CRH2 和CRH1 型动车组牵引变流器性能比较与优化

杨奇珍

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

1 动车组牵引系统

动车组通常由8 辆编组组成（标准组），以和谐号CRH2A型动车组为例，8 辆车编组形式一般为“T-M-M-T-T-M-M-T”（T 代表拖车，M 代表动车），由两个“二动二拖”的牵引集成单元构成了全列“四动四拖”结构。每个牵引单元通常包括1 台牵引变压器及其冷却单元、2 台牵引变流器及其冷却单元，1 台牵引变流器可操作控制4 台牵引电机，一共包含8 台牵引电机，以及牵引电机冷却风扇等。

动车组电源通过接触网获得电能，经受电弓引入单相交流的25 kV/50 Hz 电压完成供电，通过VCB（真空断路器）与牵引变压器的一次侧绕组相连接，VCB 控制其牵引电路开闭。牵引变压器的结构是由二次绕组及2 个线圈组成，一次电压为25 kV 时，通过绕组二次侧电压转换为1500 V；另外还有辅助绕组，通过辅助绕组二次侧电压为400 V。

牵引变流器作为最主要的变换装置，其主要分布安装在各M 车上，同时也会搭载1 台变频器和逆变器，一般采用交直流相互转换的方式，其原理为AC-DC-AC，当列车需要牵引时，则由牵引电机提供电力，变频调速、制动时进行电力再生控制。当主变换装置故障时，其他各个单元器件也具有保护功能，能单独控制相应各M 车的动力输出。基本单元部分可以用周期控制的VCB 进行整体断开，不会影响其他单元的独立动作。

动车组总共有16 个牵引电机，安装在02、03、06、07 车的动力转向架上，每个车轴都有1 个牵引电机。牵引电机使用三相鼠笼式异步电机，该电机在驱动模式下将电能转换为机械能，并在制动期间将机械能转换为电能。其轴端安装的速度传感器，作用是自动控制装置检测速度。

目前，高速动车组主要采取AC-DC-AC 的供电方式，牵引变流器的组成主要由3 部分构成：电网侧变流器（LCM），中间直流元器件，电机侧变流器[1]。此电路为动车牵引的核心部分，完成整个能量的传递和交换。

2 CRH2、CRH1 牵引变流器的功能

2.1 动车组牵引变流器一般结构特性

（1）主电路。主电路系统通常以2 辆车为1 个动力单元，主电路系统电源是单相交流电，由受电弓引入。牵引变压器一次侧绕组主电路的开闭由VCB 控制，同时，电流被引入另一个牵引变流器的脉冲整流器中。每辆M 车都配备了牵引变流器，除了控制2 辆车的电源和制动系统外，它还具有根据车辆运行信息进行控制并实现脉冲整流器的车辆保护功能，另外值得注意的是，载波阶段操作减少了当前操作对动车组运行的干扰。

（2）牵引变流器。牵引变流装置由单相交流变为直流电力的整流器部分、直流电流变为三相交流的逆变器部分、吸收电压波动获得直流定压的直流电压电路（滤波电容器）部分构成。由于整流器、逆变器可进行精密的电压调节控制，作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块），能减小交流电压波形的失真，由此降低了牵引电机、牵引变压器的电磁噪声，因而减少了转矩波动。

（3）逆变器部分。逆变器将滤波电容器电压作为输入，通过IGBT 元件，实现无触点控制装置的信号输出控制，从而达到对可变电压、可变频率的三相交流电压转换的目的，其作用是控制4 台电机速度和扭矩。再生制动工况时，以感应电机发出的三相交流电作为电源输入，向滤波电容器侧输出直流电压。

（4）中间直流部分。每台滤波电容器由2 台整流器、3 台逆变器所组成，过滤电容器上端则由备用充电电路连接。在启动时，通过内置变压器从辅助绕组开始初期充电，以此来防止牵引主电路接触器闭合时所产生电流过大的问题。

2.2 CRH1 和CRH2 动车组牵引变流器对比

尽管CRH1 和CRH2 动车组牵引变流器的总体结构看上去相似，但实际在主电路的拓扑结构和相应的控制策略方面存在很明显的区别。中国的铁路供电网络一般采用的25 kV/50 Hz 单相交流电源。CRH1 动车组牵引变流器采用两重两电平四象限脉冲整流器，目的是将主变压器次级侧的交流900 V 转换成直流1650 V，通过逆变器转换成三相交流电。而CRH2 动车组牵引所使用的转换器，是将使交流1500 V电压转换成直流3000 V 电压，经过逆变器变转换成三相交流电。其主要参数见表1、表2，可以系统清晰地观察到两种不同结构的差别所在。

