时速160公里动力集中动车组动力车牵引系统设计

刘斯嘉

中国中车集团大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116023

1 前言

在轨道交通运输中，采用电动机驱动来满足车辆牵引的电气传动部分，称为牵引电传动系统，简称牵引系统。它以牵引电机为控制对象，对电机的牵引力和速度进行调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求。时速160公里动力集中动车组动力车的牵引系统是在借鉴HXD3G型电力机车成熟的设计和应用经验的基础上，结合中国铁路的实际情况由中国中车集团大连机车车辆有限责任公司设计而成。

动力车采用单轴独立驱动控制方式(轴控方式)，交直交变流技术，牵引变流器采用MVB网络与以太网双网冗余技术实现与外部的数据通信。

2 牵引系统组成与特点

牵引系统由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等部分组成。

牵引变压器主要设计特点:

(1)采用下悬式安装，强迫导向油循环风冷方式，内装一台牵引变压器，四台串联电抗器，总重7.6t。

(2)变压器采用心式卧放结构，A级绝缘，普通矿物油；变压器及油循环系统均采用真空注油，储油柜封入高纯度氮气，是与空气完全隔离的全封闭结构，冷却装置分开布置。

(3)高阻抗绕组结构，使变压器内部空间磁场很强，大量采用无磁结构件。

(4)油箱采用磁屏蔽的方式，避免漏磁干扰外部信号。

(5)线圈导线采用Nomex纸绝缘，具有耐热等级高，机械强度大的特点。

(6)全铝板翅式冷却器，两路油循环系统。

牵引变流器主要设计特点:

动力车由两个结构和原理相同的牵引变流器构成。每个牵引变流器是由2个牵引供电单元、1个辅助供电单元、1个列车供电单元以及共用的水冷却系统和相应的控制单元等组成，牵引供电单元、辅助供电单元和列车供电单元分别由主变压器牵引绕组、辅助绕组和列车供电绕组供电，保证各个系统在电气线路上完全独立和相互隔离。

牵引变流器采用强迫水循环冷却方式，牵引供电单元、辅助供电单元和列车供电单元共用水冷却系统，冷却水泵、冷却管路和检测部件位于牵引变流器中，散热器和冷却风机位于动力车上复合冷却塔中，共同组成的冷却系统能够确保变流器功率模块的冷却要求。

牵引电机主要设计特点:

动力车用牵引电机采用单端联轴器输出，参考HXD3D和HXD2F型机车牵引电机开展设计，主要设计特点:

(1)整机采用架悬安装，非传动端单轴承支撑，通过薄板联轴节与主动齿轮连接组成驱动装置；

(2)电机安装有速度传感器和定子温度传感器并预留6A接口；

(3)电机采用单轴承结构，轴承选用内圈宽系列的NUB型绝缘圆柱滚子轴承NUB220；

(4)转子采用联轴节输出形式，线速度高，采用高强度铜合金鼠笼加护环的结构；

(5)牵引电机采用轻量化设计，适用大功率、高速运用条件。

3 牵引变流器设计

动力车牵引变流器采用牵引、辅助以及列供分离设计方案，辅助单元及列供单元安装在牵引变流器内部，但其主电路均完全独立。每列动力车配置2台牵引变流器，每台牵引变流器中有两组完全独立的供电单元，每组供电单元是由一个四象限整流器、一个中间电路和一个三相PWM逆变器组成，并驱动一台三相异步牵引电机，实现整台车的完全轴控驱动方式每台牵引电机额定功率1400kW，短时功率1600kW。

变压器牵引绕组输入单相交流电首先经由充电接触器、充电电阻组成的充电回路对直流回路的支撑电容充电，充电完成后闭合短接接触器，主回路进入工作状态。

牵引工况时单相工频电网电压经四象限PWM整流器整流为3500V直流电压，再经逆变器逆变为三相VVVF电压为牵引电机供电。再生制动工况时牵引电机发出的三相电压经整流、逆变后通过牵引变压器、受电弓反馈回电网。

过压斩波电阻用于直流回路的过电压抑制及停机后的快速放电，固定放电电阻用于快速放电回路故障后将支撑电容电压放至安全电压以下，另外直流分压电阻采用中点接地，用于变流器主电路接地检测；电流传感器用于检测变流器输入、输出电流及斩波电流，电压传感器用于检测变流器直流回路全电压和半电压。

4 牵引变流器控制与保护

牵引供电单元、辅助供电单元及列车供电单元有强制工作的能力。当因为外部输入信号异常时，牵引变流器可以根据TCMS输出的强制工作信号投入相应工作。牵引供电单元、辅助供电单元及列车供电单元具有自动监测功能，具有自诊断和故障记录功能，并能在司机室显示屏上显示牵引供电单元、辅助供电单元及列车供电单元的运行状态和故障情况，便于故障分析和维修。变流器采用双牵引控制单元方案，能够实现四象限控制、逆变器控制、中间电路过压抑制、防空转电气控制、库内动车控制、故障记录诊断与保护、对外通及在线监测和调试功能、低速连挂控制功能、轴重转移补偿控制、轮径修订控制、轴报自动切除控制等。

牵引供电单元设有过流和过载保护、接地保护、瞬时过电压抑制、IGBT元件过流及短路保护、输入电压过压及欠压保护、控制电源保护、检修时的安全连锁保护、水冷却系统的保护等保护功能，同时在司机室微机显示屏上显示故障内容及有关故障处理提示。辅助供电单元设有过电压保护、欠电压保护、过载保护、接地保护、三相电压不平衡保护或缺相、短路保护、冷却系统保护等保护功能。列车供电单元设有输入过流过压保护、输入欠电压保护、输出过压保护、输出过载保护等保护功能，具有短时过载能力，能在空载、轻载及额定负载下正常工作，具有自检功能，具有电子控制故障检测和输出隔离功能。

5 设计创新点

(1)完全独立轴控，独立绕组供电，四象限整流、中间直流回路、PWM逆变电路及控制单元分别独立。

(2)牵引变流器采用MVB和以太网通信，双网冗余，提高通信稳定性。

(3)牵引、辅助以及列供部分中间直流回路采用高阻中点接地方式，一点接地时，系统维持运行。

(4)牵引变流器中间直流回路采用无二次滤波回路方案，通过逆变器软件控制抑制网侧二倍于电网频率的的交流分量，抑制电机电流脉动和转矩脉动。

(5)变流系统满足在一定速度下，动力车通过分相区时辅助系统和列供系统不间断供电。

(6)列车供电单元均采用IGBT作为开关元件，四象限整流技术。

(7)牵引变流器纳入动力车高压连锁系统，每个牵引变流器的牵引供电单元高压部分用一个联锁机构，辅助供电单元高压部分和列车供电单元高压部分共用一个连锁机构。

6 结束语

时速160公里动力集中动车组动力车牵引系统设计满足了机车设计和运用要求，其采用的独立绕组供电辅助系统过分相不停电技术、四象限整流列车供电等技术为以后机车及动力集中动车组动力车的设计提供了借鉴。