浅谈动车组牵引传动系统主电路

孙丽伟 孙渤 王志 王涤非 李琳 衣云利

【摘  要】对动车组电气牵引传动系统主电路结构组成、特点以及原理进行研究分析。通过对其组成部分网侧电路、牵引变压器、牵引变流器进行研究分析，进而对其他动车组主电路的分析设计大有裨益。

【关键词】牵引传动系统;主电路;牵引变流器

0 引言

中国动车组是针对于中国高速铁路运行环境所设计，能够满足在复杂的线路环境中、远距离、长时间连续的高速运行的需求。同时首次实现了中国动车组在牵引、制动以及网络控制系统方面的全面自主化，是中国高铁事业发展的一座里程碑。本文将对动车组的电气牵引系统主电路部分进行研究分析，为后续其他动车组主电路设计提供参考。

1 動车组电力牵引传动系统简介

动车组的牵引传动系统由两部分构成：负责从高压接触网取电供给整列车所有能源消耗的动力源牵引供电装置和产生动车组列车牵引力以及制动力的牵引动力装置即机车的主电路部分。本文主要针对于动车组的主电路部分进行研究分析。

（1）牵引工况：受电弓从接触网处获取25kV/50Hz单相交流电，然后经由牵引变压器降压得到1900V/50Hz单相交流电作为牵引变流器的输入。四象限脉冲整流器将输入的1900V单相交流电整流成3600V的直流电，通过中间直流环节的支撑电容及二次谐振电路和过压保护电路后作为牵引逆变器的输入。牵引逆变器将3600V直流电逆变为电压幅值、频率可调的三相380V交流电供给牵引电机。

（2）再生制动工况：原牵引电机提供负转矩，此时原牵引逆变器用作为整流器，原整流器作为逆变器，将牵引电机侧的交流电整流成为直流电，然后再将直流电逆变为单相交流电，最后由变压器升压回馈至接触网完成能量反馈。

2 高压电器设备

（1）受电弓：受电弓安装在TP03车、TP06车上，其中一个从接触网上受流获取25kV电源，另一个通常处在降弓折叠状态。牵引工况时经过变压器向整个列车供电，列车制动工况时，再生制动产生的能量会通过受电弓回到电网，起到一个双向传输枢纽的作用。受电弓适用于各种型式的接触网，并能保证在不同的速度和轨道上保持良好的接触稳定性，具有良好的适应性和动力学性能。

（2）主断路器（VCB）及避雷器：主断路器（VCB）安装在TP03车、TP06车上，负责连接和关闭机车的主电源，并且在牵引变压器二次侧以后的电路发生故障时，能够迅速、安全、可靠地阻断过电流，起到保护电路的作用，兼有断路器和开关的2种作用。避雷器设置在主断路器与高压电流互感器之间，作用是抑制过电压、防雷击。

3 牵引变压器

牵引变压器安装在TP03车、TP06车上，其低压侧由4个绕组构成，驱动2台牵引变流器。变压器是将线圈绕在铁芯上结构简单的电气设备，在其原边线圈上通入交流电，根据电磁感应定律就会在铁芯上产生磁场，此时电能转化为磁场能量，并通过铁心上磁场传递至副边线圈，相当于在副边线圈中施加了一个交变磁场，通过改变副边线圈匝数的方式改变副边输出电压。

在动车组中，牵引变压器2次侧的2个牵引绕组分别在1次侧绕组的励磁作用下感应出1900V（1次侧为25kV时）的电压，并输入牵引变流器的整流器部分。

4 牵引变流器

牵引变压器2次绕组中的2个绕组与M02/MB05车的牵引变流器连接，另2个绕组连接到MB04/M07车的牵引变流器。牵引变流器是由将牵引变压器输出的单相交流电变为直流电的整流部分、吸收运行过程中电压波动从而获得稳定的直流电压的中间直流环节部分以及将直流电变为三相电压幅值、频率可调的交流电部分组成。

4.1 四象限脉冲整流器

整流器主要负责将牵引变压器副边输出的单相高压交流电变成直流电输入到中间直流环节，还具有提高机车功率因数、降低谐波干扰、优化粘着利用和再生制动的作用。牵引工况时，正常起到整流作用，其输入侧功率因数接近1;制动工况时，整流器作逆变器使用，将直流环节的直流电逆变为单相交流电通过牵引变压器反馈电网，此时输入侧功率因数接近-1。根据此种工作特性，整流器的工作状态位于电压与电流平面所在的四个象限，并且对于整流器的控制采用PWM控制技术，因此又称为四象限脉冲整流器。

4.2 中间直流环节

中间直流环节在交流传动系统中起着很关键的作用，尤其是在电压高、功率大的场合在中，它是决定整套系统品质以及寿命的重要器件之一。主要由母线支撑电容、二次谐振滤波电路、过压保护电路等构成。主要功能如下：

（1）在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡;

（2）支撑电容还可以补偿电感产生的无功功率，改善电机的输出性能;

（3）二次谐振滤波电路可以尽量消除由于四象限脉冲整流器在直流侧产生的二次谐波;

（4）过压保护电路可以将中间直流环节电压限制在预设的范围内，防止由于母线电压过高损坏系统中的设备，同时也可以为其后面的牵引逆变器提供一个质量高、较为平稳的直流电压。

4.3 牵引逆变器

牵引逆变器主要负责在牵引工况下将直流环节输出的直流电转变为牵引电机所需的三相电压幅值、频率可调的交流电、制动工况时，将牵引电机的三相交流电转变为直流电反馈到中间直流环节、同时尽量保证输出的谐波电流小，直流电压利用率高，自身的损耗较小。

牵引逆变器根据直流电源性质可分为电流源与电压源两种类型逆变器，电流源逆变器大多用于同步电机，而电压源逆变器用于像动车组牵引电机所采用的异步电机。根据电路结构可以主要分为两电平和三电平型逆变器，动车组采用的是两电平型逆变器。其主电路如图4.2所示，每时刻都有3个开关管导通，共有V1 V2 V3，V1 V2 V3 V4，V3 V4 V5，V4 V5 V6，V5 V6 V1，V6 V1V2，V1 V3 V5和V2 V4V6导通8种工作状态，从而获得三相对称输出电压波形。

图4.1 两电平式逆变器主电路图

5 结论

电气牵引系统主电路作为整列动车组最为核心的系统，影响着整列动车组列车运行安全。通过对主电路各构成部件的职能以及原理进行深入的研究分析，能够为动车组在运行过程中产生故障的排查和分析提供理论支持。在后续其他车型的主电路设计过程中，尽可能从设计的角度减少类似故障的产生。

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（作者单位：1中车青岛四方机车车辆股份有限公司）