應用，取得了較好的涌流電流抑制效果。

4 多制式傳動系統切換保護點設置及相應的保護策略

一種新技術在軌道交通領域應用，最重要的是要考慮安全性方面的要求，因此多制式切換控制要在列車上應用的話，在原有列車牽引系統保護點的基礎上，應針對有可能的新故障點設置檢測與保護，使得此項技術得到絕對安全的應用。

4.1 過電壓保護

第3 節的切換過程暫態分析中指出，多制式列車在由交流制式切換到直流制式過程中，會產生過電壓現象。實際車組上，該電壓持續時間不長且能量也不大，但是電壓幅值卻很高，所以實際應用中采用非線性電阻或氧化鋅避雷設備來限制過電壓。

除了上述措施外，基于對變流器側電氣元件的保護目的，變流器控制軟件也應對過電壓設置保護。TCU（牽引控制器）實時采集中間直流側電壓，軟件中采用du/dt控制方法，即設置直流電壓變化率監控，來判斷出短時過電壓的產生。同時也對直流電壓的幅值設置限制，如電壓變化率或者電壓幅值超過限制，變流器會立即報出故障并進行相應電氣元件的保護。算法流程如圖10 所示。

圖10 過電壓保護策略

4.2 直流切換交流的涌流電流保護

第3 節分析中指出，多制式列車在由直流制式切換到交流制式過程中，會產生浪涌電流，增大電流諧波。除了上文中提到的抑制勵磁涌流的方法外，實際應用中還應對交流側的電流設置保護點，使浪涌電流的幅值不能超過限制，確保電氣元件的安全。

同樣地，TCU 中的采樣板卡也實時采集直流回路電流值，列車高壓單元會發給TCU 實時網流值?？刂破鬈浖鶕杉降碾娏髦颠M行限值判斷，如超出限值，則立即報出故障并進行電氣元件保護動作，具體流程如圖11 所示。

圖11 涌流電流保護策略

4.3 交流切換直流的元件保護

供電制式由交流供電切換到直流供電后，四象限整流器處于不工作狀態，在實際運行中應將其完全隔離開，規避其與直流制式供電下牽引變流器的相互影響。因此，應對切換四象限整流電路的隔離開關QS 進行保護設置，確保列車牽引系統在直流供電制式下對四象限整流電路的完全隔離。TCU 實時監控QS 接觸器反饋的閉合狀態，如與指令不一致，則立即報出故障并進行電氣元件保護動作，具體如圖12 所示。

圖12 四象限整流電路隔離開關QS 保護策略

4.4 過熱保護

多制式切換控制方案是將牽引變壓器副邊繞組作為平波電感器進行復用，在切換過程中會產生浪涌電流與諧波，而諧波電流會增大繞組的發熱，進而影響牽引變流器的穩定運行，產生安全隱患。因此應在牽引變壓器副邊繞組上進行溫度采集，TCU 軟件中設置過熱故障保護，確保牽引變壓器的安全正常工作，具體流程如圖13 所示。

5 結 論

將多制式供電系統控制技術應用于動車組領域，針對一種應用于動車組上的25 kV 交流供電和3 kV 直流供電的新型多制式牽引變流器的主電路結構、多制式切換控制方法以及控制問題進行了論述。重點分析了多制式切換的暫態過程以及不同于傳統牽引變流器的問題并給出了解決方案。最后從軌道交通領域安全要求入手，為了更好的利用多制式切換技術，在牽引傳動系統中增加了4個故障檢測點及相關保護策略，并進行了探討，對多制式牽引傳動系統的設計具有一定的指導意義。

圖13 變壓器副邊繞組溫度保護策略