永磁直驅(qū)160 km/h動力集中動車組動力車電傳動系統(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

時速160 km/h動力集中動車組自上線運營以來取得了較大的社會反響和經(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)客運機(jī)車的試制，以及部件和整車的試驗情況，中車大同電力機(jī)車有限公司研究院積累了大量的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，將永磁直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用于動力集中電動車組平臺上，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。

1 電傳動系統(tǒng)電路組成

永磁直驅(qū)160 km/h動力集中動車組動力車電傳動系統(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向三個PWM逆變器（其中包括一個輔助逆變器和兩個主逆變器）供電，每個主逆變器向一臺牽引電機(jī)供電，再生制動時能量反饋回電網(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，可切換至另一路正常運行。軸端接地裝置用于主變壓器原邊的回流，確保動力車可靠接地，同時可保護(hù)電機(jī)軸承不受電蝕[3]。

1.1.2 網(wǎng)側(cè)檢測

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量器件，用于向控制系統(tǒng)和TCU提供檢測到的網(wǎng)側(cè)電壓、電流信號，從而進(jìn)行判斷并在必要時斷開主斷路器以保護(hù)動力車。

1.1.3網(wǎng)側(cè)保護(hù)

當(dāng)動力車發(fā)生故障需要停止從接觸網(wǎng)取電時，可通過斷路器主斷來實現(xiàn)。避雷器用于抑制動力車運行時的雷擊過電壓和操作過電壓。用于在當(dāng)工作人員作業(yè)時，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

牽引變流器在時速160 km/h動力集中動車組動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)。

牽引變流器對單個轉(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)計有隔離接觸器，由于永磁電機(jī)會產(chǎn)生較高的反電動勢，對中間回路部件造成損害，可以通過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)

動力車采用的是永磁直驅(qū)同步電動機(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)通過端面齒傳力盤與輪對空心軸聯(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)在電傳動系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢

160 km/h動力集中動車組電傳動系統(tǒng)中應(yīng)用了永磁直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢如以下幾點[5]：

2.1 效率優(yōu)勢

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

圖4 異步電傳動系統(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)有以下幾個優(yōu)點：

1）無勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)；

2）定子銅耗相對較小，轉(zhuǎn)子無銅耗，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）啟動轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)振動小。

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→報廢的整個過程。通常機(jī)車的檢修維護(hù)費用占整個機(jī)車全壽命周期費用的66%～88%，是購置費的3～8倍，因此對機(jī)車檢修維護(hù)費用進(jìn)行有效地控制可極大地降低全壽命周期成本，是評判軌道交通運輸裝備的重要指標(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)，延長了檢修時時；機(jī)車的走形部會因齒輪箱的漏油而導(dǎo)致污染，從而影響動車組的運行線路；動車組回段檢修時，需要補充大量的潤滑油，增加了動車組的運行成本；機(jī)車正常運行時主、從牽引齒輪的磨耗非常小，若齒輪箱發(fā)生潤滑油泄漏且長時間得不到補充時，齒輪間的磨耗會加劇，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致齒輪報廢。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題。

而永磁電機(jī)在動車組上的應(yīng)用，由于齒輪箱的取消，只需采用定期對永磁電機(jī)進(jìn)行檢修維修即可，大大降低了動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自于齒輪箱的運行，特別是在機(jī)車高速行駛時。因此齒輪箱的取消，可以大大減少噪聲的來源，提高動車組運行的舒適性。

3 結(jié)語

通過對永磁直驅(qū)160 km/h動力集中動車組動力車電傳動系統(tǒng)的分析，掌握了動力車交流傳動系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工作過程，為動力組的運營和檢修提供可靠的技術(shù)支持。