交流电力机车电传动系统匹配分析

李 辉，颜 罡，张振华，李先岭

(南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲412001)

0 引言

我国大力发展以交流传动为显著特点的轨道交通装备。交流传动电力机车以“和谐号”为代表，主要用于货运/客运运输，具有单轴功率大，控制系统技术领先，运行可靠等诸多优点。在国家各大铁路局甚至是国有地方铁路都先后得到应用，在各地承担着重要的运输任务。因此，对电力机车牵引系统牵引控制方法以及电气匹配的分析和研究具有重要意义。

1 牵引变压器与主变流器的匹配

1．1 牵引变压器

牵引变压器将网侧接触网高压电经过隔离变压后输出到牵引绕组，为主变流器提供电能。在设计时，在安装尺寸、体积满足总体要求的前提下，主要应考虑以下几个方面。

1.1.1 额定容量选择

按照常规计算方法，主变压器额定容量应包括轮轴牵引功率的折算值、辅助系统的折算值、列车供电系统折算值以及变压器损耗等方面，但实际容量往往低于以上计算值。

1)限于机车安装空间和自重，较大的容量往往带来较大的体积和重量，设计难度大且很不经济。

2)机车额定容量的确定主要是基于绕组温升的考虑，因机车运行一般不会长期工作在额定功率工况下，绕组温升一般不会太高，所以，在设计时可以考虑在计算值的基础上有所降低，但是，必须根据机车配属机务段的不同运行区间进行温升校核。

3)机车辅助供电系统和列车供电系统在折算容量时，可按照实际输出的有功功率考虑，且可根据不同负载的工作频繁度进行相应调整。

4)主变压器的过载能力与绕组温度有关，环境温度较低时的过载能力往往大于温度较高的区域，所以在年平均气温较大的区段，主变压器容量确定可稍有降低。

5)主变压器的损耗在参数设计时一般不去考虑，在主变压器的自身技术设计阶段时会考虑预留该部分余量。

6)在某种难以调和的状态下，变压器可通过选用更加优质的材料进行设计，但往往成本会较大程度上浮。

1.1.2 变比确定

主变压器的变比确定主要涉及与主变流器的参数匹配。对变流器而言，牵引绕组输出电压越高，额定功率下的输入电流就会越低，较低的电流可以降低四象限整流器的负担。但并非越大越好，该值受到变流器中间回路恒定电压的限制。

1.1.3 短路阻抗

短路阻抗(主要指漏电感)是交流传动电力机车主变压器设计中的一个重要参数。该阻抗的作用包括:平波和升压电感。

1．2 主变流器

整车电气方案的设计时，它与主变压器的匹配主要涉及主变流器的四象限整流部分、中间直流环节等两个主要环节，其三相逆变部分主要与牵引电机匹配相关。

1．2．1 四象限整流部分

国内“和谐号”电力机车主要包括三个系列，即:株洲电力机车有限公司生产的HXD1系列;大同电力机车有限公司生产的HXD2系列;大连机车车辆有限公司生产的HXD3系列。整流环节均采用了电压型单相桥式四象限整流结构，实现网侧电压和电流的四象限运行，做到能量的双向传输。即:整流系统工作在牵引工况时，电压、电流运行在1、3象限;整流系统工作在再生制动工况时，电压、电流运行在2、4象限;电流相位与牵引时相比相差180度。该结构在稳定输出电压的同时，保证输入端网测电压和电流功率因数接近于1(再生制动时为－1)。

在整车电气方案的设计阶段，主变压器与主变流器的配合主要也是在于与四象限整流的配合。主要包括:变压器变比与变压器短路阻抗。

1)变压器变比:为保证变流器在恒功率输出区间的稳定运行，变压器牵引绕组输出电压需在一定的范围内:牵引绕组电压最小值需符合恒功区变流器的最大输入电流;在维持中间直流恒定且可控的前提下，牵引绕组电压尽可能的大。所以，在调制深度可以达到1的前提下，牵引绕组电压的输出范围必须满足以下的必要公式:

