CRH系列动车组牵引变流器主电路分析

CRH系列动车组牵引变流器主电路分析
邹档兵
【摘要】First of all, the principle of Traction system was introduced.Then, Traction converter power circuits of CRH1, CRH2, CRH3, CRH5, CRH380A, CRH380B were analyzed.Finally, the recommended power circuit was provided for references of other power circuits design.%介绍了牵引传动系统的工作原理,随后对CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B型动
车组牵引变流器主电路进行了对比分析,最后推荐出一种牵引变流器主电路,为其他
牵引变流器主电路的设计提供参考.
【期刊名称】《铁道机车车辆》
【年(卷),期】2017(037)002
【总页数】5页(P42-46)
【关键词】动车组;牵引变流器;主电路
【作者】邹档兵
【作者单位】中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南株洲 412001
【正文语种】中文
【中图分类】U264.3+7
随着京沪、武广高铁等客运专线的开通运营，标志着我国高铁进入高速发展期。

截止到2015年年底，我国高铁运营里程达到1.9万km，居世界第一，占世界高铁
总里程的60%以上。

目前我国高速铁路上所运用的CRH系列动车组主要有CRH1、
CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等型号动车组。

以上型号动车组的牵引变流器由不同的生产厂家提供，其主电路结构各具特色。

本文将对上述几种CRH系列动车组牵引变流器的主电路进行详细分析，为后续动车组牵引变流器的主电路设计提供参考。

动车组牵引传动系统一般由单个或多个独立的基本动力单元组成，一个基本动力单元主要由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等组成。

在基本动力单元的电气设备发生故障时，可全部或部分切除该动力单元，同时不影响到其他的动力单元。

图1为牵引传动系统的工作原理图，牵引工况时，牵引变压器从接触网得到的单相25 kV交流电降压后输出给牵引变流器，作为牵引变流器四象限脉冲整流器的输入，经整流后转换为直流电，牵引变流器的逆变器再将直流电逆变成频率及电压可变的三相交流电，给两个转向架上4台牵引电机供电，实现动车组的牵引。

再生制动工况时，牵引电机作为发电机使用，将动车组的动能转化为电能输入至牵引变流器中间直流环节，再经四象限脉冲整流器单相逆变后通过牵引变压器、受电弓反馈回电网。

因此，从上述原理可以看出牵引变流器是实现能量交换的核心部件，它直接关系到动车组牵引系统的运行状态。

现有动车组牵引变流器的主电路基本上都是采用交-直-交的结构(基本结构为：四象限脉冲整流器+中间直流环节+PWM逆变器)，相对于不控整流牵引变流器采用四象限脉冲整流器，可提高牵引变压器原边的功率因素，降低网侧谐波；采用PWM逆变器，可获得可控的输出频率和电压；再生制动时可向电网反馈品质良好的电能，节能效果显著。

下面将对CRH系列的动车组牵引变流器主电路进行分析。

2.1 CRH1型动车组牵引变流器主电路分析
CRH1型动车组牵引变流器主电路沿用庞巴迪的设计方案，主电路如图1所示。

通过对图2的主电路进行分析，可得知CRH1型动车组牵引变流器主电路特点如下：
(1)采用成熟的两电平结构；采用二重四象限+二重逆变器的结构，单个逆变器模块驱动一个转向架上的2台牵引电机；
(2)中间直流回路设置二次谐振回路(滤除中间直流回路的100 Hz谐波)、固定放电回路和快速放回路，充电回路采用单重充电接触器+充电电阻的方案；
(3)主电路结构即可实现车控也可实现架控；
(4)接地检测电路由两个串联电阻和过电流检测装置组成，两个电阻中点构成一个电气中点，当该点与中点地之间的电压达到一定值时则表明发生接地故障，故障通过节电器触点送给传动控制单元；
(5)主电路采用主辅一体化设计，且在结构上将辅助逆变器模块集成在牵引变流器里面，与四象限脉冲整流器模块、牵引逆变器模块集中布置，共用中间直流回路，共用水冷系统；中间直流回路采用低感母排把各模块连接在一起；
(6)辅助逆变器直接从牵引变流器的中间直流回路取电，逆变输出通过LC滤波器滤波以及三相变压器降压后输出稳定的三相AC 400 V，给动车组上所有辅助负载供电；采用主辅一体化设计，不仅提高了牵引变流器的集成度，还可实现动车组在过分相区时，牵引逆变器采用轻微制动技术使得中间直流电压继续维持，确保辅助系统不断电继续工作，从而提高动车组的舒适度，辅助逆变器输出的LC滤波器、降压变压器以及接触器单独安装在滤波器箱里；
(7)牵引变压器的单独设置一个滤波器绕组，与RC滤波箱(1个熔断器、1个电阻和1个电容)组成网测谐波滤波器，用于滤除网测电流中的谐波成分，同时减小断路器工作时产生的瞬变电压和电磁干扰。

2.2 CRH2/CRH380A型动车组牵引变流器主电路分析
CRH2型动车组和CRH380A型动车组牵引变流器主电路一样，沿用三菱电机的设
计方案，牵引变流器主电路采用两开关功率器件串联与中点带钳位二极管的三电平方案，主电路图如图3所示。

通过对图3的主电路进行分析，可得知CRH2/CRH380A型动车组牵引变流器主
电路特点如下：
(1)牵引和辅助完全独立，过分相时不能实现发电功能，辅助系统需断电，影响整
车舒适度；
(2)由于采用三电平结构，二次谐波分量较小，中间直流回路取消二次谐振回路，
减轻牵引变流器的质量和成本，但须增大中间直流回路的支撑电容值；
(3)采用升压变压器+单相全波整流桥的方式作为充电回路，经济性高，但需增加整流桥、变压器等部件；
(4)采用单重四象限结构，网侧谐波性能较差；
(5)牵引逆变器部分采用相模块(U、V、W三个相模块)结构，只能采用车控的模式；
(6)接地检测通过电流传感器检测接地电流来判断是否发生接地故障。

