淺析高壓牽引變頻系統在動車組中的應用

武叢 藺磊

摘要：隨著我國經濟水平以及科學技術的不斷提升，當前我國交通基礎設施的建設正在日趨完善。為提升民眾出行的便捷性，我國加大對動車系統的建設力度，并不斷在原有基礎上進行優化。本文將結合當前動車的發展情況，詳細介紹高壓牽引變頻系統在動車組的應用，在動車組中，高壓牽引變頻系統通常包括以下部分：如直流平滑電路、整流器、真空交流接觸器等等，并結合這些部分在高壓牽引并頻系統中所發揮的功能，對動車組牽引變頻系統進行細致的研究。

關鍵詞：高壓牽引;變頻系統;動車組;應用

0 ?引言

目前隨著動車組列車的發展，動車組已經成為我國鐵路運輸以及客運專線的重要資源之一。根據準確的數據資料，截至2018年底，我國高鐵運營里程已超過2.9萬公里，而且每年還在大幅度增長。我國高鐵里程總數已超全球的三分之二，我國是世界上高鐵運營里程數量最多的國家，并且我國所自行研發的，擁有自主產權的動車組，其交匯速度已經創造出全新的世界紀錄。

當然，我國動車組取得的如此矚目的成績，必然離不開其內部給中元器件緊密的結合，高壓牽引變頻系統就是主要之一，該系統從整體上來看結構簡單、功能強大，且性能穩定。所以，可以為動車提供基礎的運行保障。以下將詳細介紹高壓牽引變頻系統的各項組成部分以及其功能。

1 ?高壓牽引變頻系統的工作方式

目前我國所使用的動車組，主要依靠其內部的高壓牽引變頻系統，通過該系統可以控制4臺牽引電機電源，使其產生源源不斷的牽引力。從整體結構上來看，該系統結構簡單。因，為系統中所包含的整流器、直流平滑電路、逆變器、真空交流接觸器等主要電器[1]。以及系統所使用到的無觸點控制裝置系統的主要控制電源等相關的控制電路電氣，全部被安置于同一個箱體。在實際安裝過程中，有效節約安裝空間。同時，箱體的主要結構是由鋁制材料組合而成，所以在整體重量方面較輕，實現輕量化的設計要求，便于施工人員的安裝操作。

在高壓牽引變頻系統中，各個功率單元設計分布的較為集中。主要是考慮到模塊化的集中布置，可以為高壓牽引變頻系統的后期維修和維護提供便捷。

在動車組的高壓牽引變頻系統中，設計人員通常會為其配置具有兩排氣口的通風機。而這種通風機最好是選擇電動軸流式安裝方式。因為電動軸流式通風機，可以滿足系統運行的通風需求，可以向功率單元冷凝器送風。該系統中的繼電器、接觸器采取集中式分布，這有利于維修工人的后期檢修。另外，考慮到該系統的密封性和后期維修的便捷，建議采用板簧式手動型夾緊裝置。

除考慮小型元器件的分布方式以外，還應考慮到動車組中高壓牽引變頻系統中的大型器件。比如半導體冷卻裝置，以及電動通風機。為方便后期的檢修，可以通過下部拆裝的結構，來實現大型裝置的分布。在實際安裝過程中，系統中的不同組成單元結構，可以使用不同廠家的產品。在后期的檢修過程中。如果必須對某一控制單元進行更換。那么必須要保證個單元在其結構以及功能性方面具備互換性。

動車車主的高壓牽引變頻系統的供電電源，主要為單項交流電。其具體的數值為25kV、50Hz。受電弓將單向交流電通過VCB與牽引變壓器的一次側繞組相連接，而實現電源的供應。主電路電源的輸送主要通過VCB來操控。在牽引主變壓器二次側的兩個牽引繞組，分別在一次側繞組的勵磁作用下感應出1500V（1次側為25kV時）的電壓，并輸入牽引變頻系統的整流器部分。

如圖1牽引系統構成圖所示，M1和M2兩車上各自分別裝有牽引變流器。在動車組運行過程中，牽引變流器，可以向牽引電機提供電力。當動車發生制動操作時，可以進行再生制動控制，實現對系統的電流保護功能。除此之外，當動車組傳遞給該系統信息時，牽引變流器可以調節整流器的載波相位差，降低接觸網電流的高次諧波。

高壓牽引變頻系統由三個部分組成：一是單項交流電變為直流電的整流器部分;二是直流電變為三相交流的逆變器部分;三是吸收電壓波動獲得直流電壓的直流平滑電路部分。在以上結構中，整流器與逆變器均采用三電式結構，這樣可以實現對電壓的準確控制。主電路部分對于半導體元器件的選擇主要采用IGBT，這樣可疑有效減弱電影壓波形的失真，進而降低牽引電機牽引變壓器的電磁噪聲和轉矩波動。

2 ?高壓牽引變頻系統的主要結構設計

2.1 整流器

整流器部分由輸入電壓、單相PWM整流器以及交流接觸器構成。通過系統中的無觸點控制結構。整流器可以輸出2600到3000V的直流電壓，并且牽引變壓器一次繞組側電壓電流的功率因數控制為1。在進行再生制動過程中，整流器可以實現逆變換。將濾波電容器的直流電作為輸入，進而向牽引變壓器一側提供1500V的交流電壓[2]。而整流器結構中，的交流接觸器作為輸入測主電路閉合切換開關，可以實現對主電路的開關控制。

