交流電力機車電傳動系統匹配分析

李 輝，顏 罡，張振華，李先嶺

(南車株洲電力機車有限公司技術中心，湖南株洲412001)

0 引言

我國大力發展以交流傳動為顯著特點的軌道交通裝備。交流傳動電力機車以“和諧號”為代表，主要用于貨運/客運運輸，具有單軸功率大，控制系統技術領先，運行可靠等諸多優點。在國家各大鐵路局甚至是國有地方鐵路都先后得到應用，在各地承擔著重要的運輸任務。因此，對電力機車牽引系統牽引控制方法以及電氣匹配的分析和研究具有重要意義。

1 牽引變壓器與主變流器的匹配

1．1 牽引變壓器

牽引變壓器將網側接觸網高壓電經過隔離變壓后輸出到牽引繞組，為主變流器提供電能。在設計時，在安裝尺寸、體積滿足總體要求的前提下，主要應考慮以下幾個方面。

1.1.1 額定容量選擇

按照常規計算方法，主變壓器額定容量應包括輪軸牽引功率的折算值、輔助系統的折算值、列車供電系統折算值以及變壓器損耗等方面，但實際容量往往低于以上計算值。

1)限于機車安裝空間和自重，較大的容量往往帶來較大的體積和重量，設計難度大且很不經濟。

2)機車額定容量的確定主要是基于繞組溫升的考慮，因機車運行一般不會長期工作在額定功率工況下，繞組溫升一般不會太高，所以，在設計時可以考慮在計算值的基礎上有所降低，但是，必須根據機車配屬機務段的不同運行區間進行溫升校核。

3)機車輔助供電系統和列車供電系統在折算容量時，可按照實際輸出的有功功率考慮，且可根據不同負載的工作頻繁度進行相應調整。

4)主變壓器的過載能力與繞組溫度有關，環境溫度較低時的過載能力往往大于溫度較高的區域，所以在年平均氣溫較大的區段，主變壓器容量確定可稍有降低。

5)主變壓器的損耗在參數設計時一般不去考慮，在主變壓器的自身技術設計階段時會考慮預留該部分余量。

6)在某種難以調和的狀態下，變壓器可通過選用更加優質的材料進行設計，但往往成本會較大程度上浮。

1.1.2 變比確定

主變壓器的變比確定主要涉及與主變流器的參數匹配。對變流器而言，牽引繞組輸出電壓越高，額定功率下的輸入電流就會越低，較低的電流可以降低四象限整流器的負擔。但并非越大越好，該值受到變流器中間回路恒定電壓的限制。

1.1.3 短路阻抗

短路阻抗(主要指漏電感)是交流傳動電力機車主變壓器設計中的一個重要參數。該阻抗的作用包括:平波和升壓電感。

1．2 主變流器

整車電氣方案的設計時，它與主變壓器的匹配主要涉及主變流器的四象限整流部分、中間直流環節等兩個主要環節，其三相逆變部分主要與牽引電機匹配相關。

1．2．1 四象限整流部分

國內“和諧號”電力機車主要包括三個系列，即:株洲電力機車有限公司生產的HXD1系列;大同電力機車有限公司生產的HXD2系列;大連機車車輛有限公司生產的HXD3系列。整流環節均采用了電壓型單相橋式四象限整流結構，實現網側電壓和電流的四象限運行，做到能量的雙向傳輸。即:整流系統工作在牽引工況時，電壓、電流運行在1、3象限;整流系統工作在再生制動工況時，電壓、電流運行在2、4象限;電流相位與牽引時相比相差180度。該結構在穩定輸出電壓的同時，保證輸入端網測電壓和電流功率因數接近于1(再生制動時為－1)。

在整車電氣方案的設計階段，主變壓器與主變流器的配合主要也是在于與四象限整流的配合。主要包括:變壓器變比與變壓器短路阻抗。

1)變壓器變比:為保證變流器在恒功率輸出區間的穩定運行，變壓器牽引繞組輸出電壓需在一定的范圍內:牽引繞組電壓最小值需符合恒功區變流器的最大輸入電流;在維持中間直流恒定且可控的前提下，牽引繞組電壓盡可能的大。所以，在調制深度可以達到1的前提下，牽引繞組電壓的輸出范圍必須滿足以下的必要公式:

