复兴号动车组牵引系统参数分析

* 收稿日期： 2018-09-25 作者简介： 罗昭强（ 1972－） ，男，高级工程师，硕士，主要从事高速列车相关技术的研究 E-mail： david--sdw@ 163．com．
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大连交通大学学报
第 40 卷
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．
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．
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．
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
（ 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．
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．
（ 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］．
第 40 卷 第 2 期
大连交通大学学报பைடு நூலகம்
Vol．40 No．2
2019 年 4 月
JOUＲNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVEＲSITY
Apr．2019

文章编号： 1673-9590（ 2019） 02-0113-04
复兴号动车组牵引系统参数分析
罗昭强，尚大为，韩东宁
（ 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062） *
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． 关键词： 复兴号动车组； 牵引系统； 制动系统； 工作模式 文献标识码： A DOI： 10．13291 / j．cnki．djdxac．2019．02．025
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］．