CRH3高速動車組交流傳動系統分析

朱幗蓉 上海鐵路局科研所

CRH3高速動車組以德國ICE-3列車改進的。ICE的全稱是Inter City Express，即城際快車。該車采用的交流牽引系統，是德國西門子公司用于客運車輛（地鐵、城軌）及長途客車（電傳動內燃機車、電力機車）的VVVF交流傳動系統，主要有三部分：

(1)SIBAS 32 system牽引電子控制單元。使用32位微處理器的西門子Bahn Automatisierungs系統，進行列車牽引和電力傳動中調制和邏輯控制功能。也包含了整個車輛控制單元的信息處理。同時集成了車輛診斷系統和提供調試和維護幫助的系統。滿足IEC 60571與EN 50155的標準要求，并符合EN 50121－3－2中規定的電磁兼容條件。

(2)四象限斬波器進行整流與反饋和IGBT組成電壓型脈寬調制三相橋式逆變器。

(3)560 kW自通風三相鼠籠式牽引電機。

1 列車牽引特性綜述

1.1 概述

列車編組：8車 EC08-TC07-IC06-FC05-BC04-IC03-TC02-EC08

16車 2列8車聯掛

EC： 帶駕駛室牽引逆變器的動車

TC： 帶變壓器和單輔助逆變器的拖車

IC： 帶牽引逆變器的動車

BC： 帶餐廳雙輔助逆變器的拖車

FC： 帶頭等座和雙輔助逆變器的拖車

1.2 列車工作情況

最大速度：380 km/h

電源電壓：27.5 kVAC變2×1 550 VAC進變流器輸入（變化范圍：1 085 VAC～1 922 VAC）

輔助電源：三相400 V AC 50 Hz 160 kVA

低壓電源：110 VDC 電源（變化范圍：77 VDC～138 VDC）

1.3 牽引與制動

最大加速度：啟動加速度為0.5 m/s2，0～200 km/h平均加速度0.38 m/s2

最大沖動率：0.75 m/s3

車輪直徑：920 mm（全新）～830 mm（全磨損）

減速箱傳動比：2.788/1

減速箱的機械損耗：3%（最大估計值）

緊急制動：

氣電混合制動300 km/h～200 km/h減速度a3=0.9265 m/s2；200 km/h～80 km/h

制動力 a2=1.1364 m/s2；80 km/h～0 km/h制動力 a1=1.048 m/s2。

常用制動：最大達到1 m/s2共分8檔（電與氣混合制動）

2 主電路的分析研究

2.1 主電路工作原理

主電路工作原理見圖1。

圖1 牽引系統主電路原理圖

牽引逆變器是三相電壓型。接觸網上27.5 kV/50 Hz單相交流電由變壓器變成2組1 550 V/50 Hz交流電。通過單極斷路器和預充電電路（在接通期間）連接到兩個并聯四象限斬波器4QC模塊（每個模塊為一個半橋）給直流回路供電。直流回路電容器、諧波吸收電路、接地故障檢測和保護模塊位于直流回路內。經脈寬調制逆變器將直流電源變換成三相變頻交流輸出電源，供給三相異步牽引電機。四象限斬波器4QC模塊其任務是將單相交流輸入電壓轉變為直流電壓，并控制直流回路之間的能量流。四象限斬波器表示在牽引及制動時，電壓UST和電流 IN之間的相角是可以自由調整的。通過電壓和電流之間相角的控制，可以獲得四個運行象限。進行再生能量的反饋(見圖2)。

圖2 四象限斬波器原理圖

預充電單元由預充電接觸器和電阻器VLW構成。在逆變器投入運行時，逆變器的DC回路電容器先在預充電單元上充電，然后斷路器閉合。這可降低突然接入電容器上初始沖擊電流。當主斷路器要求打開時它處于無電流條件下才能斷開。DC回路電容由4×0.75 mF電容器構成，總共3 mF。諧波吸收電路，由電容器CSK和和一個外部扼流圈LSK構成（不在牽引變流器的內側）。其分兩次過濾輸入電壓導致的DC回路中的波動。諧波吸收器的電容容量共有Cn=4.5 mF。

