动车组多制式牵引传动系统设计探讨*

张 瑜，哈大雷，姜 雪，白 龙

（1 中车长春轨道客车股份有限公司，长春130062；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

目前我国轨道交通领域采用的是25 kV/50 Hz交流供电系统和1 500 V 或750 V 直流供电系统，其中交流供电系统用于机车和动车领域，直流供电系统用于城市轨道交通领域，这2 种供电系统是相互独立的。在国外，由于历史发展原因，在很多国家以及地区并存着多种牵引供电制式。日本采用直流1 500 V、交流20 kV/50 Hz 和交流20 kV/60 Hz 等3 种牵引供电制式；美国采用12 kV/50 Hz、12 kV/60 Hz 以及2.5 kV/60 Hz 等3 种交流供电制式；南非采用25 kV/50 Hz 交流供电制式与3 kV 直流供电制式；欧洲地区同时拥有交流15 kV/16.7 Hz和25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和3 kV 等4 种 供 电制式［1-2］。

国家提出的一带一路和高铁走出去等发展战略说明，研究适用于不同供电制式的动车组是具有重要意义的。

1 国内外研究现状

1.1 几种有代表性的电力机车

（1）西门子BR189 型多流制电力机车

车上配置4 个受电弓，兼容的供电制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。该机车采用了Eurosprinter 多制式牵引变流器，其主电路结构如图1 所示。红色箭头所示为交流制式电路路径，蓝色箭头所示为直流制式电路路径。

（2）阿尔斯通PRIMA 3U15 型电力机车

车上配置3 个受电弓，兼容的供电制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz 和 直 流1.5 kV 等。该机车采用了ONIX 牵引系统，其主电路结构如图2 所示。红色箭头所示为交流制式电路路径，蓝色箭头所示为直流制式电路路径。

（3）庞巴迪TRAXX MS E186 电力机车

车上配置4 个受电弓，兼容的供电制式包括交流15 kV/16.7 Hz、25 kV/50 Hz、直 流1.5 kV 和 直流3 kV 等。 该机车采用TRAXX MITRAC TC 3000 系列牵引变流器，其主电路结构如图3 所示。红色箭头所示为交流制式电路路径，蓝色箭头所示为直流制式电路路径。

1.2 多制式电力机车主电路的对比分析

1.2.1 多制式电力机车主电路结构的共同点

（1）主断路器的设置。在多制式供电系统中需设置相对应的主断路器，应用于供电回路中。交流供电系统主断采用的是真空断路器，直流供电回路则采用高速断路器。同时处于安全接地方面的考虑，无论何种供电制式的主断，均需要设置相对应的接地开关。

图1 BR189 机车主电路拓扑

图2 PRIMA 3U15 机车主电路拓扑

图3 TRAXX MS E186 机车主电路拓扑

（2）弓网的匹配性。不同的供电制式应采用不同的受电弓，多制式机车采用与一般的电力机车大致相同的选择原则，但具体应针对网压、弓网特性和限值要求来全面考虑。

（3）制动方式。在直流供电制式下，设置制动电阻来实现列车的电制动，将由于电机制动而产生的能量不用回馈到电网上，直接在制动电阻上进行消耗。或者如果地面设有吸收装置或邻线车辆牵引时也可以吸收电制能量。这样做可以避免迅速升高网压，继而影响列车的正常运行。

（4）避雷装置。多制式机车处于交流供电制式下，采用双避雷器的形式。一方面保护网侧产生的过电压，另一方面可以保护牵引变压器侧产生的过电压。在直流供电制式下，不存在牵引变压器，因此仅需设置直流避雷装置，用于保护直流网侧产生的过电压。

1.2.2 多制式机车主电路结构的差异

（1）是否将牵引变压器副边绕组作为直流供电制式下的平波电抗器。这样做一方面可以降低整车的质量，而且可以节省空间和降低成本。但同时需要大量的工作来优化作为平波电抗器使用的变压器绕组的参数和性能，一定程度上提高了主电路电气元件选择的难度。

