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浅析高压牵引变频系统在动车组中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-04-21   来源:青岛亚通达铁路设备制造有限公司;中车青岛四方机车车辆股份有限   作者:侯静;周海军   浏览次数:5715
动车组高压牵引变频系统主要用于控制牵引电机的电源。其结构简洁,包括整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等的主电路机器和无触点控制装置、控制电源等控制电路。本文以动车组高压牵引变频系统为例,主要结合动车组牵引变频系统结构和工作原理,对动车组牵引变频系统进行了简单的研究。
 1 引言


动车组因其舒适、高速、安全等特点而受到广大乘客的的青睐,目前已成为生产运输和客运专线的重要资源之一,2018年底我国高铁运营里程超过2.9万公里,占全球高铁运营里程的三分之二以上,超过其他国家的运营里程总和。2004年至2005年我国几大高铁制造商青岛四方厂、长春客车厂、唐山客车公司分别从加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子引进消化吸收,联合设计开发了CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH5型高速动车组。2016年由我国自行设计研制、全面拥有自主知识产权的中国标准动车组交汇速度创下世界新记录。


动车组高压牵引变频系统主要用于控制牵引电机的电源。其结构简洁,包括整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等的主电路电器和无触点控制装置、控制电源等控制电路电器。因此,动车组牵引变频系统主要性能的好坏直接影响到动车的安全运行。本文以动车组高压牵引变频系统为例,主要结合动车组高压牵引变频系统结构和工作原理,对动车组牵引变频系统进行了研究。


2 牵引变频系统的概述


动车组牵引变频系统主要用于控制四台牵引电机的电源。其结构简洁,整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等的主电路电器和无触点控制装置、控制电源等控制电路电器,均安置在一个箱体内的一箱体构造,从而缩小了安装空间。同时由于采用铝制框架力求达到轻量化的目的。


动车组高压牵引变频系统功率单元集中布置,考虑到其操作、维修方便,采用模块化设计。动车组高压牵引变频系统配置有两排气口的电动轴流式通风机,向功率单元冷凝器送风。真空接触器、继电器单元和无接点控制装置等集中布置,便于检修。例如半导体冷却装置分成脉冲整流器用两台,逆变器用三台的单元,分别具有互换性。另外,考虑密封性和检查方便,采用板簧式手动型夹紧装置。


半导体冷却装置和电动通风机等大型装置采用下部拆装的结构。小型控制单元内的各零部件可以采用不同厂家的产品,维修和检查时需要更换的控制单元,内部装置各自使用了独特的形式,但每个单元均在其结构和功能确保其互换性。
 

图 1   牵引系统构成图


电源由受电弓将单相交流25kV  50Hz的线电压,通过VCB与牵引变压器的一次侧绕组相连接。主电路由VCB来实施开闭。在牵引主变压器二次侧的两个牵引绕组、分别在一次侧绕组的励磁作用下感应出1500V(1次侧为25kV时)的电压,并输入牵引变频系统的整流器部分。

M1车•M2车上各自装载有一台牵引变流器,在牵引运行时向牵引电机提供电力和制动时进行再生制动控制,此外还具有保护功能。另外,以来自车辆信息控制装置的信息为基础,进行整流器间载波的相位差运行,以此来降低接触网电流的高次谐波。


牵引变频系统由单相交流变为直流电力的整流器部分和直流电流变为三相交流的逆变器部分、吸收电压波动获得直流定压的直流平滑电路(滤波电容器)部分构成。整流器·逆变器部分均采用了三电式结构,可进行精密的电压控制。作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT或IPW,能减小交流电压波形的失真,由此降低了牵引电机、牵引变压器的电磁噪声和转矩波动。


2.1整流器简述


整流器部分输入为变压器二次绕组侧输出的AC1500V、50Hz电压,由单相三级PWM整流器、交流接触器K构成。


通过无触点控制装置的(IGBT元件)控制,使输出的直流电压为2600~3000V定电压控制、牵引变压器1次绕组侧电压电流的功率因数1控制以及无触点控制装置具有保护功能。进行再生制动时,进行逆变换,以滤波电容器的DC3000V作为输入,向牵引变压器一侧提供AC1500V,50Hz的电源。作为输入侧的主电路闭合切断使用交流接触器K。


