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１16 交流电压检出器（ＡＣＰＴ）１17 继电器单元１18 电阻器单元１19 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。

图4-56三级换流器的动作波形（加速时）为减少接触网电流高次谐波，同一动车组内的M1车、M2车的2台换流器间其载波相位差-90°，每个动车组间相差-67.5°，按此来进行设定。

动车组间的相位差依据并结状态也会变更。

详细可参照“功能说明书”中的记述。

脉冲整流器用半导体单元元件参数及配套数目如下：①主控制元件高耐压IPM/IGBT ３３００Ｖ１２００Ａ１Ｓ２Ｐ４Ａ②钳位二极管高耐压二极管３３００Ｖ１２００Ａ１Ｓ２Ｐ２Ａ③滤波电容器２１２５ｕＦ±１０％一套④闸控接口电路一套⑤冷却器温度继电器 1个⑥封密部位温度继电器 1个⑦冷却器沸腾冷却式一套⑧主电路接线盘一套⑨缓冲电路一套（2）逆变器逆变器以滤波电容电压输入，通过无接点控制装置的IGBT点弧控制信号，输出电压频率可变的三相交流电压，控制4台并联的感应电动机的速度、转矩。

再生制动时，功能的进行顺变化，感应电动机输入发电的三相交流，向滤波电容输出直流电压。

感应电动机的控制是采用矢量控制方式，独立地控制转矩电流及励磁电流，以提高转矩控制的精度、转矩应答的高速化和提高电流控制性能。

电路的结构与换流器相同，采用三级结构。

图4－57给出了逆变器的外形图，图4－58给出了逆变器的外形尺寸。

逆变器用半导体单元元件参数及配套数目：①主控制元件高耐压IPM/IGBT ３３００Ｖ１２００Ａ１Ｓ１Ｐ４Ａ②钳位二极管高耐压二极管３３００Ｖ１２００Ａ１Ｓ１Ｐ２Ａ③滤波电容器１２５０ｕＦ±１０％一套④闸控接口电路一套⑤冷却器温度继电器 1个⑥封密部位温度继电器 1个⑦冷却器沸腾冷却式一套⑧主电路接线盘一套⑨缓冲电路一套图4－57逆变部分的外形图4－58 逆变部分相关尺寸（3）直流平滑电路（滤波电容）部CHK3图4－59 滤波电容备用充电电路的构成滤波电容器在换流器功率单元有二组，在逆变器功率单元有三组，总共容量为8000μF。

滤波电容与备用充电源相连接，启动时经过内有电阻分量的充电变压器，由三次电路进行初次充电，防止因K线接通时的过大的冲击电流。

接通换向器时，接入CHK，充电（约1秒）后，CHK断开，K接通，见图4－59。

图4-60 主变流器箱体图4-61变流器接线图图4－60为牵引变流器的箱体结构图，图4－61为牵引变流器的接线图。

从上述各图中可以看出主变流器各组成部分之间的位置关系，线路连接关系和变流器主体的安装尺寸。

2、机器构成及其机器的概况（1）冷却结构本装置的冷却结构的流程如附图4－62所示。

本装置的冷却结构由通过外气进行冷却的主冷却部和不导入外气进行冷却的密封室冷却部组成。

主冷却风的流程用粗黑箭头表示，密封室内的冷却风的流程如“白箭头所示”。

图4－62 冷却结构的流程①主冷却风流程图4－63是模块化的主冷却风的流程。

一种是冷风（外界空气）通过空气过滤器后，经过热交换器（散热部）为主鼓风机（CIBM1）吸入，另一种则是直接为主鼓风机吸入。

主鼓风机（CIBM1）排出的冷却风通过换流器功率单元冷却器、逆变器功率单元冷却器，由排风管道排出。

图4-63主冷却风的流向图②密封室内冷风的流程图4-64密封室内的冷却风流向图图4-64给出了模块化的密封室内冷风的流程。

密封室内的冷却风没有从外界进入的循环风，而是通过热交换器释放热量。

为使冷却风循环，使用了2台辅助鼓风机（CIBM2、3）。

冷却器的流程有二种：一种是从CIBM2经由检查面侧的机器室，热交换器（受热部），另一种是由CIBM2经过密封室的冷却风管道，热交换器（受热部）实施的。

通过热交换器散热的冷风，冷却换流器功率单元及逆变器功率单元的电子元件（门驱动器、滤波电容等），然后为辅助鼓风机（CIBM2|3）吸入进行循环。

(2)主鼓风机（MH1132—FK205型电动送风机）①概要主鼓风机（MH1132—FK205型电动送风机）用作C111系主变换器的主冷却，在主变换装置内有1台。

电动机使用单相宠形两轴感应电动机。

送风机是用多翼型两扇类，由主鼓风机吸入的冷却风（外界空气）从2个口排出送风，冷却换流器功率单元及逆变器功率单元的冷凝器。