复兴号动车组牵引系统参数分析

复兴号动车组牵引系统参数分析
罗昭强;尚大为;韩东宁
【摘要】系统介绍了复兴号动车组牵引系统的基本结构,主要从四象限整流器控制、牵引逆变器控制、粘着利用控制、牵引变流器逻辑控制等功能做了详细的阐述,并
结合牵引系统分析了牵引系统与制动系统的密切关系.
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2019(040)002
【总页数】4页(P113-116)
【关键词】复兴号动车组;牵引系统;制动系统;工作模式
【作者】罗昭强;尚大为;韩东宁
【作者单位】中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春 130062;中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春 130062;中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062
【正文语种】中文
牵引变流器单元(TCU)接收网络传输的司机室指令或者是备份指令，并综合牵引变流器状态和故障信息，实现主断路器(VCB)、充电接触器、短接接触器、辅变输出接触器的时序控制，实现四象限整流器、牵引逆变器、辅助逆变器的启停时序控制，实现牵引制动转矩设定控制，实现过分相发电、无火回送控制、故障保护、快速放电等逻辑控制.
1 系统原理及性能参数
1.1 系统功能
牵引系统由牵引变压器、牵引变流器(四象限整流器和牵引逆变器)、牵引控制单元、牵引电机组成[1].TCU是电传动系统核心控制部分，由外部DC110V供电，通过
检测电压、电流、速度、温度、压力等量，完成对牵引变流器的闭环实时控制，实现列车牵引功能.同时，具备当列车控制与诊断系统出现故障时，可用硬线实现紧
急牵引功能.
1.1.1 四象限整流器控制
TCU获取电网同步电压、变压器次边电流、中间回路直流电压等信号，利用
PWM控制技术，当电网电压在一个范围内波动(如网压突升、网压突降)时，使中
间回路直流电压保持恒定，确保电机侧逆变器正常工作，同时在电网侧获得一个近似正弦波的电流，减少对周围环境的电磁干扰，使接触网或牵引变压器一次侧的功率因数接近于1.
其中,LN和RN分别为交流回路的电感和电阻，UN为变压器次边电压矢量，IN为变压器次边电流的基波电流矢量，US为调制电压的基波矢量，由电路知识可得到二次侧交流回路的矢量电压方程式为：
UN=Us+INRN+jωLNIN
(1)
假设：UN和US的相角为Φ，UN和IN的相角为θ，则用该方程表示牵引工况
的矢量图如图1(a)所示.同样对于再生制动工况，该工况下的矢量图如图1(b)所示. 图 1 四象限变流器控制矢量图
由方程(1)和矢量图可知：如果变压器次边电压UN和电感LN为已知量，那么只
要控制了US的幅值和相位，也就控制了IN的幅值和相位.反之，只要控制了IN
的幅值和相位，也就控制了US的幅值和相位，因此方程(1)是实现四象限变流器
控制的基本公式.
1.1.2 牵引逆变器控制
TCU通过网络传输或者是备份指令获取司机室设定的电机转矩并综合电机的牵引
制动特性及可利用的粘着情况设定最终合适的转矩.TCU获取中间直流电压、电机
相电流、电机转速及IGBT元件的驱动状态反馈信号，利用直接转矩控制技术控制策略，控制逆变器输出电压的幅值、相位和频率，转矩控制精度小于5%.牵引逆变器由六个IGBT开关组成，同一时间总是开通三个开关输出三相交流电.牵引逆变器的开关控制采用脉冲宽度调制(PWM)方式，通过三角波载波和正弦调制波的比较
得到开关控制脉冲信号.输出交流频率的调节可以通过改变正弦调制波的频率来实现，而交流电压的变化可以通过调节正弦调制波的幅值来实现.
其中，SVPWM调制采用分段同步调制算法如图2所示，全速度范围分别采用了
异步调制、同步调制15分频、12分频、9分频、7分频、5分频、3分频和方波.最大开关频率设计为450 Hz.