（2）是否在直流供电制式下的主电路中采用四象限斩波电路。四象限斩波电路的存在可以稳定中间侧直流电压，但在列车实际运行过程中，要求所有的四象限控制模块全部处于工作状态，因此会增大故障产生的概率，冗余性方面也较差；如果不采用四象限斩波电路，主电路结构得到进一步的优化，且降低了整个牵引变流器的成本以及设计难度，但也会提高牵引电机的设计要求，提高电机所要承受的电压范围。

文中在分析了多制式电力机车优缺点的基础上，提出了动车组用多制式牵引变流器的主电路结构和供电制式切换控制策略等，并针对具体的切换问题提出相应的优化方法。

2 多制式切换控制电路结构及其控制方法

2.1 多制式牵引变流器主电路结构

AC 25 kV/DC 3 kV 多制式牵引系统电路采用两点式电压型交-直-交电路，原理图如图4 所示。电路工作原理如下：AC 25 kV 供电模式下，QS1、QS3 和QS6 闭合，QS2、QS4 和QS5 断开，DC 3 kV 供 电 模 式 下，QS1、QS3 和QS6 断 开，QS2、QS4 和QS5 闭合，QS1/QS2、QS3/QS4、QS5/QS6 分别为一对触头，一常闭一常开，触头机械互锁。AC 25 kV 或DC 3 kV 通过各自的主断路器VCB 后进入牵引变压器，变压器的副边牵引绕组为两重四象限提供电源，经过充电短接后，两重四象限工作把中间直流电压稳定在DC 3 600 V/DC 3 000 V给逆变模块供电，两重主逆变器输出电压及频率可调的VVVF 电压驱动牵引电机工作。同时，中间直流回路也需要给车载辅助变流器供电，产生380 V 交流电供给动车组上的中压负载［3］。

图4 多制式牵引变流器主电路结构

2.2 多制式切换控制方法

2.2.1 多制式切换控制方法的比较

传统的供电制式切换方法及工作原理如图5所示：

与列车过分相类似，不同制式之间的区域设置无电区，用于进行制式切换，设置磁铁进行位置标定。列车上装有2 个制式切换传感器A 和B，用于感应轨道上设置的磁铁。

（1）准备进入无电区前，传感器A 感应磁铁1，产生电信号导通相应继电器，并作为反馈信号回送给控制器，继而通过软件撤销交流主断路器使能信号，断开交流主断，此时直流受电弓和直流主断均不动作。

（2）进入无电区后，传感器A 感应磁铁3，导通继电器，使车载控制器发出降弓指令，降下交流受电弓。传感器B 感应磁铁2，直流制式对应的控制器2 发出升弓指令，升起直流受电弓，此时直流主断不动作。

（3）通过无电区后，传感器B 感应磁铁4，继而控制器2 发出使能直流主断闭合信号，最终闭合直流供电制式的主断路器。

动车组在无电区时是惰性运行，无电区的设置距离应越短越好，但也应保证列车降弓、升弓的时间。传统供电制式切换中，不同供电制式对应不同的用于制式切换的控制设备，但切换前后均只有一组控制设备处于工作状态，设备利用率较低，控制电路冗杂且增加了动车组的质量。

为了解决这个问题，文献［4］提出了1 种新型制式切换方法，该方法可以使动车组上只有1 套传感器和控制器，具体切换过程如图6 所示。

图5 传统切换方法

图6 新型切换方法

（1）与传统方法相似，准备进入无电区前，断开交流主断，直流受电弓和直流主断均不动作。

（2）进入到无电区后，传感器感应磁铁2，导通继电器，使车载控制器发出降弓指令，降下交流受电弓。同时，该控制器发出直流受电弓升弓指令，升直流受电弓但直流主断不动作。

