賈智軍　杜廣群　鮑慶臣

摘 要：短編（通常為 4 輛）城際動(dòng)車組相較于標(biāo)準(zhǔn) 8 輛動(dòng)車組動(dòng)車數(shù)較少，牽引變流器故障損失動(dòng)力時(shí)會(huì)對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)造成更嚴(yán)重的影響。首先介紹一種采用主輔充一體化設(shè)計(jì)理念的大功率水冷牽引變流器，包括其主電路設(shè)計(jì)、工作原理和總體結(jié)構(gòu)。然后對(duì)可單重運(yùn)行四象限整流器、冷卻系統(tǒng)等重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)營(yíng)表明，該牽引變流器的技術(shù)性能能夠滿足大功率短編城際動(dòng)車組的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車組;短編;牽引變流器;一體化設(shè)計(jì);單重四象限

中圖分類號(hào)：TM46

城際動(dòng)車組是在繼承高速動(dòng)車組技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，融合了地鐵車輛技術(shù)，具有“速度快、起停快”等特點(diǎn)，能有效滿足城市群內(nèi)的快速通勤需求。同時(shí)，許多城市群客流量較小，而又同樣具有快速通勤需求，若運(yùn)營(yíng)使用標(biāo)準(zhǔn)8輛編組動(dòng)車組不免浪費(fèi)運(yùn)能，增加運(yùn)營(yíng)成本，因此短編城際動(dòng)車組應(yīng)運(yùn)而生。使用短編動(dòng)車組既可以充分利用運(yùn)能，又可以縮短發(fā)車間隔，滿足用戶需求。短編動(dòng)車組也可以重聯(lián)運(yùn)行，單次載客量加倍，滿足部分城市群大運(yùn)量的需求。與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)8輛編組動(dòng)車組不同，短編動(dòng)車組動(dòng)力車數(shù)少，一旦有動(dòng)車損失動(dòng)力，列車會(huì)降速運(yùn)行甚至停車，嚴(yán)重影響列車到達(dá)的準(zhǔn)點(diǎn)性，甚至?xí)绊懫渌囕v的運(yùn)行。近年來(lái)，大功率牽引變流器一體化設(shè)計(jì)成為交流傳動(dòng)變流器的發(fā)展方向。此外，隨著車輛技術(shù)的日益成熟，牽引變流器的設(shè)計(jì)可靠性、可用性和可維護(hù)性要求日益提高。結(jié)合城際動(dòng)車組的特點(diǎn)，本文將介紹最新研制的采用主輔充一體化設(shè)計(jì)的大功率水冷牽引變流器。

1 主電路設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 主電路設(shè)計(jì)

牽引變流器采用一體化設(shè)計(jì)方案，即牽引變流器系統(tǒng)將牽引變流器、水冷裝置、輔助逆變器和DC110V充電機(jī)一體化集成在同一箱體內(nèi)。牽引變流器主電路原理圖如圖1所示。

牽引變流器主要由預(yù)充電回路、四象限整流器模塊、牽引逆變器模塊、輔助逆變器模塊和充電機(jī)模塊組成。四象限整流器模塊與逆變器模塊共用中間直流1800 V母線，2個(gè)四象限整流器模塊和2個(gè)牽引逆變器模塊均可獨(dú)立運(yùn)行。輔助逆變器模塊與牽引逆變器模塊統(tǒng)型化設(shè)計(jì)，可等同替換。此外，牽引變流器還設(shè)有無(wú)火回送和充電機(jī)應(yīng)急啟動(dòng)功能。

