淺談動車組牽引傳動系統主電路

孫麗偉 孫渤 王志 王滌非 李琳 衣云利

【摘? 要】對動車組電氣牽引傳動系統主電路結構組成、特點以及原理進行研究分析。通過對其組成部分網側電路、牽引變壓器、牽引變流器進行研究分析，進而對其他動車組主電路的分析設計大有裨益。

【關鍵詞】牽引傳動系統;主電路;牽引變流器

0 引言

中國動車組是針對于中國高速鐵路運行環境所設計，能夠滿足在復雜的線路環境中、遠距離、長時間連續的高速運行的需求。同時首次實現了中國動車組在牽引、制動以及網絡控制系統方面的全面自主化，是中國高鐵事業發展的一座里程碑。本文將對動車組的電氣牽引系統主電路部分進行研究分析，為后續其他動車組主電路設計提供參考。

1 動車組電力牽引傳動系統簡介

動車組的牽引傳動系統由兩部分構成：負責從高壓接觸網取電供給整列車所有能源消耗的動力源牽引供電裝置和產生動車組列車牽引力以及制動力的牽引動力裝置即機車的主電路部分。本文主要針對于動車組的主電路部分進行研究分析。

（1）牽引工況：受電弓從接觸網處獲取25kV/50Hz單相交流電，然后經由牽引變壓器降壓得到1900V/50Hz單相交流電作為牽引變流器的輸入。四象限脈沖整流器將輸入的1900V單相交流電整流成3600V的直流電，通過中間直流環節的支撐電容及二次諧振電路和過壓保護電路后作為牽引逆變器的輸入。牽引逆變器將3600V直流電逆變為電壓幅值、頻率可調的三相380V交流電供給牽引電機。

（2）再生制動工況：原牽引電機提供負轉矩，此時原牽引逆變器用作為整流器，原整流器作為逆變器，將牽引電機側的交流電整流成為直流電，然后再將直流電逆變為單相交流電，最后由變壓器升壓回饋至接觸網完成能量反饋。

2 高壓電器設備

（1）受電弓：受電弓安裝在TP03車、TP06車上，其中一個從接觸網上受流獲取25kV電源，另一個通常處在降弓折疊狀態。牽引工況時經過變壓器向整個列車供電，列車制動工況時，再生制動產生的能量會通過受電弓回到電網，起到一個雙向傳輸樞紐的作用。受電弓適用于各種型式的接觸網，并能保證在不同的速度和軌道上保持良好的接觸穩定性，具有良好的適應性和動力學性能。

（2）主斷路器（VCB）及避雷器：主斷路器（VCB）安裝在TP03車、TP06車上，負責連接和關閉機車的主電源，并且在牽引變壓器二次側以后的電路發生故障時，能夠迅速、安全、可靠地阻斷過電流，起到保護電路的作用，兼有斷路器和開關的2種作用。避雷器設置在主斷路器與高壓電流互感器之間，作用是抑制過電壓、防雷擊。

3 牽引變壓器

牽引變壓器安裝在TP03車、TP06車上，其低壓側由4個繞組構成，驅動2臺牽引變流器。變壓器是將線圈繞在鐵芯上結構簡單的電氣設備，在其原邊線圈上通入交流電，根據電磁感應定律就會在鐵芯上產生磁場，此時電能轉化為磁場能量，并通過鐵心上磁場傳遞至副邊線圈，相當于在副邊線圈中施加了一個交變磁場，通過改變副邊線圈匝數的方式改變副邊輸出電壓。

在動車組中，牽引變壓器2次側的2個牽引繞組分別在1次側繞組的勵磁作用下感應出1900V（1次側為25kV時）的電壓，并輸入牽引變流器的整流器部分。

4 牽引變流器

牽引變壓器2次繞組中的2個繞組與M02/MB05車的牽引變流器連接，另2個繞組連接到MB04/M07車的牽引變流器。牽引變流器是由將牽引變壓器輸出的單相交流電變為直流電的整流部分、吸收運行過程中電壓波動從而獲得穩定的直流電壓的中間直流環節部分以及將直流電變為三相電壓幅值、頻率可調的交流電部分組成。

4.1 四象限脈沖整流器

整流器主要負責將牽引變壓器副邊輸出的單相高壓交流電變成直流電輸入到中間直流環節，還具有提高機車功率因數、降低諧波干擾、優化粘著利用和再生制動的作用。牽引工況時，正常起到整流作用，其輸入側功率因數接近1;制動工況時，整流器作逆變器使用，將直流環節的直流電逆變為單相交流電通過牽引變壓器反饋電網，此時輸入側功率因數接近-1。根據此種工作特性，整流器的工作狀態位于電壓與電流平面所在的四個象限，并且對于整流器的控制采用PWM控制技術，因此又稱為四象限脈沖整流器。

4.2 中間直流環節

中間直流環節在交流傳動系統中起著很關鍵的作用，尤其是在電壓高、功率大的場合在中，它是決定整套系統品質以及壽命的重要器件之一。主要由母線支撐電容、二次諧振濾波電路、過壓保護電路等構成。主要功能如下：

（1）在網側整流器和電機側逆變器之間實現瞬時功率平衡;

（2）支撐電容還可以補償電感產生的無功功率，改善電機的輸出性能;

（3）二次諧振濾波電路可以盡量消除由于四象限脈沖整流器在直流側產生的二次諧波;

（4）過壓保護電路可以將中間直流環節電壓限制在預設的范圍內，防止由于母線電壓過高損壞系統中的設備，同時也可以為其后面的牽引逆變器提供一個質量高、較為平穩的直流電壓。

4.3 牽引逆變器

牽引逆變器主要負責在牽引工況下將直流環節輸出的直流電轉變為牽引電機所需的三相電壓幅值、頻率可調的交流電、制動工況時，將牽引電機的三相交流電轉變為直流電反饋到中間直流環節、同時盡量保證輸出的諧波電流小，直流電壓利用率高，自身的損耗較小。

牽引逆變器根據直流電源性質可分為電流源與電壓源兩種類型逆變器，電流源逆變器大多用于同步電機，而電壓源逆變器用于像動車組牽引電機所采用的異步電機。根據電路結構可以主要分為兩電平和三電平型逆變器，動車組采用的是兩電平型逆變器。其主電路如圖4.2所示，每時刻都有3個開關管導通，共有V1 V2 V3，V1 V2 V3 V4，V3 V4 V5，V4 V5 V6，V5 V6 V1，V6 V1V2，V1 V3 V5和V2 V4V6導通8種工作狀態，從而獲得三相對稱輸出電壓波形。

圖4.1 兩電平式逆變器主電路圖

5 結論

電氣牽引系統主電路作為整列動車組最為核心的系統，影響著整列動車組列車運行安全。通過對主電路各構成部件的職能以及原理進行深入的研究分析，能夠為動車組在運行過程中產生故障的排查和分析提供理論支持。在后續其他車型的主電路設計過程中，盡可能從設計的角度減少類似故障的產生。

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（作者單位：1中車青島四方機車車輛股份有限公司）