（3）通过无电区后，传感器感应磁铁3，控制器发出使能直流主断闭合信号，最终闭合直流供电制式的主断路器。

由上述切换过程可知，该方法使得只需设置1套控制器就可实现2 种供电制式的切换，也优化了牵引变流器本身的结构和控制软件，因此该种方法更适用于图4 所示的主电路结构中。

2.2.2 供电制式切换时牵引变流器控制流程

供电制式切换过程中牵引变流器侧的控制流程如图7 所示。将新型供电制式切换方法应用于多制式牵引变流器，应在列车TCU（牵引控制器）程序中编写切换逻辑，按照切换控制流程设定接触器指令时序，通过TCU 中板卡硬线信号来控制相应接触器的导通和关断，包括封锁逆变器和整流器信号、控制短接接触器、多极开关以及主断路器等，即可实现供电制式的安全切换。

图7 供电制式切换变流器控制流程

2.3 供电制式切换相关问题

（1）牵引变压器副边绕组

由图4 所示，当供电制式由交流切换成直流后，牵引变压器副边绕组作为直流供电的平波电抗器使用。适当修改主电路结构，可以实现连接变压器1 组或者2 组副边绕组，这样可实现不同的电感值。文献［5-6］通过ANSYS 仿真软件完成了不同数量绕组的电感值的计算及其磁场分析，确定了该方法的可行性，即在实际应用中根据不同的直流供电需求进行主电路优化。

（2）对电气元件的影响

牵引变流器中包含了很多感性、容性以及开关器件，而供电制式切换过程势必伴随着电压和电流的突变，因此对其过渡过程的分析是十分必要的，多制式切换动态响应对变流器器件的选型也具有一定的指导意义。

3 多制式传动系统切换过程暂态分析

3.1 交流供电切换到直流供电

动车组从交流供电网进到无电区后，首先会断开车上的牵引负载，使得该牵引单元的变压器处于空载状态。通过TCU 软件控制断主断后，变压器被切除。但由于供电回路中的感性负载的存在，供电电流的突然断开势必会产生短时的过电压。过高的过电压、很大程度上对高压器件的绝缘产生影响。并且原边绕组上的过电压会反作用于接触网，使其工作于异常状态［7-8］。

3.2 直流供电切换到交流供电

由于牵引变压器副边绕组在直流供电制式下作为平波电抗器使用，当直流制式切换回交流制式并合上交流主断时，铁芯磁通不会突然减小，因此空载变压器会有大量剩磁存在，感性元件工作于磁化曲线非线性区域，势必会产生一定的冲击电流，该电流被称为励磁涌流［9-10］。

涌流电流的大小与电压的初始相位角和变压器剩磁大小均有关，当初始相位角为0°时，电流最大，相位角为90°时，电流最小。

涌流电流中含有大量的高次谐波，会导致电流最大值超过额定电流值的10 倍，且供电制式切换过程中产生的暂态谐波分量会产生强烈的电磁干扰，严重影响牵引供电设备和供电网络。

基于此分析，有必要对暂态过程产生的谐波分量进行抑制，以满足供电系统以及电气部件电磁兼容性的要求。文献［11］提出在交流过渡区设置感应滤波隔离变压器，用来限制多制式列车在交流接触网合闸时的谐波电流并且有效地隔离电流中的直流分量，感应滤波隔离变压器设置如图8 所示（TS 即为感应滤波隔离变压器）

图8 无电区隔离变压器单元电路图

图9 四象限变流器等效电路图

该项技术将网侧电源与谐波源隔离开，实现了系统的稳定性和良好运行，提升了逆变器关断角裕度，降低逆变器换相失败概率等。但该种方法需要设置新的变压器，增加了质量，降低了动车组的空间利用率。

由励磁涌流原理可知，改变变压器合闸角也具有一定抑制效果，但需要提前确定剩磁的大小，应用起来具有不小的难度。

结合了变压器励磁震荡原理［12］，针对动车组应用的实际需求，提出了新型变压器涌流电流抑制方法。即适当控制变流器中的四象限整流，即选取合适的控制器参数，其直流侧可以等效为一个电容，而在无电区时，交流侧可以等效为一个电感和电阻，如图9 所示。