2)变压器短路阻抗:经前文分析，变压器短路阻抗的数值需要与主变流器的设计相配合。该数值的确定可通过计算得出，但目前一般通过仿真软件直接仿真进行匹配。从整车匹配设计角度出发，在保证网测等效干扰电流在要求范围之内的前提下，变压器短路阻抗不应过大。否则，将会造成主变压器损耗、温升的上升，同时体积和成本也随之提高，进而显得极不经济。此外，交流传动电力机车一般采用多重四象限控制，从而进一步降低网测谐波。该技术可以在一定程度上降低对主变压器短路阻抗的要求。

1．2．2 中间直流环节

作为主变流柜内部的变流过度环节，中间直流环节与主变压器的匹配主要是指对谐振电抗器的选取。因为四象限整流器的应用，在中间直流环节引入了100 Hz的电流谐波分量，为滤除该电流分量，保证逆变部分稳定工作，需设置LC谐振电路，需满足:

此外，中间回路二次谐波电流的峰值近似满足以下公式:

设计时，为保证二次谐振回路中电感(和电容)电压较小，二次滤波电感一般应设计得尽可能小。

2 主变流器和牵引电机的匹配

主变流器和牵引电机的匹配直接影响交流传动系统的优越性是否得到最大限度的发挥。在整车设计时，不仅要考虑启动转矩、最大功率，还要保证变流器和电机的重量、外形尺寸的总体限制条件。牵引电机的牵引特性曲线包括三大部分:恒转矩区、恒功率区和自然特性曲线。一般，电机在启动时采用恒压频比启动，使得牵引电机内部定子励磁磁通恒定，轮轴输出转矩基本恒定。随着机车速度的上升，变流器输出电压达到额定值，此时进入恒功率调速区。根据牵引电机内部参数关系，输出转矩近似满足以下公式:

所以，主变流器和牵引电机存在两种典型匹配方案:

1)大电机小逆变器方案:保持Us为一恒定值，转差频率fsl和电源频率fs，按比例调节，即s=fsl/fs=恒值。

2)大逆变器小电机方案:保持转差频率fsl恒定为恒定值。

综合以上两种方案，前者应用较广，目前的主流电力机车均采用该控制方式;后者因其需要较大的变流器容量、车内空间、较高的中间电压等级等，应用较不普遍。

3 牵引电机的控制方式匹配

目前，典型的牵引电机控制方式包括轴控和架控两种:①轴控方式是应用较为广泛的形式。②架控方式也是一种普遍的控制方式。所以，在整车电气方案设计时需要综合考虑机车总体设计要求、线路状况、运行区间等因素，并结合成本控制的相关要求作出合理的选择。

4 辅助系统匹配

电力机车辅助系统是主传动系统正常工作的可靠保障，在方案设计时应注意以下几点:①辅助系统的输入电源可以来自牵引变压器次边，也可以来自变流器中间直流回路，而且各有优缺点。然而，在辅助负载容量要求不大、技术允许的情况下，一般建议采用主辅集成的方式，将辅助变流系统至于主变流柜内部，从中间直流回路取电。②辅助模块的开关器件(通常为IGBT)的开关频率(750 Hz以上)一般大于主变流器的逆变模块，所以控制精度更高。但是与牵引回路逆变器输出三相方波电压不同，辅助系统的输出电压需要经过LC滤波以达到输出正弦的目的。LC滤波参数可以通过计算得到，也可以通过simulink等仿真软件仿真进行匹配，但是，在追求输出电压低谐波含量的同时，必须注意对滤波电感和电容的外形尺寸限制。

5 结语

综上所述，设计人员可以考虑从主变压器与主变流器匹配、主变流器与牵引电机的匹配、电机控制方式的匹配、辅助系统匹配等四个方面着手，并结合机车运行环境和业主的不同要求进行交流传动电力机车电气传动系统方案设计。