图 2 PWM调制分频设计
1.1.3 粘着利用控制
受气候条件、轨面状态等许多复杂因素的影响，轮轨间的物理粘着特性随时间、地点的不同而变化，并且这种变化无法预知，粘着利用控制的目的就是在轮轨间物理粘着特性不确定的情况下，使列车发挥的牵引力逼近轮轨间能够提供的最大粘着力，实现粘着力利用效率的最大化，并防止空转现象的发生，当车轮发生滑行时，在制动系统的控制下，执行防滑控制[2].
(1)速度差保护
当本轴速度与同一节动车的其他车轮间的速度差大于设定保护门槛阈值时，将根据差值大小迅速减小电机的给定转矩，使得列车在发生空转和滑行时能够从这些状态中迅速退出并重新恢复粘着.具体调整方式如下：
当速度差ΔV大于门槛值ΔV0时，电机粘着给定转矩将随着速度差ΔV的逐渐增大而按照一定的斜率逐步降低，当速度差ΔV增加很快时，电机粘着给定转矩卸载幅度很大，极端恶劣的空转现象发生时将很快将力矩卸载到0.
(2)蠕滑速度保护
蠕滑速度为本轴速度与列车参考速度间的速度差，当蠕滑速度大于门槛阈值时，将根据差值大小迅速减小电机的给定转矩，使得机车在发生空转和滑行时能够从这些状态中迅速退出并重新恢复粘着.具体调整方式如下：
当蠕滑速度ΔV大于门槛值ΔV0时，电机粘着给定转矩将随着蠕滑速度ΔV的逐渐增大而按照一定的斜率逐步降低，此时发生轻微保护；
当蠕滑速度ΔV大于门槛值ΔV1(ΔV1>ΔV0)时，电机粘着给定转矩将随着蠕滑速度ΔV的逐渐增大而按照一定的斜率逐步降低，此时发生较大保护；
当蠕滑速度ΔV大于门槛值ΔV2(ΔV2>ΔV1)时，电机粘着给定转矩将随着蠕滑速度ΔV的逐渐增大而按照一定的斜率逐步降低，电机粘着给定转矩大幅度降低，趋近于0，此时发生最大保护.
1.1.4 牵引变流器逻辑控制功能
(1)执行TCMS 分配的牵引力指令，并实现牵引级位模式下，由TCMS根据当前级位生成牵引力百分比指令，并将方向指令、牵引状态指令传给TCU，TCU并综合判断牵引变流器和外部状态(包括电网网压、限速指令等)，根据各转向架的轮径值生成力矩给定，分配到两个转向架执行(给定力矩一致)，保证实时加速率不大于0.75m/s3，在牵引电机的最大牵引力包络线范围内实现列车的牵引功能，并反馈实际牵引TCMS[3].
速度模式下，由TCMS根据恒速控制要求及当前速度，生成并实时调整牵引力/电制动力百分比，并将方向指令、牵引状态指令传给TCU，TCU并综合判断牵引变流器和外部状态(包括电网网压等)，根据各转向架的轮径值生成力矩给定，分配到
两个转向架执行(给定力矩一致)，保证实时加速率不大于0.751 m/s3，在牵引电机的最大牵引力包络线范围内实现列车的牵引功能，满足恒速控制要求(±2 km/h 以内)，并反馈实际牵引力/电制动力到TCMS.在牵引转到制动.如图3所示，判断牵引力是否还大于0，必须等到牵引力按斜率降到0，才能转换到制动工况；否则保持牵引工况降力[4].
图3 牵引工况转制动工况转矩变化
同样地，在制动转到牵引时，判断制动力是否还大于0.如图4所示，必须等到制动力按斜率降到0，才能转换到牵引工况；否则保持制动工况降力.
图4 制动工况转牵引工况转矩变化
这样做的目的是为了在列车的整个运行过程中，要保证牵引/制动力的变化平滑连续，避免出现力的瞬时突变.
(2)执行BCU 分配的再生制动力指令(恒速控制除外)，并实现再生制动牵引控制单元根据BCU提供的制动指令、再生制动申请值(恒速控制、过分相和无火回送除外)，并综合判断牵引变流器和外部状态(包括网压、限速指令等)，在牵引电机最大再生制动力包络线范围内实现列车的再生制动功能.再生制动过程滑行由BCU进行控制，TCU执行，列车速度10 km/h时，再生制动力完全退出.BCU与TCU的接口分为硬线和MVB网络数据流两部分，以网络数据流为主，相关参考如表1.