2.2 主電路特點的分析

電阻制動控制器包括與電阻串聯的IGBT。制動電阻Rmub安裝在地板下、牽引逆變器箱外部，在制動時，來自電機的能量將提供給DC回路。讓電阻吸收來自中間電路不能反饋到接觸網的能量。制動電阻器由分開安裝的三相風扇強制風冷。制動電阻器有一個熱量監視裝置，提供超溫報警。超溫裝置的輸出由牽引控制電子單元(CCU)監視。Rmub電阻的另一個作用是對直流回路的過壓保護，線路電壓超過3 600 V時觸發保護，限制電壓的上升。

接地故障檢測由分壓器，差動放大器構成。連續放電電阻分成99 kΩ：34 kΩ比的兩個部分，當出現接地故障時，測量電壓改變，逆變器的TCU（牽引控制單元）得到接地故障信息。

3 VVVF牽引和制動逆變器系統的分析研究

3.1 VVVF逆變器的一般技術參數

牽引逆變器為四個牽引電機 (亦即：兩個轉向架)提供變頻變壓(VVVF)電源。牽引逆變器的參數為：

輸入電壓

牽引時：2 700～3 600 V D.C；

制動時：2 800～3 600 V D.C；

IGBT 開關頻率 460 Hz(最大)；

逆變器輸出最大相電流峰值 880 Ar.m.s；

輸出頻率 0～200 Hz；

輸出電壓 0～2 500 V A.C；

持續輸出功率 牽引時2 383 kW；制動時1 843 kW。

3.2 逆變器脈寬調制的控制策略

在低頻段采用異步調制方式，載波頻率相對提高，改善輸出特性對稱性。中頻段采用分段同步調制方式，輸出三相波形嚴格對稱。高頻段采用方波輸出，使輸出效率最高。

為了使逆變器的性能達到最佳并且減少諧波，用增加逆變器的頻率來改變PWM的類型。不同的PWM類型如下：

異步相交的PWM--這些PWM波形由調制的正弦波（表示逆變器要產生的電壓）和"鋸齒"載波產生。

同步相交的PWM--這是異步相交的PWM的一種特殊情況，其中載波與調制波同步，以減少3RD（第三）和5TH（第五）諧波。

全波--這些PWM的波形具有相等的導通和關斷時間，以較低的逆變器損失產生最大的電機電壓。

輸出脈沖驅動器應被設計成以便產生的脈沖寬度不超過逆變器的最小導通時間11 s，最小關斷時間11 s和間隔時間（無電壓的）10 s的限制值。

3.3 牽引電機的控制方法

圖3 矢量控制示意圖

電機由脈寬調制(PWM)電壓源逆變器供電。逆變器使電機能得到平衡三相電壓，并且電壓的幅值和頻率均可調整。電機控制采用包含磁場定向控制的矢量控制方法用來靜態地和動態地精確控制轉矩。磁場定向控制建立在電動機磁通幅值大小和角度的基礎上。由于這些變量不能直接測量到，所以使用計算模型來模擬異步電機的內部結構。電動機磁通是通過實際測量值，如電機電流和速度等效變換而計算得到(如圖3所示)。該方法減少了響應時間，能獲得與給定轉矩非常接近的轉矩，改善了低速運行情況。

矢量控制給出非常迅速的磁通和轉矩響應 (對非磁通化電機的響應時間小于1s)，最佳地控制電機的電流。矢量控制使逆變器短時關閉后能迅速重建功率，無需等待電機內的磁通完全消失后再工作。由于矢量控制法根據電機磁通來調節逆變器輸出電壓，寬頻帶的調節器實現已建立磁通的轉矩控制。轉矩由電流環路控制，降低了過流的可能性。該矢量控制以電機外部測量結果為基礎。相電壓的測量由電隔離的傳感器實現，傳感器直接連接至逆變器的輸出端，用于控制和監測的電流測量也在逆變器輸出端進行。

3.4 牽引電機的主要參數

牽引電機是四極三相異步電機，型號為1TB2019-0GC02，是西門子公司橫向安裝的三相鼠籠式感應電動機。該電機能夠承受各種應力并滿足IEC349-2和VDE 0535對軌道車輛的要求。它屬于允許工作在惡劣環境條件下的低磨損電機。根據設計，它應能長期工作僅需少量維修。

其主要尺寸數據如下：

4 結束語

以上對CRH3高速動車組牽引系統的主要控制功能作了較為詳盡的分析研究，該系統采用IGBT作為牽引逆變器的功率模塊，其控制方法與傳統的矢量控制有所改進，降低了過流的可能性，使電機轉矩響應更快。該系統將被用在滬寧、滬杭城際高速鐵路及即將通車的京滬高速鐵路的動車上。