高速列车牵引控制系统兼容性技术研究＊

2011-08-08杜会谦姜东杰王师昂

铁道机车车辆 2011年6期

杜会谦，姜东杰，王师昂

（唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北唐山064000）

我国成功完成了 CRH1、CRH2、CRH3、CRH54种车型高速动车组的国产化批量生产和在多条线路上的广泛运用。因此采各家技术之长，进行牵引控制系统兼容性研究，并实现不同技术体系牵引控制系统的兼容，将为我国打破国外技术封锁，塑造自主品牌奠定良好基础。

1 牵引控制设计

以CRH3型车为平台，进行高速列车牵引系统兼容性研究设计。CRH3型车牵引变流器为两电平，功率模块采用两并联的600 A／6．5 k V IGBT，中间直流环节电压高，相比之下日系变流技术具有大电流、低电压的特性，功率模块采用三并联的900 A／4．5 k V IGBT，根据该IGBT技术参数及工程设计经验，牵引变流器的中间直流环节电压值VD通过式（1）计算得到：

其中ΔV＝K·最大断开电流（K可通过试验得知）＝K·过电流设定值·公差

根据IGBT元件的特性，ΔV取为700～800 V，VD＝3 200～3 300 V，考虑直流电压15%～20%的波动，直流环节电压应该控制在2 600～2 700 V。逆变器最大输出线电压VOUT为：

为满足技术要求，同时结合电机特性，要达到启动转矩3 000 NM，电机启动电流约为320 A，4台电机并联运行，牵引变流器的IGBT模块是900 A／4．5 k V三并联，持续电流可达2 700 A，通过式（3）知，选择的IGBT模块满足设计要求。

在牵引变流器输入侧，四象限变流器4QC的整流会产生大量的二次谐波，对于直流环节的支撑电容，吸收高次谐波的特性好，对于二次谐波基本没有滤波作用，所以传统的做法是设计一个特定谐波滤波器，也称串联谐振电路，滤除二次谐波。而本次设计没有采用增加硬件电路来解决这个问题，而是采用软件算法消除了二次谐波的影响，具体实现方法就是通过直流环节的电压互感器检测得到二次谐波电压的幅值与相位，在二次谐波的负半轴，相应的增加脉冲的宽度，在二次谐波的正半轴减小脉冲的宽度，实现电压×时间为既定值，调整脉冲触发时间，达到想要得到的输出电压，如图1所示。这种方法不但减少了硬件电路，而且还有效利用了二次谐波的能量，提高了牵引变流器的效率，减小了电机转矩脉动，如图2所示。

图1 无差拍控制算法

2 牵引变压器的兼容性设计

图2 无差拍控制结果

对于动车组牵引变压器，日本多采用壳式变压器，体积较小，但各牵引绕组存在一定耦合，互感一般小于自感的15%。欧洲牵引变压器多采用芯式、全分裂结构，各牵引绕组之间能够完全解耦，即互感为零［1］，这样更便于四象限变流器的控制，同时也能减小牵引绕组的电流波动。

在四象限变流器的控制设计中，开关频率由原来的350 Hz提高到450Hz，这样不仅降低了变压器原边电流畸变率，还可以减小二次谐波电流，而且还可以把牵引变压器短路阻抗做的更小，有效的降低了变压器成本［2］。图3是通过试验得到的变压器输出电流波形，从图中可以看出四象限变流器输入电流负荷分配均匀，偏差在5%以内。

图3 四象限变流器输入电流

每个牵引变压器都有4个输出绕组，为两个牵引变流器供电，每节动车上的牵引变流器有两个四象限变流器和一个逆变器组成，如果动车组共有16个四象限变流器，为了减小电流的谐波分量，整列车的所有四象限整流器按相互位移11．25°进行调制，这样做的结果，相当于提高了牵引变压器一次绕组中供电接触网中的等效开关频率［3］。在四象限变流器中采用SPWM技术，会产生大量的高频谐波成分：

式中ωc为载波频率；ω基波频率。M 和N 均为整数，M＋N为一个奇整数［4］。通过载波相位差控制可以降低部分谐波，如上所述，根据整列车四象限整流器的个数，推算出可以消除8ωc倍的高次谐波，图4为模拟计算结果。，数，进行了等效干扰电流的计算，在牵引正常的情况下，干扰电流值小于1．5 A，符合TB／T 2517标准的规定。

图4 电流高频模拟计算结果

3 牵引电机的兼容性设计

由于逆变器输出最大电压由欧系平台的2 800 V降低到日系平台的2 100 V，在保证牵引电机输出功率不变的情况下，必须增加电机电流，电流增加会带来电机磁饱和、温升等一系列问题，所以要对原电机进行优化设计，以适应日系牵引变流器的低电压、大电流特性。

CRH3型车的牵引电机是三相4极异步感应电机，在主结构保持不变的情况下，通过减少绕组匝数，增加绕组导体截面积，增加冷却风量，采用高磁感硅钢材料等措施对原电机进行改进，同时还对电机的绝缘结构进行了优化，来满足大电流特性的要求。在V／F特性曲线不变的情况下，由于励磁电流的增加，通过减少绕组匝数，即减少电机的磁化电感Lm，来保持气隙磁密与原型电机相当，公式（4）、公式（5）说明了以上机理。

牵引电机定子匝数的减少更有利于电机的散热，降低轴。缘结构，改善导热性，增强了散热效率。绕组导体截面积的增加使得新设计的电机与CRH3型电机定子电流密度保持相当，发热因数稍低于CRH3型电机。

图5和图6是对上述设计方案进行的模拟计算结果。从图5看电机的温度场分布满足牵引电机绝缘寿命的要求。图6是电机在额定负载时的磁场分布图，电机的磁通密度与CRH3电机相当。

图5 牵引电机温升模拟分析结果

图6 牵引电机电磁场模拟分析结果

4 地面联调试验

在完成了牵引系统的兼容性设计和牵引设备的试制后，进行了牵引系统的地面联调试验。联调试验由25 k V／50 Hz电源、断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、飞轮等设备组成，利用飞轮模拟传动负载，进行了牵引变流器控制参数匹配、牵引特性、制动特性等试验，试验结果如图7、图8所示。

其中黑色曲线为试验结果，灰色曲线为设计值，可以看出试验值与设计值基本是吻合，在牵引工况下，低速区电机转矩稍大于设计值，电机启动转矩大，满足合同要求，只是在高速区末端，电机电流稍微变大，这是因为当电机超过额定频率运行时，效率有所下降造成的，。工况，由于减少了齿轮传动装置的效率，所以在额定电压、电流的情况下，使得电机转矩比设计值稍大，完全满足列车对电制动功率的要求。