三電平整流器將由濾波電容器對直流電壓分壓取得的三級（正：+Ed/2，零，負：-Ed/2）電壓輸出到交流（牽引變壓器）側。三電平整流器的調制方式由U相調制波ymU（U相電壓指令）、正側載波和負側載波（三角形 波）的大小關系，得到作為三級PWM信號Gsw取得+1，0，-1的信號。

2.2 逆變器

逆變器的正常工作，需要低壓輸入。而提供給逆變器電壓的主要結構為濾波電容器。逆變器，通過無觸點控制裝置的控制信號輸出的可變電壓，實現對感應電機速度、扭矩等因素的控制。再生制動時，逆變器可以一感應電機輸入的三相交流電輸入電壓，并且向濾波電容器測輸出直流電。

對此在該系統方案的設計過程中，如果需要對感應電機發起控制作用，則必須采用矢量控制方法。因為矢量控制方法，可以對扭矩電流進行獨立的控制，借此提高對扭矩的控制精度，提升感應電機的電流控制性能。

2.3 直流濾波電容器

在高壓牽引變頻系統中，濾波電容器主要包含兩個組成部分。在這兩個組成部分中，其一是由兩臺整流器所以組成的功率單元，其二是由三臺逆變器所組成的功率單元。以上部分可以為該系統提供8000μF的容量。為防止電路開閉時電流過大引起電路受損，通常設計人員會為濾波電容器配備相應的備用電路。當電路開啟時，充電電阻內部所設置的變壓器，可以有效避免電路開關所引起的電流過大。逆變器閉合時，接入CHK，充電一秒后CHK切斷，然后接通主電路開關。

3 ?主變壓器和牽引電機簡介

3.1 主變壓器簡述

在本文中的動車組，高壓牽引變頻系統中，動車組內部的牽引變壓器兩次繞組行為，均為獨立繞組。每個繞組與一臺牽引變流裝置相連，這樣可以確保，在進行繞組過程中，的高電抗和弱耦合性。為整個系統提供較為穩定的安全性。另外，對應主變壓器兩次獨立繞組所產生的增容，需要為每一次的繞組，配置兩個并聯結構的線圈。面對結構的輕質化，設計人員需要減輕繞組線圈的整體重量，所以對于主變壓器的兩個獨立繞組均使用鋁制線圈。并且一次繞組接地側、兩次繞組側以及三次繞組側的絕緣套管，均使用耐熱環氧樹脂以及銅質中心導線所構成的一體形端子板[3]。

3.2 牽引電機簡述

3.2.1 電子轉子

高壓牽引變頻系統中的牽引電機，是整個系統的重要組成部分。在進行牽引電機的設計過程中，除了要保證整體結構的輕量化，還要在此基礎上實現牽引電機后期保養的便捷化。所以，在設計牽引電機結構時，通常將轉子以鼠籠結構固定，這種固定方式不僅可以為整個系統的運行提供良好的穩定性，同時也有利于轉子的高速運轉。那么在轉子高速運轉中，如何確保轉差率，這就需要相關工作人員采用合理的方法。例如，可以使用電阻系數較大的轉子導條，或使用更高強度的導條材質，如銅鋅合金結構。同時為了盡量避免轉子在高速運轉的過程中，與空氣摩擦生熱而產生明顯的熱膨脹現象，應該使用電阻系數較小的純銅來設計短路環。

3.2.2 電機定子

在整個高壓牽引變頻系統的設計過程，需要保證每一個組成部分都遵循輕量化原則。所以，進行電機定子結構的設計過程中，設計人員對于定子框，采用以連接板連接鐵心的無框架結構框。并同時，在電機定子結構中，配備相應的轉向架和安裝座。定子框兩側的部件，主要以鋁合金材質為主。進一步提升結構的輕量化要求。鋁托架的定子框安裝部分，應該要提升相應的強度，比如在安裝過程中通過加強筋來提高定子框強度。在實際系統運行過程中，面對運行環境溫度的上升，以及不同材質各自特性的不同。鐵材質與鋁材質所具有的熱膨脹系數不同，所以面對溫度變化時，以這兩種材質為主的結構會因膨脹程度不同，而產生錯位。此時，必須對熱膨脹進行充分的考慮，采用雙重裝配方式，來避免熱膨脹為系統所帶來的錯位問題。反驅動側的鋁托架，出于采用強制風冷方式的需要，采用在托架上部設置風道，在托架端面安裝轉動檢測器箱的構造。在驅動采用上部安裝端子箱的構造。

4 ?結束語

綜上所述，在我國動車車組所取得的成績，離不開高壓牽引變頻系統的支持。該系統所具有的優勢，此系統有效的提升了機車運行效率。同時采取的模塊化結構，提高了元器件的通用性和互換性，便于工作人員的檢修，在最大程度上保證動車組的安全及可靠。相關工作人員面對現代社會形勢的變化，需進一步優化高壓牽引變頻系統，促進我國動車組系統的長遠發展。

參考文獻：

[1]侯靜，周海軍.淺析高壓牽引變頻系統在動車組中的應用[J].變頻器世界，2019（5）：83-86.

[2]王振威.關于處理CRH380A型動車組牽引變流器故障1（代碼004）的學習[J].科技風，2018（19）.

[3]張振宇.動車組牽引電機故障分析及診斷[J].內燃機與配件，2019（14）.