時速160公里動力集中動車組動力車牽引系統設計

劉斯嘉

中國中車集團大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116023

1 前言

在軌道交通運輸中，采用電動機驅動來滿足車輛牽引的電氣傳動部分，稱為牽引電傳動系統，簡稱牽引系統。它以牽引電機為控制對象，對電機的牽引力和速度進行調節，以滿足車輛牽引和制動特性的要求。時速160公里動力集中動車組動力車的牽引系統是在借鑒HXD3G型電力機車成熟的設計和應用經驗的基礎上，結合中國鐵路的實際情況由中國中車集團大連機車車輛有限責任公司設計而成。

動力車采用單軸獨立驅動控制方式(軸控方式)，交直交變流技術，牽引變流器采用MVB網絡與以太網雙網冗余技術實現與外部的數據通信。

2 牽引系統組成與特點

牽引系統由牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機等部分組成。

牽引變壓器主要設計特點:

(1)采用下懸式安裝，強迫導向油循環風冷方式，內裝一臺牽引變壓器，四臺串聯電抗器，總重7.6t。

(2)變壓器采用心式臥放結構，A級絕緣，普通礦物油；變壓器及油循環系統均采用真空注油，儲油柜封入高純度氮氣，是與空氣完全隔離的全封閉結構，冷卻裝置分開布置。

(3)高阻抗繞組結構，使變壓器內部空間磁場很強，大量采用無磁結構件。

(4)油箱采用磁屏蔽的方式，避免漏磁干擾外部信號。

(5)線圈導線采用Nomex紙絕緣，具有耐熱等級高，機械強度大的特點。

(6)全鋁板翅式冷卻器，兩路油循環系統。

牽引變流器主要設計特點:

動力車由兩個結構和原理相同的牽引變流器構成。每個牽引變流器是由2個牽引供電單元、1個輔助供電單元、1個列車供電單元以及共用的水冷卻系統和相應的控制單元等組成，牽引供電單元、輔助供電單元和列車供電單元分別由主變壓器牽引繞組、輔助繞組和列車供電繞組供電，保證各個系統在電氣線路上完全獨立和相互隔離。

牽引變流器采用強迫水循環冷卻方式，牽引供電單元、輔助供電單元和列車供電單元共用水冷卻系統，冷卻水泵、冷卻管路和檢測部件位于牽引變流器中，散熱器和冷卻風機位于動力車上復合冷卻塔中，共同組成的冷卻系統能夠確保變流器功率模塊的冷卻要求。

牽引電機主要設計特點:

動力車用牽引電機采用單端聯軸器輸出，參考HXD3D和HXD2F型機車牽引電機開展設計，主要設計特點:

(1)整機采用架懸安裝，非傳動端單軸承支撐，通過薄板聯軸節與主動齒輪連接組成驅動裝置；

(2)電機安裝有速度傳感器和定子溫度傳感器并預留6A接口；

(3)電機采用單軸承結構，軸承選用內圈寬系列的NUB型絕緣圓柱滾子軸承NUB220；

(4)轉子采用聯軸節輸出形式，線速度高，采用高強度銅合金鼠籠加護環的結構；

(5)牽引電機采用輕量化設計，適用大功率、高速運用條件。

3 牽引變流器設計

動力車牽引變流器采用牽引、輔助以及列供分離設計方案，輔助單元及列供單元安裝在牽引變流器內部，但其主電路均完全獨立。每列動力車配置2臺牽引變流器，每臺牽引變流器中有兩組完全獨立的供電單元，每組供電單元是由一個四象限整流器、一個中間電路和一個三相PWM逆變器組成，并驅動一臺三相異步牽引電機，實現整臺車的完全軸控驅動方式每臺牽引電機額定功率1400kW，短時功率1600kW。

變壓器牽引繞組輸入單相交流電首先經由充電接觸器、充電電阻組成的充電回路對直流回路的支撐電容充電，充電完成后閉合短接接觸器，主回路進入工作狀態。

牽引工況時單相工頻電網電壓經四象限PWM整流器整流為3500V直流電壓，再經逆變器逆變為三相VVVF電壓為牽引電機供電。再生制動工況時牽引電機發出的三相電壓經整流、逆變后通過牽引變壓器、受電弓反饋回電網。

過壓斬波電阻用于直流回路的過電壓抑制及停機后的快速放電，固定放電電阻用于快速放電回路故障后將支撐電容電壓放至安全電壓以下，另外直流分壓電阻采用中點接地，用于變流器主電路接地檢測；電流傳感器用于檢測變流器輸入、輸出電流及斬波電流，電壓傳感器用于檢測變流器直流回路全電壓和半電壓。

4 牽引變流器控制與保護

牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元有強制工作的能力。當因為外部輸入信號異常時，牽引變流器可以根據TCMS輸出的強制工作信號投入相應工作。牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元具有自動監測功能，具有自診斷和故障記錄功能，并能在司機室顯示屏上顯示牽引供電單元、輔助供電單元及列車供電單元的運行狀態和故障情況，便于故障分析和維修。變流器采用雙牽引控制單元方案，能夠實現四象限控制、逆變器控制、中間電路過壓抑制、防空轉電氣控制、庫內動車控制、故障記錄診斷與保護、對外通及在線監測和調試功能、低速連掛控制功能、軸重轉移補償控制、輪徑修訂控制、軸報自動切除控制等。

牽引供電單元設有過流和過載保護、接地保護、瞬時過電壓抑制、IGBT元件過流及短路保護、輸入電壓過壓及欠壓保護、控制電源保護、檢修時的安全連鎖保護、水冷卻系統的保護等保護功能，同時在司機室微機顯示屏上顯示故障內容及有關故障處理提示。輔助供電單元設有過電壓保護、欠電壓保護、過載保護、接地保護、三相電壓不平衡保護或缺相、短路保護、冷卻系統保護等保護功能。列車供電單元設有輸入過流過壓保護、輸入欠電壓保護、輸出過壓保護、輸出過載保護等保護功能，具有短時過載能力，能在空載、輕載及額定負載下正常工作，具有自檢功能，具有電子控制故障檢測和輸出隔離功能。

5 設計創新點

(1)完全獨立軸控，獨立繞組供電，四象限整流、中間直流回路、PWM逆變電路及控制單元分別獨立。

(2)牽引變流器采用MVB和以太網通信，雙網冗余，提高通信穩定性。

(3)牽引、輔助以及列供部分中間直流回路采用高阻中點接地方式，一點接地時，系統維持運行。

(4)牽引變流器中間直流回路采用無二次濾波回路方案，通過逆變器軟件控制抑制網側二倍于電網頻率的的交流分量，抑制電機電流脈動和轉矩脈動。

(5)變流系統滿足在一定速度下，動力車通過分相區時輔助系統和列供系統不間斷供電。

(6)列車供電單元均采用IGBT作為開關元件，四象限整流技術。

(7)牽引變流器納入動力車高壓連鎖系統，每個牽引變流器的牽引供電單元高壓部分用一個聯鎖機構，輔助供電單元高壓部分和列車供電單元高壓部分共用一個連鎖機構。

6 結束語

時速160公里動力集中動車組動力車牽引系統設計滿足了機車設計和運用要求，其采用的獨立繞組供電輔助系統過分相不停電技術、四象限整流列車供電等技術為以后機車及動力集中動車組動力車的設計提供了借鑒。