对于如图9 所示的二阶系统来说，由于电阻的存在，切换过程产生的电流的幅值会不断衰减，达到了去磁的目的。随着电流的变化，变压器的剩磁能量也会衰减，去除剩磁后就可达到抑制涌流的目的。

该方法在实际多制式动车组上得到了应用，取得了较好的涌流电流抑制效果。

4 多制式传动系统切换保护点设置及相应的保护策略

一种新技术在轨道交通领域应用，最重要的是要考虑安全性方面的要求，因此多制式切换控制要在列车上应用的话，在原有列车牵引系统保护点的基础上，应针对有可能的新故障点设置检测与保护，使得此项技术得到绝对安全的应用。

4.1 过电压保护

第3 节的切换过程暂态分析中指出，多制式列车在由交流制式切换到直流制式过程中，会产生过电压现象。实际车组上，该电压持续时间不长且能量也不大，但是电压幅值却很高，所以实际应用中采用非线性电阻或氧化锌避雷设备来限制过电压。

除了上述措施外，基于对变流器侧电气元件的保护目的，变流器控制软件也应对过电压设置保护。TCU（牵引控制器）实时采集中间直流侧电压，软件中采用du/dt控制方法，即设置直流电压变化率监控，来判断出短时过电压的产生。同时也对直流电压的幅值设置限制，如电压变化率或者电压幅值超过限制，变流器会立即报出故障并进行相应电气元件的保护。算法流程如图10 所示。

图10 过电压保护策略

4.2 直流切换交流的涌流电流保护

第3 节分析中指出，多制式列车在由直流制式切换到交流制式过程中，会产生浪涌电流，增大电流谐波。除了上文中提到的抑制励磁涌流的方法外，实际应用中还应对交流侧的电流设置保护点，使浪涌电流的幅值不能超过限制，确保电气元件的安全。

同样地，TCU 中的采样板卡也实时采集直流回路电流值，列车高压单元会发给TCU 实时网流值。控制器软件根据采集到的电流值进行限值判断，如超出限值，则立即报出故障并进行电气元件保护动作，具体流程如图11 所示。

图11 涌流电流保护策略

4.3 交流切换直流的元件保护

供电制式由交流供电切换到直流供电后，四象限整流器处于不工作状态，在实际运行中应将其完全隔离开，规避其与直流制式供电下牵引变流器的相互影响。因此，应对切换四象限整流电路的隔离开关QS 进行保护设置，确保列车牵引系统在直流供电制式下对四象限整流电路的完全隔离。TCU 实时监控QS 接触器反馈的闭合状态，如与指令不一致，则立即报出故障并进行电气元件保护动作，具体如图12 所示。

图12 四象限整流电路隔离开关QS 保护策略

4.4 过热保护

多制式切换控制方案是将牵引变压器副边绕组作为平波电感器进行复用，在切换过程中会产生浪涌电流与谐波，而谐波电流会增大绕组的发热，进而影响牵引变流器的稳定运行，产生安全隐患。因此应在牵引变压器副边绕组上进行温度采集，TCU 软件中设置过热故障保护，确保牵引变压器的安全正常工作，具体流程如图13 所示。

5 结 论

将多制式供电系统控制技术应用于动车组领域，针对一种应用于动车组上的25 kV 交流供电和3 kV 直流供电的新型多制式牵引变流器的主电路结构、多制式切换控制方法以及控制问题进行了论述。重点分析了多制式切换的暂态过程以及不同于传统牵引变流器的问题并给出了解决方案。最后从轨道交通领域安全要求入手，为了更好的利用多制式切换技术，在牵引传动系统中增加了4个故障检测点及相关保护策略，并进行了探讨，对多制式牵引传动系统的设计具有一定的指导意义。

图13 变压器副边绕组温度保护策略