2.3 CRH3/CRH380B型动车组牵引变流器主电路分析
CRH3型动车组和CRH380B型动车组牵引变流器主电路一样，沿用西门子的设计方案，主电路图如图4所示。

通过对图4的主电路进行分析，可得知CRH3/CRH380B型动车组牵引变流器主
电路特点如下：
(1)牵引变流器主电路采用成熟的两电平结构，中间直流回路设置二次谐振回路(滤除中间直流回路的100 Hz谐波)、固定放电回路和快速放回路；
(2)牵引变流器主电路采用二重四象限的结构，网侧谐波性能较好；
(3)四象限和逆变器都采用相模块结构，只能采用车控模式；
(4)主电路采用主辅一体化设计，辅助逆变器直接从牵引变流器的中间直流回路取电，可实现过分相区辅助系统不断电功能，舒适度好；
(5)结构采用主辅分离的方式，即牵引变流器和辅助变流器为两个柜体，安装在不
同的车上，辅助逆变器模块与中间直流回路通过电缆连接，增设隔离接触器进行辅变的故障隔离，同时还增设直流电抗器用于抑制辅助变流器的支撑电容器与牵引变流器支撑电容之间的环流；
(6)牵引变流器中四象限脉冲整流器模块和牵引逆变器模块采用强迫水循环冷却，
辅助变流器中的辅助逆变器模块采用强迫风冷；
(7)中间直流回路设置了撬棒回路，用于牵引变流器停止运行后的快速放电，提高
安全性。

(8)充电回路采用单重充电接触器+充电电阻的方案，简单可靠；
(9)接地检测通过电压传感器检测1/4中间直流电压来进行判断是否发生接地故障。

2.4 CRH5型动车组牵引变流器主电路分析
CRH5型动车组牵引变流器主电路沿用阿尔斯通的设计方案，主电路图如图5所示。

通过对图5的主电路进行分析，可得知CRH5型动车组牵引变流器主电路特点如下：
(1)牵引变流器主电路采用成熟的两电平结构，中间直流回路取消二次谐振回路，
减轻牵引变流器的重量和成本，但须增大中间直流回路的支撑电容值；
(2)牵引变流器主电路采用二重四象限的结构，网侧谐波性能较好；
(3)主电路采用主辅一体化设计，辅助逆变器直接从牵引变流器的中间直流回路取电，可实现过分相区辅助系统不断电功能，舒适度好；
(4)辅助逆变器模块与四象限脉冲整流器模块、牵引逆变器模块分开布置，辅助逆
变器模块与中间直流回路通过电缆和铜排连接，增设隔离接触器进行辅变的故障隔离，同时还曾设直流电抗器用于抑制辅助变流器的支撑电容器与牵引变流器支撑电容之间的环流；
(5)辅助逆变器部分采用半桥逆变串联+高频隔离+不控整流串联的方案，高频辅变的体积小，质量轻，但增加了很多开关器件，对控制水平、可靠性要求比较高；
(6)充电回路采用二重充电接触器+充电电阻的方案，简单可靠，同时提高了系统的冗余度。

综合比较上述几种高速动车组牵引变流器的主电路结构特点，同时考虑到轻量化、高集成度、高可靠性、安装维护方便、技术成熟度等多种因素；推荐动车组牵引变流器主电路设计如图6所示。

(1)主电路采用成熟的两电平结构；采用2重四象限+2重逆变器的结构，可提高网侧谐波性能，单个逆变器模块驱动同一转向架上的2台牵引电机，即可实现车控也可实现架空；
(2)充电回路采用二重充电接触器+充电电阻的结构，结构简单，同时提高系统的冗余度；
(3)中间直流回路设置二次谐振回路(根据输出的功率大小，可选择取消二次谐振回路)、固定放电回路和快速放电回路，接地故障可选择电流传感器检测也可选择电压传感器检测(图6中是采用的电压传感器)；
(4)采用主电路和结构主辅一体化集成设计，四象限脉冲整流器模块、牵引逆变器模块和辅助逆变器模块采用集中式布置，采用低感母排共用中间直流回路，且共用冷却系统，质量轻，体积小；
(5)牵引变流器、冷却系统、辅助逆变器输出的降压变压器、三相滤波电容以及接触器都集成安装在牵引变流器箱里，集成度高；
(6)在中间直流环节增加无火回送升压模块，动车组在无火回送时可通过该模块把蓄电池DC 110 V升压送给中间直流环节，让牵引变流器给牵引电机完成励磁，随后完成辅变的启动。

提高整车在无火回送时的舒适度。

牵引变流器主电路的设计可根据整车性能、可靠性、舒适度、经济性等方面的要求
进行综合考虑，选择一种合理的主电路结构是牵引变流器成功设计的关键，对现有的CRH系列动车组牵引变流器主电路进行了理论分析和对比，同时也对牵引变流器的主电路进行了推荐，对其他牵引变流器主电路的设计有一定的借鉴作用。

【相关文献】
[1] 裴建红. 高速动车组牵引变流器主电路设计[D].成都：西南交通大学，2012.
[2] 刘连根. 交流传动牵引变流器的技术发展[J].机车电传动，2001，(2)：6-10.。