(3)执行TCMS 故障降级模式(减功率)和限速指令当TCMS根据列车运行情况，需要进入故障降级模式，TCU根据TCMS指令执行减功率或者限速运行.
(4)牵引系统内部限速管理(出于对牵引系统自身的保护)限速统一由TCMS管理和控制，TCU根据TCMS提供的指令(牵引力百分比)实现限速控制[5].
表1 TCU发送给BCU的信号信号名称类型说明量纲Life Signal of TCUByte生命信号(可与MVB端口生命信号共用)每个周期加1,范围为0～255ED brake not faultyBit本车电制动可用(用于BCU判断能力值有效性,与硬线信号冗余)1=本车电
制动可用TCU Inverter ActiveBit本车TCU逆变器启动1=本车逆变器启动TCU TractionBit本车牵引变流器处于牵引状态1=本车牵引变流器处于牵引状态TCU BrakingBit本车牵引变流器处于制动状态1=本车牵引变流器处于制动状态TCU ResetMomentOnBit本车TCU处于中压保持模式,此时电制动力不可用1=本车TCU处于中压保持模式,此时电制动力不可用Maximum ED possible effortWord 本车电制动最大能力kN4000H=800kNActual tractive/brakingWord本车1架
牵引/制动实际值kN4000H=800kNActual tractive/brakingWord本车2架牵引/制动实际值kN4000H=80kNActual ED reduced effort by WSPWord出现滑
行时,本车修正后出现的防滑减量kN4000H=800kN
(5)电机旋转方向TCU通过U/V/W三相相序控制，保证电机旋转方向与TCU所
获得的司机指令一致.
1.2 牵引变流器保护功能
(1)网压限制
如果网压超过32 kV时，封锁全部变流器脉冲，分断主断，网压恢复正常后，软
件自动复位故障.
(2)主变压器保护
油流保护，当油流速度过低时，油流继电器会动作，车载电气检测到油流过低持续10 s，封锁脉冲，断开VCB.油温保护，当变压器油温超过报警温度时，油温继电
器会动作，车载电气检测到此动作后，通过TCMS通知TCU封锁脉冲，断开VCB.油温保护，车载设备通过PT100温度传感器检测变压器油温，当温度超过报警限值时，断开VCB.油压保护，当变压器内部压力过大时，其压力释放阀会动作，车载电气检测到此动作后，封锁脉冲，断开VCB.油位保护，当油位较低时候，变
压器低液位报警继电器会动作，车载电气检测到此动作后，进行报警提示；当油位更低时，变压器低液位切除继电器会动作，车载电气检测到此动作后，封锁脉冲，
断开VCB.
(3)主变流器冷却单元超温或压力异常
TCU检测到主变流器冷却水温超过门槛时，封锁全部变流器脉冲，待冷却水温恢复正常值后，软件自动复位故障.
TCU检测到变流器冷却系统压力超过门槛值时，会封锁变流器脉冲，待压力恢复正常值以后，软件自动复位故障.
2 结论
复兴号动车组牵引系统是在是在高速动车组牵引系统技术平台基础上进行的自主创新设计.在进行系统设计时充分考虑各系统参数匹配和各部件可靠性、安全性设计.体现出复兴号动车组的牵引系统逻辑控制的严谨性，能够充分利用变流器的逆变特性与粘着特性，使复兴号动车组更加平稳、顺畅、安全的运行.
参考文献：
【相关文献】
[1]中国铁路电气化集团有限公司.TB 10009-2016.铁路电力牵引供电设计规范[S]. 北京:中国铁道出版社, 2016.
[2]吴毅,赵雷.中国标准动车组车轴研制与应用[J].铁道车辆,2017,55(12):26-30,56.
[3]孙剑方.时速400km动车组的牵引系统主要顶层技术指标研究[J].中国铁道科学,2017,38(5):70-77.
[4]丁荣军.现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展[J].机车电传动,2010(5):1-8.
[5]李旻昊.高速动车组轮轴疲劳强度探析[J].工程技术研究,2016(7):92,134.。