2.1.1整流器三电平PWM控制的简述


三电平整流器将由滤波电容器对直流电压分压取得的三级(正:+Ed/2,零,负:-Ed/2)电压输出到交流(牵引变压器)侧。


三电平整流器的调制方式由U相调制波ymU(U相电压指令)、正侧载波和负侧载波(三角形波)的大小关系,得到作为三级PWM信号Gsw取得+1,0,-1的信号。(为降低谐波,V相调制波ymV(与U相为逆相位)和V相载波ycV的关系也是同样地、与ycU错开180゚的相位。)

 

图2 三电平整流器调制方式


为降低接触网电流谐波,在同一单元内的M1车、M2车的两台整流器之间,将其载波相位错开-90°并且每个单元相位差也每隔-45°错开。


2.2逆变器简述


逆变器将滤波电容器电压作为输入,通过无触点控制装置的(IGBT元件)控制信号输出可变电压·频率的三相交流电压,控制四台并联连接的感应电机的速度·扭矩。再生制动工况时,以感应电机发出的三相交流电作为输入,向滤波电容器侧输出直流电压。


感应电机的控制采用矢量控制方式,独立控制扭矩电流及励磁电流来达到扭矩控制的高精度化、扭矩响应的高速化、提高电流控制性能。电路构成与整流器相同,采用3点式结构。


2.3直流滤波电容器工作机制


滤波电容器分立设置了两台整流器功率单元、三台逆变器功率单元,合计容量为8000μF。过滤电容器上连接有备用充电电路,启动时把充电电阻部分通过内置变压器从辅助绕组开始初期充电来防止K闭合时的过大突发电流。逆变器闭合时接入CHK,充电(约1秒钟)后CHK切断,然后接通K。

图3 滤波电容器备用充电电路

3 主变压器和牵引电机的简介


3.1 主变压器简述


动车组牵引变压器的2次绕组为2个独立绕组,每个绕组与一台牵引变流装置连接,确保2次绕组的高电抗和弱藕合性,牵引变换装置具有能稳定运行的特性。另外,为对应于每个2次绕组的增容,1次绕组配置了2个并联结构的线圈。为了减轻重量,1次,2次线圈采用了铝质线圈。1次绕组接地侧、2次绕组侧及3次绕组侧的绝缘套管采用了耐热环氧树脂将11根铜质中心导线注塑一体成形的端子板。相对于3次绕组侧的一端子使用并引出了2根中心导线。


3.2 牵引电机简述


3.2.1电机转子


动车组牵引电机作为车辆的构件,在结构设计方面不仅最大限度地追求轻量化,同时也追求保养的简易性。转子为牢固的鼠笼形状,该结构也适用于高速运转。为了确保转差率,转子导条(bar)采用电阻系数较大,强度足够的铜锌合金(红铜)。为了尽量减小运转过程中因温度上升而产生的热膨胀,短路环采用电阻系数较小的纯铜。此外,为了应对高速转动,还在短路环的外围设置了保持环。


3.2.1电机定子


为了追求轻量化,定子框采用以连接板连接铁心的无框架结构框,设有转向架安装凸头和安装座。定子框的两侧采用铝合金铸件(铝托架)制作部件,进一步实现了定子框整体的轻量化。铝托架的材质以及板厚都考虑到适应高速行驶。另外,铝托架的定子框安装部分,通过加强筋提高强度。和框一侧的装配,为了防止由于铁和铝热膨胀之差异而造成错位,采用双重装配方式。反驱动侧的铝托架,出于采用强制风冷方式的需要,采用在托架上部设置风道,在托架端面安装转动检测器箱的构造。在驱动采用上部安装端子箱的构造。




 

图4    牵引电机外观图


4 总结

 
动车组高压牵引变频系统是动车组的核心动力组成部分,科学、合理、实用的考虑其设计结构和工作机制,可以持续稳定运行,各组件采用模块化结构,各零部件具有良好的通用性和互换性。确保动车组安全性及可靠性,保证牵引变频系统安全运用。从而使动车组安全稳定的运营。

 

 
 
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