CRH3高速动车组交流传动系统分析

朱帼蓉 上海铁路局科研所

CRH3高速动车组以德国ICE-3列车改进的。ICE的全称是Inter City Express，即城际快车。该车采用的交流牵引系统，是德国西门子公司用于客运车辆（地铁、城轨）及长途客车（电传动内燃机车、电力机车）的VVVF交流传动系统，主要有三部分：

(1)SIBAS 32 system牵引电子控制单元。使用32位微处理器的西门子Bahn Automatisierungs系统，进行列车牵引和电力传动中调制和逻辑控制功能。也包含了整个车辆控制单元的信息处理。同时集成了车辆诊断系统和提供调试和维护帮助的系统。满足IEC 60571与EN 50155的标准要求，并符合EN 50121－3－2中规定的电磁兼容条件。

(2)四象限斩波器进行整流与反馈和IGBT组成电压型脉宽调制三相桥式逆变器。

(3)560 kW自通风三相鼠笼式牵引电机。

1 列车牵引特性综述

1.1 概述

列车编组：8车 EC08-TC07-IC06-FC05-BC04-IC03-TC02-EC08

16车 2列8车联挂

EC： 带驾驶室牵引逆变器的动车

TC： 带变压器和单辅助逆变器的拖车

IC： 带牵引逆变器的动车

BC： 带餐厅双辅助逆变器的拖车

FC： 带头等座和双辅助逆变器的拖车

1.2 列车工作情况

最大速度：380 km/h

电源电压：27.5 kVAC变2×1 550 VAC进变流器输入（变化范围：1 085 VAC～1 922 VAC）

辅助电源：三相400 V AC 50 Hz 160 kVA

低压电源：110 VDC 电源（变化范围：77 VDC～138 VDC）

1.3 牵引与制动

最大加速度：启动加速度为0.5 m/s2，0～200 km/h平均加速度0.38 m/s2

最大冲动率：0.75 m/s3

车轮直径：920 mm（全新）～830 mm（全磨损）

减速箱传动比：2.788/1

减速箱的机械损耗：3%（最大估计值）

紧急制动：

气电混合制动300 km/h～200 km/h减速度a3=0.9265 m/s2；200 km/h～80 km/h

制动力 a2=1.1364 m/s2；80 km/h～0 km/h制动力 a1=1.048 m/s2。

常用制动：最大达到1 m/s2共分8档（电与气混合制动）

2 主电路的分析研究

2.1 主电路工作原理

主电路工作原理见图1。

图1 牵引系统主电路原理图

牵引逆变器是三相电压型。接触网上27.5 kV/50 Hz单相交流电由变压器变成2组1 550 V/50 Hz交流电。通过单极断路器和预充电电路（在接通期间）连接到两个并联四象限斩波器4QC模块（每个模块为一个半桥）给直流回路供电。直流回路电容器、谐波吸收电路、接地故障检测和保护模块位于直流回路内。经脉宽调制逆变器将直流电源变换成三相变频交流输出电源，供给三相异步牵引电机。四象限斩波器4QC模块其任务是将单相交流输入电压转变为直流电压，并控制直流回路之间的能量流。四象限斩波器表示在牵引及制动时，电压UST和电流 IN之间的相角是可以自由调整的。通过电压和电流之间相角的控制，可以获得四个运行象限。进行再生能量的反馈(见图2)。

图2 四象限斩波器原理图

预充电单元由预充电接触器和电阻器VLW构成。在逆变器投入运行时，逆变器的DC回路电容器先在预充电单元上充电，然后断路器闭合。这可降低突然接入电容器上初始冲击电流。当主断路器要求打开时它处于无电流条件下才能断开。DC回路电容由4×0.75 mF电容器构成，总共3 mF。谐波吸收电路，由电容器CSK和和一个外部扼流圈LSK构成（不在牵引变流器的内侧）。其分两次过滤输入电压导致的DC回路中的波动。谐波吸收器的电容容量共有Cn=4.5 mF。

