4 CRH3型动车组变流器系统分析

4 CRH3型动车组变流器系统分析

CRH3型动车组牵引变流器结构紧凑，牵引变流

器设计成车下牵引箱，易于运用和检修的模块化结

构。牵引变流器输入侧为四象限脉冲整流器(4QC)，2

个4QC并联为一个共同的直流环节供电，中间电容

区部分存储能量，输出平滑的直流电压。输出端为一

个PWM逆变器，将直流环节电压转换成牵引系统所

要求的变压变频三相电源驱动4个并联的异步牵引

电机。列车工作在牵引状态时作为逆变器，将直流电

转变成电压频率变化的三相交流电供给牵引电动机；

列车处于再生制动时牵引电动机作为发电机运行，牵

引逆变器工作于整流状态，将三相交流电转变成直流

电，再由四相限整流器回馈电网。

4.1 牵引变流器主电路结构

CRH3型动车组牵引变流器采用电压型2电平式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成。变压器牵引绕组AC1550V、50Hz交流电输入脉冲整流器。2电平PWM变频脉冲整流器采用IGBT元件，实现输出直流电压2600V～3000V定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制，以及无接点控制装置保护。再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000V电压，向牵引变压器供应AC1500V、50Hz交流电并返回电网。滤波电容器直流电压输入逆变器，根据IGBT控制信号，输出变频变压的三相交流电，对4台并联的牵引电机进行转速、转矩控制。再生制动时逆变器控制在功能上按正向程序转换，感应电机发出三相交流电，逆变器向滤波电容器输出直流电压。牵引电机采用直接转矩控制方式，使转矩控制反应高速化，提高了系统动态响应性能。

CRH3型动车组编组形式为8辆编组，动力配置为4M+4T ( M为动力车厢，T为拖车车厢)，其中相邻两动车为1个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。

图4.1 CRH3型动车组牵引传动系统

CRH3牵引传动系统组成原理图如图4.1所示，在动车组中装有4 个完全相同且互相独立的动力单元，每个独立的动力单元都相同，其电路如图4.2所示。相邻的两辆动车为一个基本动力单元，每一个动力单元由一个带牵引控制单元的牵引变流器，以及4 个并联的牵引电动机。一个动力单元主要由1 台主变压器、2 台牵引变流器和8 台牵引电机等组成。牵引变压器原边额定电压为单相交流25 kV/50 Hz，副边电压1 550 V/50 Hz。牵引变流器的输入侧的整流器为四象限脉冲整流器( 4QC) 。两个4QC 并联为一个共同的DC 连接供电，并产生脉冲DC 电压。输出端有一个PWM 逆变器，它把DC 连接电压转换成牵引系统所要求的变频和变压的三相电源，驱动4 个并联的异步牵引电机。

主电路的工作过程：

架设在TC02车车顶的受电弓从接触网接收AC25KV的交流电，然后通过布设在车顶和车端的高压电缆将电能输送到装在TC02车下的牵引变压器，变压器的副边感应出4组1550V的电压，并通过车辆间的连接线到设在动车车下的变流器单元。变流器单元内部的四象限整流器将1550V的交流电整流为2700V-3600V的中间直流电压。中间直流电压通过PWM变频单元向牵引电机提供变压、变频的三相交流电源。其中限压电阻接在中间直流电路的两极，防止出现过高电压，辅助变流器的输入也取自中间直流环节。

主电路设备主要包括：牵引变压器及其冷却系统、牵引变流器及其冷却系统、牵引电动机及传动装置、限压电阻、高压电器等

图4.2 CRH 3基本动力单元原理图 4.3 变流器的组成部分及工作原理

CRH3型动车组采用两重四象限脉冲整流器，它是能否实现能量的再生的最重要的器件，即列车牵引传动系统电源侧变流器。在CRH3动车组的牵引过程时，它作为整流器，将来自主变压器的1550V 左右的单相交流电转化为2600V 的直流电。在CRH3型动车组的制动过程时，它作为逆变器，将2600V 的直流电转化为1550V 作用的交流电。它可以方便的运行与电压电流平面的四个象限，因此叫做四象限脉冲整流器。

4.3.1 四象限脉冲整流器

单相两电平脉冲整流器工作原理：

单相两电平脉冲整流器主电路图如图4.1所示，L 和R 分别为牵引绕组的漏电感和电阻，开关管1T 、2T 、3T 、4T 组成一个全控桥电路，2L 和2C 为二次滤波电路，d C 为中间直流侧滤波电容。其简化的等效电路图如图4.3所示。

图4.3单相两电平脉冲整流器主电路图

为了便于分析，定义理想开关函数A S ，和B S ，其开关函数如（4-1）和（4-2）

所示。

A S =⎩⎨⎧==导通导通2101T T （4-1）

B S =⎩⎨⎧==导通

导通4301T T （4-2） 采用理想开关函数并忽略牵引绕组电阻，则图4.1所示的两电平脉冲整流器主电路图可以等效为图4.4所示的电路。

图4.4单相两电平脉冲整流器开关等效电路图

AC R N

U ab

U N I N L N 图4.5 脉冲整流器简化主电路图

单相两电平脉冲整流器主电路进一步可简化为上图4.5。

很容易写出脉冲整流器的电压矢量平衡方程为:

N U =ab U +N N I jwL （4-3）

式中 N U :二次侧牵引绕组电压相量 N I :二次侧牵引绕组电流的基波相量

ab U :调制电压的基波相量

当二次侧牵引绕组电压N U 一定时，N I 的幅值和相位仅由ab U 的幅值及其与N U 的相位差来决定。改变基波的幅值和相位，就可以使ab U 与N I 同相位或反相位。在牵引状态下，N U 与N I 的相位差为0，该状态下的相量图如图4.4.1所示，此时ab U 滞后N U 此时脉冲整流器向直流侧输送电能;在制动状态下N U 与N I 的相位差为180度，该状态下的相量图如图4.4.2所示，此时ab U 超前N U ，电机通过脉冲整流器向接触网反馈能量。