2)變壓器短路阻抗:經前文分析，變壓器短路阻抗的數值需要與主變流器的設計相配合。該數值的確定可通過計算得出，但目前一般通過仿真軟件直接仿真進行匹配。從整車匹配設計角度出發，在保證網測等效干擾電流在要求范圍之內的前提下，變壓器短路阻抗不應過大。否則，將會造成主變壓器損耗、溫升的上升，同時體積和成本也隨之提高，進而顯得極不經濟。此外，交流傳動電力機車一般采用多重四象限控制，從而進一步降低網測諧波。該技術可以在一定程度上降低對主變壓器短路阻抗的要求。

1．2．2 中間直流環節

作為主變流柜內部的變流過度環節，中間直流環節與主變壓器的匹配主要是指對諧振電抗器的選取。因為四象限整流器的應用，在中間直流環節引入了100 Hz的電流諧波分量，為濾除該電流分量，保證逆變部分穩定工作，需設置LC諧振電路，需滿足:

此外，中間回路二次諧波電流的峰值近似滿足以下公式:

設計時，為保證二次諧振回路中電感(和電容)電壓較小，二次濾波電感一般應設計得盡可能小。

2 主變流器和牽引電機的匹配

主變流器和牽引電機的匹配直接影響交流傳動系統的優越性是否得到最大限度的發揮。在整車設計時，不僅要考慮啟動轉矩、最大功率，還要保證變流器和電機的重量、外形尺寸的總體限制條件。牽引電機的牽引特性曲線包括三大部分:恒轉矩區、恒功率區和自然特性曲線。一般，電機在啟動時采用恒壓頻比啟動，使得牽引電機內部定子勵磁磁通恒定，輪軸輸出轉矩基本恒定。隨著機車速度的上升，變流器輸出電壓達到額定值，此時進入恒功率調速區。根據牽引電機內部參數關系，輸出轉矩近似滿足以下公式:

所以，主變流器和牽引電機存在兩種典型匹配方案:

1)大電機小逆變器方案:保持Us為一恒定值，轉差頻率fsl和電源頻率fs，按比例調節，即s=fsl/fs=恒值。

2)大逆變器小電機方案:保持轉差頻率fsl恒定為恒定值。

綜合以上兩種方案，前者應用較廣，目前的主流電力機車均采用該控制方式;后者因其需要較大的變流器容量、車內空間、較高的中間電壓等級等，應用較不普遍。

3 牽引電機的控制方式匹配

目前，典型的牽引電機控制方式包括軸控和架控兩種:①軸控方式是應用較為廣泛的形式。②架控方式也是一種普遍的控制方式。所以，在整車電氣方案設計時需要綜合考慮機車總體設計要求、線路狀況、運行區間等因素，并結合成本控制的相關要求作出合理的選擇。

4 輔助系統匹配

電力機車輔助系統是主傳動系統正常工作的可靠保障，在方案設計時應注意以下幾點:①輔助系統的輸入電源可以來自牽引變壓器次邊，也可以來自變流器中間直流回路，而且各有優缺點。然而，在輔助負載容量要求不大、技術允許的情況下，一般建議采用主輔集成的方式，將輔助變流系統至于主變流柜內部，從中間直流回路取電。②輔助模塊的開關器件(通常為IGBT)的開關頻率(750 Hz以上)一般大于主變流器的逆變模塊，所以控制精度更高。但是與牽引回路逆變器輸出三相方波電壓不同，輔助系統的輸出電壓需要經過LC濾波以達到輸出正弦的目的。LC濾波參數可以通過計算得到，也可以通過simulink等仿真軟件仿真進行匹配，但是，在追求輸出電壓低諧波含量的同時，必須注意對濾波電感和電容的外形尺寸限制。

5 結語

綜上所述，設計人員可以考慮從主變壓器與主變流器匹配、主變流器與牽引電機的匹配、電機控制方式的匹配、輔助系統匹配等四個方面著手，并結合機車運行環境和業主的不同要求進行交流傳動電力機車電氣傳動系統方案設計。