2.2 主电路特点的分析

电阻制动控制器包括与电阻串联的IGBT。制动电阻Rmub安装在地板下、牵引逆变器箱外部，在制动时，来自电机的能量将提供给DC回路。让电阻吸收来自中间电路不能反馈到接触网的能量。制动电阻器由分开安装的三相风扇强制风冷。制动电阻器有一个热量监视装置，提供超温报警。超温装置的输出由牵引控制电子单元(CCU)监视。Rmub电阻的另一个作用是对直流回路的过压保护，线路电压超过3 600 V时触发保护，限制电压的上升。

接地故障检测由分压器，差动放大器构成。连续放电电阻分成99 kΩ：34 kΩ比的两个部分，当出现接地故障时，测量电压改变，逆变器的TCU（牵引控制单元）得到接地故障信息。

3 VVVF牵引和制动逆变器系统的分析研究

3.1 VVVF逆变器的一般技术参数

牵引逆变器为四个牵引电机 (亦即：两个转向架)提供变频变压(VVVF)电源。牵引逆变器的参数为：

输入电压

牵引时：2 700～3 600 V D.C；

制动时：2 800～3 600 V D.C；

IGBT 开关频率 460 Hz(最大)；

逆变器输出最大相电流峰值 880 Ar.m.s；

输出频率 0～200 Hz；

输出电压 0～2 500 V A.C；

持续输出功率 牵引时2 383 kW；制动时1 843 kW。

3.2 逆变器脉宽调制的控制策略

在低频段采用异步调制方式，载波频率相对提高，改善输出特性对称性。中频段采用分段同步调制方式，输出三相波形严格对称。高频段采用方波输出，使输出效率最高。

为了使逆变器的性能达到最佳并且减少谐波，用增加逆变器的频率来改变PWM的类型。不同的PWM类型如下：

异步相交的PWM--这些PWM波形由调制的正弦波（表示逆变器要产生的电压）和"锯齿"载波产生。

同步相交的PWM--这是异步相交的PWM的一种特殊情况，其中载波与调制波同步，以减少3RD（第三）和5TH（第五）谐波。

全波--这些PWM的波形具有相等的导通和关断时间，以较低的逆变器损失产生最大的电机电压。

输出脉冲驱动器应被设计成以便产生的脉冲宽度不超过逆变器的最小导通时间11 s，最小关断时间11 s和间隔时间（无电压的）10 s的限制值。

3.3 牵引电机的控制方法

图3 矢量控制示意图

电机由脉宽调制(PWM)电压源逆变器供电。逆变器使电机能得到平衡三相电压，并且电压的幅值和频率均可调整。电机控制采用包含磁场定向控制的矢量控制方法用来静态地和动态地精确控制转矩。磁场定向控制建立在电动机磁通幅值大小和角度的基础上。由于这些变量不能直接测量到，所以使用计算模型来模拟异步电机的内部结构。电动机磁通是通过实际测量值，如电机电流和速度等效变换而计算得到(如图3所示)。该方法减少了响应时间，能获得与给定转矩非常接近的转矩，改善了低速运行情况。

矢量控制给出非常迅速的磁通和转矩响应 (对非磁通化电机的响应时间小于1s)，最佳地控制电机的电流。矢量控制使逆变器短时关闭后能迅速重建功率，无需等待电机内的磁通完全消失后再工作。由于矢量控制法根据电机磁通来调节逆变器输出电压，宽频带的调节器实现已建立磁通的转矩控制。转矩由电流环路控制，降低了过流的可能性。该矢量控制以电机外部测量结果为基础。相电压的测量由电隔离的传感器实现，传感器直接连接至逆变器的输出端，用于控制和监测的电流测量也在逆变器输出端进行。

3.4 牵引电机的主要参数

牵引电机是四极三相异步电机，型号为1TB2019-0GC02，是西门子公司横向安装的三相鼠笼式感应电动机。该电机能够承受各种应力并满足IEC349-2和VDE 0535对轨道车辆的要求。它属于允许工作在恶劣环境条件下的低磨损电机。根据设计，它应能长期工作仅需少量维修。

其主要尺寸数据如下：

4 结束语

以上对CRH3高速动车组牵引系统的主要控制功能作了较为详尽的分析研究，该系统采用IGBT作为牵引逆变器的功率模块，其控制方法与传统的矢量控制有所改进，降低了过流的可能性，使电机转矩响应更快。该系统将被用在沪宁、沪杭城际高速铁路及即将通车的京沪高速铁路的动车上。