CRH3型动车组牵引变流器工作原理的分析与研究

CRH3型动车组牵引变流器工作原理的分析与研究

李小军 宋立群

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山      

摘要：电力牵引变流器的基本功能是把来自接触网的电压变换为频率可调和幅值可调的电流或者电压，供给牵引电动机。本文主要针对与CRH3型动车组牵引系统中牵引变流器的组成，工作原理及控制系统进行了分析并得出了结论。

关键词： 牵引变流器 接地故障检测 矢量控制

1.CRH3牵引变流器的组成

CRH3型动车组牵引变流器（以下简称变流器）由单相三电平脉冲整流器、中间直流电路、三电平逆变器、等主电路设备以及谐波电路电容器、用于外部辅助变流器的DC链路输出、牵引控制装置，控制电源等控制设备组成【1】。

每个动车设置一台牵引变流器，每台变流器驱动4台并联牵引电机。牵引变流器主电路功能框图参见图1.1

图1.1 牵引变流器主电路功能框图

2.CRH3牵引变流器的工作过程

受电弓从接触网上采集到25KV，50HZ的电源，经过牵引变压器原边绕组变为1550V，50HZ的单相交流电，通过变压器的两个次级绕组输入到牵引变流器，如图2.1

                    图2.1 牵引变流器内部结构

电能首先由预充电单元通过两个4QC模块将单相交流电压整流为2600-3600V的直流电压，CRH3牵引变流器中间直流环节与CRH2型车相比最大的一个区别为，它除了为逆变模块提供电能及牵引电机的无功功率外还为辅助变流器提供能量来源，从而避免了由于频繁的分相区而导致辅助变流器断电的发生。

PWMI模块在牵引工况下将中间DC3000V电压逆变为牵引电机所需的电压，在电制动工况下，电机转为发电机运行，PWMI转为整流模块将电能通过中间直流环节回馈给电网，实现能量的回收利用，变流器与一外接电阻相连，如图2.1中X-RB1,X-RB2。若电制动时中间直流环节的电压大于3600V ，多余的电压将通过该电阻以热能的形式散发掉，起到了保护变流器的作用。

3.各部件的功能分析

4.1线路断路器和预充电装置

断路器位于变压器和变压器每个牵引绕组的输入控制器之间。此断路器有两个极，以便每个变流器的两个四象限斩波器可以一起开关，如图4.1。

图4.1 牵引变流器预充电单元示意图

为防止牵引变流器输入电压突然接到空的电容器上导致的较大瞬间峰值电流，CRH3牵引变流器设置了预充电单元。预充电单元以并联的形式连接到断路器上，由预充电接触器和电阻器构成。在变流器投入运行时，变流器的DC链路电容器先在预充电单元上充电，在DC链路电压达到理论终值(=2 * UTrafo)的95%以上后，断路器闭合。当它处于无电流条件下（例如主断路器打开）时，断路器才能断开。

4.2四象限斩波器（4QC）

整流器包含两个并联的四象限变流器。每个四象限斩波器都包含两个整体半桥臂的相位模块，如图4.2。

IGBTs是可以用相对

图4.2 四象限斩波器主电路原理图  较高的转换频率开关的电子开关。为实现将变压器中的电流偏离正半波运行期间的电感LN，两个开关中的一个L2或L3（正半波，L1或L4用于负半波）将接通。这样，变压器次级线圈将短接，获得期望的电流值后，将阻塞IGBT。由于变压器偏离电缆，不能中断电流。通过单向二极管D1和D4（正半个周期，负半个周期为D2或D3），电流流入DC链路电容器并缓慢衰减（直到UD>UN)。同时，DC链路将充电。通过此原则，电流可以在参考值附近驱动，并且由此cos φ和 DC 链路电压可以保持在期望的范围内。此后，此程序再次开始，但是将轮流使用半桥以平衡热负载。

可以通过改变占空因数达到电流和电压之间的相位偏移。通过这样，可以将电流的rms值、功率因数(cos φ)及DC链路电压调整至期望值。

4.3DC链路电容器及谐振电路

DC链路电容器作为一个平滑并缓冲DC链路线电压的储能电路。因为在短时间内能量的输入和输出是不相等的，因此这是必需的。为此，也可以说，电容解耦来自负载的电源，如图4.4所示。每个变流器的DC链路电容电池由4 x 0.75 mF电容器构成，总共3 mF。

谐波吸收器是谐振电路，由电容器和和一个外部扼流圈构成（不在牵引变流器的内侧），其分两次过滤由线频率输入电压能流导致的DC链路中的波动，它作为两次变为线频率的串联谐波电路，图4.5所示。电容电池的谐波吸收器共有Cn=4.5 mF的电容值，为允许充分调整谐波吸收器，电容电池配备固定值电容(Cfix)和一个调谐电容器(Cvar1, Cvar2, Cvar3)。

图4.4 DC链路电容器      图4.5 谐振电路

4.4DC链路中带接地故障探测的连续放电电阻

接地故障检测由分压器、带准势绝缘和评估电路的差动放大器构成，如图4.6所示。连续放电电阻分成99: 34的两个部分。电阻器的中央抽头接地,一个滤波电容器并联到下部部件中监控此电容的电压。在出现接地故障时，测量电压改变，从而相关的TCU指出接地故障。

图4.6 接地故障检测电路图

高欧姆电阻并联到变流器的DC链路电容中。在变流器由于不规则性停止运行并且额定放电机构不能工作后，这些高欧姆电阻有在限定的时间内给电容放电的任务。

在额定运行期间，互感器的值显示为整体DC链路电压的1/4，必须考虑± 30 %的公差（由于部件公差导致的DC链路电压的1/4）。在接地故障的情况下，由于电容值的充电反向，测量电压改变，值为UE/Ud%或100 %。通过此方法可以检测到接地故障。

4.5脉冲逆变器的变流器输出（PWMI）

脉冲逆变器包括三个全桥；在每个模块上都带有一个，如图4.7。在三个输出端子处逆变器提供给四个牵引电机供电的三相电压系统，可以设定电压振幅和频率。

IGBT可以描述为可以用非常高的频率开关的电子开关。这允许三个输出端子按要求与DC链路电压的正图4.7 逆变器主电路原理图    极或负极相连接。选择开关状态以便在电机绕组中获得正弦电流。可以通过时钟脉冲运行IGBT降低输出电压的RMS值，见图4.8。

图4.8 在无时钟脉冲运行中的脉宽调制逆变器  

在图4.8中，两个端子之间的电压存在。相间输出电压的最大可能幅度有DC链路电压Ud的级别决定。

4.结束语

通过以上的介绍及分析，可以了解到CRH3型动车组牵引变流器的基本工作原理遵循交-直-交的变换，变流器的中间直流环节考虑了用硬件更可靠地过滤谐波、接地故障检测的测量电路以及过电压限制电阻等原件来保护变流器性能的稳定。随着电力电子技术的不断发展及控制技术的不断进步，相信牵引变流器将在轻量化、模块化以及架控轴控等控制策略方面有更大的优化空间。

参考文献：

1. 姜东杰. CRH3型动车组牵引传动系统.
2. 余丹萍，周盛. CRH3型动车组牵引传动系统的直接转矩控制研究