永磁直驱160 km/h动力集中动车组动力车电传动系统研究

彭 旭，邢 亮，宋安东

（中车大同电力机车有限公司研究院，山西 大同 037038）

引言

时速160 km/h动力集中动车组自上线运营以来取得了较大的社会反响和经济效益，得到了大多数旅客的认可。随着人们对永磁材料的开发与应用，以及电力电子技术和控制理论的发展，促进了永磁电机在结构工艺、设计理论和控制技术等相关方面的飞速发展，并逐步在轨道交通领域取得应用。

基于已经开展的永磁直驱客运机车的试制，以及部件和整车的试验情况，中车大同电力机车有限公司研究院积累了大量的经验和数据，将永磁直驱技术应用于动力集中电动车组平台上，能够更好地发挥永磁直驱技术在0～200 km/h全速度范围效率和功率因素提升的优势。

1 电传动系统电路组成

永磁直驱160 km/h动力集中动车组动力车电传动系统电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电机等组成。电路的结构组成如图1所示。

牵引工况下，主变压器原边绕组通过受电弓得电，由次边的牵引绕组和列供绕组分别向变流柜、列供柜供电。牵引变流器的中间直流回路同时向三个PWM逆变器（其中包括一个辅助逆变器和两个主逆变器）供电，每个主逆变器向一台牵引电机供电，再生制动时能量反馈回电网，以达到节能的效果[1-2]。

图1 电传动系统结构图

1.1 网侧电路

网侧电路的主要功能是从接触网获取电能，属于25 kV电路。动力车网侧电路由受电弓、主断路器、接地开关等部件构成，其中接地开关、高压电压互感器、主断路器和一个避雷器都布置在机械间的网侧柜内。

网侧电路从功能上可以分为网侧受流、检测和保护功能。网侧电路的组成如图2所示。

图2 网侧电路

1.1.1 网侧受流

网侧电路的主要功能部件有受电弓、主断路器、轴端接地装置等。为了提高原边受流的可靠性，设置了两路相同的受电弓和主断路器，当一路故障时，可切换至另一路正常运行。轴端接地装置用于主变压器原边的回流，确保动力车可靠接地，同时可保护电机轴承不受电蚀[3]。

1.1.2 网侧检测

网侧电路中设置了高压电流、电压互感器和接地电流互感器等测量器件，用于向控制系统和TCU提供检测到的网侧电压、电流信号，从而进行判断并在必要时断开主断路器以保护动力车。

1.1.3网侧保护

当动力车发生故障需要停止从接触网取电时，可通过断路器主断来实现。避雷器用于抑制动力车运行时的雷击过电压和操作过电压。用于在当工作人员作业时，为了防止其他人员误操作导致主断闭合，可将接地开关打到接地位，以保证操作人员的安全。

1.2 主变压器

牵引变压器采用卧式结构，车下悬挂安装方式，如图3所示。次边设有牵引、列供绕组，用于向主变流柜和列供柜供电。主变压器油箱内安装有电抗器，与牵引变流器中的二次谐振电容一起构成二次谐振电路。其主要参数如表1所示。

图3 牵引变压器

表1 主变压器的技术参数

1.3 牵引变流器

牵引变流器在时速160 km/h动力集中动车组动力车牵引变流柜的基础上进行调整[4]。

在主变压器和牵引电机之间进行能量转换和传输的重要部件是牵引变流器，用于控制牵引电机以获得所期望的转矩，具体分为四象限整流、中间直流和牵引逆变等环节。

牵引变流器对单个转向架采用两组四象限整流器+逆变器+辅助逆变器模式。逆变器和永磁电机之间设计有隔离接触器，由于永磁电机会产生较高的反电动势，对中间回路部件造成损害，可以通过接触器将变流器和电机隔离开。辅助逆变器直接并联到中间回路，经辅助变压器和滤波环节隔离滤波后输出3AC380 V，给辅助设备供电。牵引变流电路的主要参数如表2所示。

1.4 牵引电机

动力车采用的是永磁直驱同步电动机，电机采用卧式、内转子、空心轴结构，两端轴承支撑安装。电机通过端面齿传力盘与轮对空心轴联接。牵引电机的主要参数如表3所示。

表2 牵引变流电路的技术参数

表3 牵引电机的主要参数

2 永磁直驱技术在电传动系统中应用的优势

160 km/h动力集中动车组电传动系统中应用了永磁直驱技术的优势如以下几点[5]：

2.1 效率优势

当动力车采用永磁电机时，可以提高牵引效率，同时齿轮箱的取消使得整个电传动系统的效率提升约3%。如图4、图5所示。

图4 异步电传动系统效率

图5 永磁直驱系统效率

与感应电机相比，永磁直驱电机有以下几个优点：

1）无励磁电流，可以显著提高功率因数；

2）定子铜耗相对较小，转子无铜耗，电机效率高；

3）电机采用多极结构，空间、材料利用率高；

4）在20%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率及功率因数；

5）启动转矩大，电机振动小。

2.2 电机全寿命周期成本降低

机车的全寿命周期是指机车研发→制造→出售→使用→报废的整个过程。通常机车的检修维护费用占整个机车全寿命周期费用的66%～88%，是购置费的3～8倍，因此对机车检修维护费用进行有效地控制可极大地降低全寿命周期成本，是评判轨道交通运输装备的重要指标之一。

机车牵引齿轮箱开裂与漏油是传动系统的惯性故障，在定修中需要大量人力、物力进行检查、维护，延长了检修时时；机车的走形部会因齿轮箱的漏油而导致污染，从而影响动车组的运行线路；动车组回段检修时，需要补充大量的润滑油，增加了动车组的运行成本；机车正常运行时主、从牵引齿轮的磨耗非常小，若齿轮箱发生润滑油泄漏且长时间得不到补充时，齿轮间的磨耗会加剧，严重时可能会导致齿轮报废。因此与牵引齿轮箱相关的故障也成为了现阶段迫切需要解决的问题。

而永磁电机在动车组上的应用，由于齿轮箱的取消，只需采用定期对永磁电机进行检修维修即可，大大降低了动车组全寿命周期的成本。

2.3 噪声降低

机车的噪声很大一部分来自于齿轮箱的运行，特别是在机车高速行驶时。因此齿轮箱的取消，可以大大减少噪声的来源，提高动车组运行的舒适性。

3 结语

通过对永磁直驱160 km/h动力集中动车组动力车电传动系统的分析，掌握了动力车交流传动系统的构成、工作原理和工作过程，为动力组的运营和检修提供可靠的技术支持。