在交通运输中,采用电动机驱动来满足车辆牵引性能要求的电气传动部分,称为电力牵引传动系统。伴随着电力电子技术和控制技术的进步,自高速列车诞生以来,其牵引与控制技术经历了不断的更新换代:牵引传动方式从最初的直流传动发展到现在的交流传动;牵引变流器的主开关器件从GTO发展到目前的IGBT及智能功率模块;牵引电机的控制方式则从早期的转差频率控制发展到现在的高性能矢量控制。
(一)系统构成及功能
高速列车牵引传动系统完成列车的能量变换功能,在牵引工况时将电能转换为机械能牵引列车运行,在再生制动工况时则将机械能转换为电能回馈电网。牵引传动系统组成如图4-2-27所示,主要由网侧高压电气设备、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等组成,其中牵引变流器又包括四象限变流器、中间直流环节和牵引逆变器3个部分。牵引传动系统在牵引控制系统作用下,完成能量变换的功能。
图4-2-27 牵引传动系统组成图
世界范围内,高速铁路普遍采用25 kV、50/60 Hz单相交流制式供电,牵引传动系统首先由受电弓将接触网的高压交流电输送给牵引变压器,经变压器降压后的单相交流电再提供给牵引变流器,而牵引变流器将恒频恒压的单相交流电变换为变频变压的三相交流电供给交流牵引电动机,牵引电动机完成电能与机械能的转換,其输出的转矩通过齿轮传动系统传递给轮对,最后转换成轮周牵引力。其中,牵引变流器通常采用“交—直—交”结构,即先由四象限变流器将单相交流換电变成直流电,经中间直流环节将直流电输出给牵引逆变器,牵引逆变器输出电压和频率可控的三相交流电。牵引传动系统要实现能量变换功能,必须由牵引控制系统对上述主要设备实施控制与监测。
(二)系统主要电气设备
CRH2C型和CRH3C型动车组(见图4-2-28)的基本动力单元由1台牵引变压器、2台牵引变流器和4台牵引电机构成,典型特征是1台牵引变压器给2台牵引变流器供电,每台牵引变流器给一节动车的4台牵引电机供电,属于车控方式。一般来说,全车各个动力单元可通过车顶特高压电缆并联在一起,在一个动力单元故障的情况下通过高压隔离开关隔离,从而不影响其他动力单元的运行。
1.网侧高压电气设备
网侧高压电气设备完成高速列车从接触网的受流和控制,主要包括受电弓、真空主断路器、避雷器、高压互感器、高压电缆及高压连接器、保护接地开关、高压隔离开关、接地电阻器等,实现接触网到牵引变压器的接通与断开控制、网侧电压电流检测与保护等功能。高速列车根据编组形式,通常有单弓受流和双弓受流两种方式。受电弓在列车高速运行过程中完成受流过程并确保受流质量,高速条件下如何保证双弓稳定可靠受流是非常重要的。
图4-2-28 CRH2C型与CRH3C型动车组基本动力单元构成图
图4-2-29所示为CRH2C型和CRH3C型列车采用的SSS400+高速受电弓,其主要技术参数如表4-2-3所示。
图4-2-29 CRH2C型和CRH3C型列车采用的SSS400+高速受电弓
表4-2-3 SSS400+高速受电弓主要参数
除受电弓以外的其他高压电气设备可安装在车下设备舱内,也可将其安装在车顶。真空主断路器不仅是整个动车组的电源总开关,也可实现在过流以及短路等故障情况下的分断保护;避雷器主要用于吸收雷击过电压和操作过电压,以避免对牵引变压器和牵引变流器产生危害;高压隔离开关主要完成故障动力单元的隔离,以确保高速列车的故障冗余运行;电压互感器、电流互感器用于检测高压侧的电压、电流,为牵引控制、监测、保护单元提供实时信息。
2.牵引变压器
牵引变压器将受电弓从接触网上取得的25 kV高压电变换为适合牵引变流器的较低电压,并实现电气隔离,其工作原理与普通电力变压器相同。牵引变压器主要由原边绕组、次边牵引绕组、冷却系统、箱体、检测传感器及保护装置构成。针对高速列车交流传动系统的应用,牵引变压器有如下特点。
(1)牵引变压器各绕组有较高的电抗,能够抑制谐波电流。变压器的二次侧漏抗还可替代四象限变流器所需的储能电感。
(2)一台牵引变压器的次边要接两台或更多的四象限变流器,因此牵引变压器次边为多绕组形式。为了保证二次侧并联四象限变流器的负荷平衡,各牵引绕组的电抗必须相等。二次侧各绕组之间的磁耦合将会影响四象限变流器的运行,各绕组之间要进行磁去耦。
