CRH6A-A?型短编城际动车组牵引变流器设计

贾智军　杜广群　鲍庆臣

摘 要：短编（通常为 4 辆）城际动车组相较于标准 8 辆动车组动车数较少，牵引变流器故障损失动力时会对车辆运营造成更严重的影响。首先介绍一种采用主辅充一体化设计理念的大功率水冷牵引变流器，包括其主电路设计、工作原理和总体结构。然后对可单重运行四象限整流器、冷却系统等重点技术进行分析。试验与实际运营表明，该牵引变流器的技术性能能够满足大功率短编城际动车组的应用要求。

关键词：城际动车组;短编;牵引变流器;一体化设计;单重四象限

中图分类号：TM46

城际动车组是在继承高速动车组技术平台的基础上，融合了地铁车辆技术，具有“速度快、起停快”等特点，能有效满足城市群内的快速通勤需求。同时，许多城市群客流量较小，而又同样具有快速通勤需求，若运营使用标准8辆编组动车组不免浪费运能，增加運营成本，因此短编城际动车组应运而生。使用短编动车组既可以充分利用运能，又可以缩短发车间隔，满足用户需求。短编动车组也可以重联运行，单次载客量加倍，满足部分城市群大运量的需求。与现有标准8辆编组动车组不同，短编动车组动力车数少，一旦有动车损失动力，列车会降速运行甚至停车，严重影响列车到达的准点性，甚至会影响其他车辆的运行。近年来，大功率牵引变流器一体化设计成为交流传动变流器的发展方向。此外，随着车辆技术的日益成熟，牵引变流器的设计可靠性、可用性和可维护性要求日益提高。结合城际动车组的特点，本文将介绍最新研制的采用主辅充一体化设计的大功率水冷牵引变流器。

1 主电路设计与工作原理

1.1 主电路设计

牵引变流器采用一体化设计方案，即牵引变流器系统将牵引变流器、水冷装置、辅助逆变器和DC110V充电机一体化集成在同一箱体内。牵引变流器主电路原理图如图1所示。

牵引变流器主要由预充电回路、四象限整流器模块、牵引逆变器模块、辅助逆变器模块和充电机模块组成。四象限整流器模块与逆变器模块共用中间直流1800 V母线，2个四象限整流器模块和2个牵引逆变器模块均可独立运行。辅助逆变器模块与牵引逆变器模块统型化设计，可等同替换。此外，牵引变流器还设有无火回送和充电机应急启动功能。

1.2 工作原理

25 kV交流电从受电弓引下后，经过牵引变压器降压为AC 970 V进入牵引变流器。四象限整流器将变压器副边交流电整流为DC 1 800 V，2个四象限整流器互相错开一定的相位角度，减小对电网的谐波污染。2个四象限整流器的直流输出环节并联，再经牵引逆变器逆变成电压和频率均可控制的三相交流电以驱动电机。再生制动工况时，牵引电机处于制动发电状态，通过四象限整流器向电网馈电。辅助逆变系统从中间直流环节取电，将其逆变为三相380 V/50 Hz交流电，为列车中压负载供电。整列车2个辅助系统采用并网控制，全列贯通3AC380 V母线。充电机模块将3AC 380 V整流为110V直流电给整列车低压负载和蓄电池组供电。

当牵引变流器发生故障需救援时，可通过启动无火回送模式为辅助负载供电。无火回送电源模块将DC110V蓄电池电变换为DC 600 V，为牵引电机励磁。在施救车辆的拖动下，牵引逆变器进行制动发电将中间直流电压抬升至DC 1 800 V并稳定运行，使辅助系统可正常工作，保证乘客的基本需求。

当车辆蓄电池亏电时，可通过车间供电插座外接3AC 380 V电压，采用司机室按钮激活应急启动模式，此时牵引变流器应急启动电源输出DC 110 V电压供充电机控制器使用，从而启动充电机，为整车低压负载供电。

牵引变流器各子系统主要技术参数如表1所示。

2 结构设计

牵引变流器整体通过14个M20螺栓吊装在车体底部，箱体采用SUS 304不锈钢材质，框架为型材焊接，蒙皮为塞焊结构，底部门板采用不锈钢保险丝防松措施，整机质量为3 200 kg（±100 kg）。牵引变流器结构设计如图2所示。

牵引变流器箱体总体结构设计遵循高低压电路分离设计的原则，并结合输入输出的电气接口进行了布局优化。总体划分为高压区、中压区、低压区、控制器区、冷却系统区和检修维护区。其中，高压区主要包括主电路中的预充电回路（2，3）、四象限整流器模块（4，5）、中间直流环节电路（6）、牵引逆变器模块（7，8）以及辅助逆变器模块（91）。中压区主要包括工频变压器（93）和三相交流滤波电容（94）。低压区主要包括充电机模块（11）和应急启动电源模块（12）。控制器区主要包括牵引控制器及其对外连接器。冷却系统区主要包括风机、水泵、热交换器、过滤器、过滤网、水箱及传感器等。

考虑到可维护性，牵引变流器设计大面积的检修维护区，方便从箱体底部（无须拆卸裙板）进行检修维护，提高检修维护效率。而维护频率较高的进风口滤网底部采用卡槽固定，维护时只需拆除顶部的M8螺栓，方便快捷。

牵引变流器箱可分为开放腔（IP20）和密闭腔（IP65），如图3所示。图3中黑框所围腔体为开放腔，其余腔体为密闭腔。根据冷却系统的功能分布，可将冷却系统分为外循环冷却系统和内循环冷却系统，其中外循环冷却系统位于开放腔内，内循环冷却系统位于密闭腔内。

3 重点设计技术

3.1 可单重运行四象限整流器设计

若中间直流环节发生短路故障，中间直流环节并联的牵引变流器会整机停止工作，而中间直流环节完全独立的牵引变流器则可保留一半动力运行。事实上，牵引变流器密闭腔的防护等级设计通常不小于IP54，且中间直流环节采用复合母排连接，因此发生中间直流环节短路故障的概率较小。对于中间直流环节独立的牵引变流器，由器件增加所带来的器件故障率增加却难以克服。

要使牵引变流器可单重四象限独立运行，首先需对牵引变流器主电路进行优化设计，使其具备可单重四象限运行的硬件基础，即2个四象限整流器模块、2个牵引逆变器模块、1个辅助逆变系统共用中间直流电压回路，同时2个四象限整流器模块可以独立控制;此外，每个四象限整流器模块设有自己独立的预充电回路，使得某一重四象限整流器发生故障后，另外一重可重新预充电启机。

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收稿日期 2020-03-07

责任编辑 党选丽

Design of CRH6A-A short consist intercity EMU traction converter

Jia Zhijun， Du Guangqun， Bao Qingchen

Abstract： The number of short consist （usually 4-car） intercity EMUs is less than that of the standard 8-car EMUs， and the loss of power due to traction converter fault will cause more serious impact on vehicle operation. Therefore， this paper introduces a high-power water-cooled traction converter which adopts the integrated design concept of main and auxiliary charging， including its main circuit design， working principle and overall structure. It further analyzes the key technologies such as single operation four quadrant rectifier and cooling system. The test and practical operation show that the technical performance of the traction converter meets the application requirements of high-power short consist intercity EMU.

Keywords： intercity EMU， short consist， traction converter， integrated design， single quadrant

基金項目：国家重点研发计划——轨道交通列车高效变流装置（2017YFB1200900）

作者简介：贾智军（1985—），男，高级工程师