表1 两种牵引变流器结构对比

表2 两种牵引变流器电气参数对比

2.3 CRH1 和CRH2 型动车组牵引变流器优缺点

（1）网侧变流器。CRH1 动车组电网侧变频器采用两重四象限脉冲整流器[2]。主要组成部分是并联的二电平四象限整流器，其载波偏移了一定角度，并且整车中5 个电网侧转换器的触发脉冲也偏移一定角度。该结构同时消除了输入转换器的高次电流谐波，并在一定程度上减少了输出脉动干扰。另一方面，如果转换器发生故障，系统可以不受其干扰，继续可靠地运行。但由于转换器处于两个电平的机构特性，因此在运行中，往往还存在系统容差，其产生的谐波也难以去除，因此网侧必须装有消除谐波的模块，以减少谐波对电网造成的冲击。由于出现故障现象时该部分电路会断开，大大降低了车侧电网转换器的高次谐波抑制功能。CRH2A 动车组电网侧转换器是使用载波相移调制的三电平四象限脉冲整流器[3]。电网侧由于其波形接近于正弦波，因此谐波比较小。当功率增加时，其耐压性也会相对提高，输出效率随之变高，并且电网侧的功率因数几乎为100%。但其缺点也比较突出，主要表现为控制方法繁琐，电路结构复杂，中点电压不平衡等特点。

（2）中间直流环节。CRH1 动车组的中间直流结构包括1 个二次谐波滤波电路，该电路由4 个串联连接的电容器和1 个电感器组成，对脉冲整流器输出频率的脉动能量进行两次平衡，提高输出直流电源质量。像CRH2 的中间DC 电路一样，它包括支持电容器、预充电电路和再生漏极电路等，区别在于CRH2 动车组中间DC 电路不存在二次谐波电路，通过调整脉冲整流器可以降低或消除谐波，有效节省了设备空间占有率，使动车故障检测和维护都变得简单易操作。

（3）电机侧变流器。CRH1 动车组电机侧变频器是两电平三相逆变器，其优点是结构简单，并且可以轻松实现电压、频率的调节和控制，从而实现了负载电机的转速和扭矩。在再生制动期间，由于电机会产生三相交流电，可以通过整流后返回直流母线，最终达到反馈给电网的目的。但缺点也显而易见，由于输出电压为二级，具有脉冲大、谐波高、对电网侧冲击比较大等特点[4]。CRH2动车组的电机侧转换器是两电平三相逆变器，其输出电压为三级。优点是电能纹波小，电能质量高，负载电流接近于正弦波，输出能量不受负载变化的影响。此外，电桥结构使每个电桥臂的功率管数量都增加了一倍，其电压也相对降低，同时使得集成模块使用年限延长，并在再生制动期间稳定了直流侧。其缺点是结构复杂、逻辑程序繁琐，功率管数量的增加为故障诊断和状态监测带来了一定困难。

3 牵引变流器主电路优化

综合比较上述高速动车组牵引变流器的主电路结构特点，考虑到各种因素，如重量轻、集成度高、可靠性高、安装和维护方便以及技术成熟度等，可以针对牵引变流器的主电路做如下优化，改善性能：①主电路采用成熟的两电平结构，采用2 重四象限＋2 重逆变器的结构可以改善电网侧的谐波性能，并且1 个逆变器模块驱动同一转向架上的2 台牵引电机，有助于同时实现车控与架控；②充电电路采用双充电接触器+充电电阻的结构，结构简单，同时提高了系统冗余度；③中间直流回路具有次级谐振回路（可以根据输出删除次级谐振回路）、固定放电回路和快速放电回路，可以通过电流传感器选择接地故障，选择电压传感器检测；④采用主电路和结构主辅一体化设计，四象限脉冲整流模块，牵引逆变器模块和辅助逆变器模块采用集中布置，并通过低灵敏度母线共享中间直流回路和冷却系统，重量轻，体积小；⑤牵引变流器箱中高度集成了牵引变流器、冷却系统、辅助逆变器输出降压变压器、三相滤波电容器和接触器；⑥将无火回送升压模块添加到中间直流环节，当动车组处于非回火模式时，电池DC 100 V 通过模块升压到中间直流环节，让牵引变流器给牵引电机完成励磁并开始辅变启动，提高整车在无火回送时的舒适度。

4 结束语

从动车牵引系统组成出发，引出牵引变流器在动车组牵引单元中所占据的重要地位和其实现的重要功能，具体介绍了牵引变流器的一般结构。以CRH1 和CRH2 两种不同型号的动车组为例，详细分析它们各自的牵引变流器具有的不同电路结构和不同的功能特性，对比了它们的优缺点，并在最后对牵引变流器的主电路结构设计如何进行优化提出了可行的建议。