(3)由于牵引变压器负载为牵引变流器,与普通电力变压器相比,流经牵引变压器的谐波电流较大,这会引起变压器的额外发热,所以对冷却系统要求很高,以保证温升在允许的范围内。
(4)受安装空间和应用环境的限制,要求其体积小、质量轻、性能稳定。
图4-2-30所示为高速列车用ATM9型牵引变压器,其额定参数如表4-2-4所示。ATM9型变压器采用单相壳式、无压密封方式,储油柜安装在牵引变压器中央部位,和主机油箱通过连接孔输送绝缘油。波纹管采用圆形不锈钢焊接结构,外侧存放油,内侧与大气相通。
图4-2-30 ATM9型牵引变压器实物图(www.xing528.com)
1—热油出油管输入泊冷却器;2—电动油泵;3—油冷却器;4—热油吸入油管;5—变压器绕组;
6—冷却风入口;7—油冷却器散热片及热风出口;8—油流继电器;
9—温度继电器;10—原边线路侧套管;11—接线端子。
表4-2-4 ATM9型牵引变压器额定参数
3.牵引变流器
牵引变流器是牵引传动系统的核心部分,通过电力电子器件的开通和关断控制,实现了电能的灵活变换。牵引变流器的主电路包括四象限变流器、中间直流环节和牵引逆变器三部分,它们在率引传动控制系统的作用下完成电能变换功能。
目前,牵引变流器中的电力电子器件主要采用IGBT或在此基础上集成了驱动、保护等功能的智能功率模块。当前高速列车使用较多的是6 500 V IGBT。
除主电路外,牵引变流器中还必须包括驱动电路、保护电路、检测电路、散热器、风机、控制电源等部分,通常这些设备都安装在1个箱体内。CRH2C型动车组采用的牵引变流器外形如图4-2-31所示,箱体中央位置配置四象限变流器功率模块(2台)和逆变器功率模块(3台)。牵引变流器靠列车侧面配置两合电动鼓风机(主鼓风机),向功率模块散热器送风。箱体内部集中设置真空接触器、继电器单元和牵引控制装置等,便査于集中检。
图4-2-31 牵引变流器外形图
该变流器的主要特点如下。
(1)采用IPM智能功率模块,容量为3 300V/1 200 A,主电路采用三电平拓扑结构。
(2)牵引工况下,以牵引变压器次边牵引绕组的输出电压(AC 1 500 V/50 Hz)为输入,通过牵引控制系统的控制,实现输出直流电压为2 600~3 000 V(按速度范围变化可调)的定电压控制以及牵引变压器原边单位功率因数的控制;逆变器输出的交流电压范围为0~2 300 V,频率范围为0~220 Hz。
(3)中间直流环节包括支撑电容、过压限制斩波器和接地故障检测电路,由于采取了无拍频控制策略来抑制中间直流环节二次谐波对牵引电机的影响,CRH2C型动车组无二次谐波滤波装置。
(4)四象限变流器中IGBT器件的开关频率为1 250 Hz,牵引逆变器的最大开关频率为1 000 Hz。
4.牵引电机
高速列车运行过程中,电能与机械能的相互转换由牵引电机完成,牵引时电机运行,将电能转換为机械能,而在制动时发电机运行,将机械能转换为电能。 目前,交流电机早已取代了直流电机,除部分车型采用交流同步电机之外,三相鼠笼式异步电机已经成为牵引电机的主流。与普通电机相比,牵引电机有如下特点。
(1)牵引逆变器施加在牵引电机上的电压为高频脉冲电压,因此牵引电机需要采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统。
(2)牵引逆变器产生的脉冲电压会使电机电流中含有较大谐波,这将导致谐波振荡转矩。为此,牵引电机的漏感一般都较大,以减少谐波电流。
(3)转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料。
(4)由于牵引电机悬挂在转向架或车体上,因此必须具有足够的机械强度,能够承受高速运行帯来的轮轨冲击和振动。
图4-2-32为CRH2C型动车组采用的MT205型异步电机及其在列车转向架上的安装位置示意图。该电机的主要参数如下:
(1)额定功率为342 kW,额定电压为2 000 V,额定电流为106 A。
(2)额定转速为4 140 r/min,最高转速6 120 r/min,最高试验转速达7 040 r/min。
(3)质量为440 kg,功率质量比为0.68 kW/kg。
(4)采用强迫通风冷却方式,效率为0.94,功率因数为0.87。
图4-2-32 异步牵引电机实物及安装位置示意图
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