第四章 四方动车组供电牵引系统及设备

第五节动车组主变流器

一、四方动车组变流器的工作原理、组成及结构

(一) 原理

四方动车组采用牵引变流器（CI11型），一个基本动力单元2个，全列共计4个。采用车下吊挂、液体沸腾冷却方式。主电路结构为电压型3电平式，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成，不设2次谐振滤波装置和网侧谐波滤波器，采用PWM方式控制；中间直流电压为2600V～3000V（随牵引电机输出功率进行调整），1个牵引变流器采用矢量控制原理控制4台并联的牵引电机。采用3300V/1200A等级IGBT或IPM元器件，冷却介质采用环保的氟化碳（FX3250）。模块具有互换性，功率半导体模块的换件时间为两小时以内。系统具有各类故障诊断与保护功能。牵引变流器输入为1285kV A （AC1500V，857A，50Hz），中间直流电路为1296kW （DC3000V，432A），牵引变流器输出为1475kV A （3×AC 2300V，424A，0～220Hz）。外形尺寸（L×W×H）为3240×2400×650mm。其中变流器为单相电压式3级PWM变换器；逆变器为三相电压式3级PWM变频器。脉冲整流器效率９７．５％以上（牵引电机额定），逆变器效率９８．５％以上，牵引变流器控制为软件控制，调节装置免维护。

（二）、牵引变流器组成及结构

牵引变流器外形如图4-47所示。图4－48为打开检查罩的状态，图4-49 主变流器吸气侧外观，图4-50 主变流器拆下吸气过滤网的状态。图4-51为牵引变流器箱外形尺寸及技术说明，图4－52为牵引变流器内部设备的布置情况。牵引变流器装置中心配置变频功率单元（2台）、逆变功率单元（3台），力求功率单元集中布置。在此功率单元车辆侧配置有两排气口的两轴形电动通风机，向功率单元冷凝器送风。真空接触器和继电器单元、无触点控制装置等集中布置，便于检修。另外，检查面考虑其工作性和密封性，采用板簧式手动型夹紧装置。牵引变流器的零部件，考虑到其操作、维修方便，采用模块化设计。例如半导体冷却装置分成变频器用两台，逆变

图4-47 主变流器外形图

图4-48 主变流器打开检查罩的状态

器用三台的单元，分别具有互换性。控制关联零部件分成无触点控制装置（控制逻辑部）、继电器单元、电源单元等。牵引变流器的构成设备见表4-21。半导体冷却装置和电动通风机等大型装置采用下部拆装的结构。小型控制单元内的各零部件可以采用不同厂家的产品，维修和检查时需要更换的控制单元，其结构和功能必须具有互换性。

牵引变流器箱尺寸为前进方向３１００ｍｍ×枕木方向２４００ｍｍ×高度６５０ｍｍ，质量为１９００ｋｇ，箱内接线规格为①主电路接线：母线或３．５～１５０ｍｍ２ＳＱＷＬ２电线②控制电路接线：０．５～２．０ｍｍ２ＳＱＷＶ０电线或特氟隆电线，③接线布置时分离高低压接线。按类别分开不同信号线并分别构成不同的线束，以尽可能地避免在信号线之间产生相互干扰。

动车组牵引变流器采用与原型车相同的免维修模块结构。功率半导体模块的换件时间为两小时以内，模块具有互换性。对牵引电机的基本要求：特性差异控制在5％以内。功率半导体采用与原型车额定参数相同的元件：

●IGBT或IPM：3300V、1200A

●钳位半导体：3300V、1200A

图4-49 主变流器吸气侧外观

图4-50 主变流器拆下吸气过滤网的状态

1、主变换电路的结构及功能

主变换装置分别在M1、M2车装载1台。除了在加速时向主电动机供电、实施制动时的电力再生控制之外，还有保护功能。此外，将车辆信息控制装置的信息在换流器间进行载波相位差运行，以减少接触网电流的高次谐波。车轴端装有速度传感器，使用于主变换装置，制动控制装置的速度（旋转频率）检出。

主变换装置是由从单相交流得到直流功率的换流器，从直流电流得到三相交流的逆变器吸收脉冲电压得到直流电压的直流平滑电路（滤波电容）组成。采用PWM换流器能使输入基波功率因素达到1，这样实现了机器的小型化，降低功率消耗。

此外，换流器、逆变器均采用三级构成，以实现更细的电压控制。主电路半导体元件采用的是能实现高速开关的IGBT或是IPM，减低了交流电压波形失真，降低了主电动机、主变压器的电磁干扰、扭矩波动。表4-22给出了主电路元件的导通状态与输出相电压的关系

表4-21主变换装置的构成设备

14 抑制过电压晶闸管（ＯＶＴｈ）１包括DCPT单

元

15 门用电源１

16 交流电压检出器（ＡＣＰＴ）１

17 继电器单元１

18 电阻器单元１

19 空气过滤器１式

20 检查面盖板３种

图4－52为牵引变流器内部设备的布置情况

（1）换流器部分

换流器以主变压器二次侧输出的AC1500V、50Hz为输入。它由单相三级PWM换流器、交流接触器K组成。换流器的功能是：通过无接点控制装置的IGBT点弧控制，控制输出电压在2600V~3000V，控制主变压器一次侧的电压、电流功率因素达到1，以及无接点控制装置的保护功能。在再生制动时，进行逆变换，输入滤波电容的DC3000V，将AC1500V、50Hz供给主变压器侧。此外，作为输入侧的主电路的接通与断开，使用的是交流接触器K。图4－53给出了变流器单元的相关尺寸，图4－54为变流器单元的外形图。

图4－53变流器单元的相关尺寸

表4－22主电路元件的导通状态与输出相电压的关系

输出状态高电位点电位输出中性点电位输出低电位点电位输出ＰＷＭ信号Gsw Gsw＝＋１Gsw＝０Gsw＝－１

图4－54 变流器单元的外形

Ｕ相P W M 信号G sw U

(＋１，０，－１)

U V 相ｷＶ相P W M 信号G sw V (＋１，０，－１)

图4-55 三级换流器调制方式

三级换流器通过滤波电容将直流电压分压，得到三级电压（正：+Ed/2，零，负：-Ed/2）输至交流主变压器侧。三级换流的调制方式如图4-55所示。根据U 相调制波ycV （U 相电压指令），正侧载波和负侧载波（三角波）的大小关系，作为三级PWM 信号GSW 得到＋1，0，－1（V 相调制波ymV 与V 相ycV 的关系也是同样的。为了减少YcV 的高次谐波，与ycU 相差180º）。

表4-23 调制波与PWM 载波的比较（PWM 信号生成）

如表4-23所述那样，它给出了PWM 信号GSW 与IGBT 门指令的关系。各IGBT 根据门指令进行控制，最终获得三级输出电压（相电压）。U 相电压与V 相电压相减得到换流器的线间电压（图4-56）。

根据以上的调制方式，三级换流器的进行开关动作。图4-56显示了三级换流器的开关动作。