1.2 工作原理

25 kV交流電從受電弓引下后，經(jīng)過(guò)牽引變壓器降壓為AC 970 V進(jìn)入牽引變流器。四象限整流器將變壓器副邊交流電整流為DC 1 800 V，2個(gè)四象限整流器互相錯(cuò)開一定的相位角度，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。2個(gè)四象限整流器的直流輸出環(huán)節(jié)并聯(lián)，再經(jīng)牽引逆變器逆變成電壓和頻率均可控制的三相交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。再生制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)四象限整流器向電網(wǎng)饋電。輔助逆變系統(tǒng)從中間直流環(huán)節(jié)取電，將其逆變?yōu)槿?80 V/50 Hz交流電，為列車中壓負(fù)載供電。整列車2個(gè)輔助系統(tǒng)采用并網(wǎng)控制，全列貫通3AC380 V母線。充電機(jī)模塊將3AC 380 V整流為110V直流電給整列車低壓負(fù)載和蓄電池組供電。

當(dāng)牽引變流器發(fā)生故障需救援時(shí)，可通過(guò)啟動(dòng)無(wú)火回送模式為輔助負(fù)載供電。無(wú)火回送電源模塊將DC110V蓄電池電變換為DC 600 V，為牽引電機(jī)勵(lì)磁。在施救車輛的拖動(dòng)下，牽引逆變器進(jìn)行制動(dòng)發(fā)電將中間直流電壓抬升至DC 1 800 V并穩(wěn)定運(yùn)行，使輔助系統(tǒng)可正常工作，保證乘客的基本需求。

當(dāng)車輛蓄電池虧電時(shí)，可通過(guò)車間供電插座外接3AC 380 V電壓，采用司機(jī)室按鈕激活應(yīng)急啟動(dòng)模式，此時(shí)牽引變流器應(yīng)急啟動(dòng)電源輸出DC 110 V電壓供充電機(jī)控制器使用，從而啟動(dòng)充電機(jī)，為整車低壓負(fù)載供電。

牽引變流器各子系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變流器整體通過(guò)14個(gè)M20螺栓吊裝在車體底部，箱體采用SUS 304不銹鋼材質(zhì)，框架為型材焊接，蒙皮為塞焊結(jié)構(gòu)，底部門板采用不銹鋼保險(xiǎn)絲防松措施，整機(jī)質(zhì)量為3 200 kg（±100 kg）。牽引變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

牽引變流器箱體總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循高低壓電路分離設(shè)計(jì)的原則，并結(jié)合輸入輸出的電氣接口進(jìn)行了布局優(yōu)化。總體劃分為高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)、控制器區(qū)、冷卻系統(tǒng)區(qū)和檢修維護(hù)區(qū)。其中，高壓區(qū)主要包括主電路中的預(yù)充電回路（2，3）、四象限整流器模塊（4，5）、中間直流環(huán)節(jié)電路（6）、牽引逆變器模塊（7，8）以及輔助逆變器模塊（91）。中壓區(qū)主要包括工頻變壓器（93）和三相交流濾波電容（94）。低壓區(qū)主要包括充電機(jī)模塊（11）和應(yīng)急啟動(dòng)電源模塊（12）?？刂破鲄^(qū)主要包括牽引控制器及其對(duì)外連接器。冷卻系統(tǒng)區(qū)主要包括風(fēng)機(jī)、水泵、熱交換器、過(guò)濾器、過(guò)濾網(wǎng)、水箱及傳感器等。

考慮到可維護(hù)性，牽引變流器設(shè)計(jì)大面積的檢修維護(hù)區(qū)，方便從箱體底部（無(wú)須拆卸裙板）進(jìn)行檢修維護(hù)，提高檢修維護(hù)效率。而維護(hù)頻率較高的進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)底部采用卡槽固定，維護(hù)時(shí)只需拆除頂部的M8螺栓，方便快捷。

牽引變流器箱可分為開放腔（IP20）和密閉腔（IP65），如圖3所示。圖3中黑框所圍腔體為開放腔，其余腔體為密閉腔。根據(jù)冷卻系統(tǒng)的功能分布，可將冷卻系統(tǒng)分為外循環(huán)冷卻系統(tǒng)和內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中外循環(huán)冷卻系統(tǒng)位于開放腔內(nèi)，內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)位于密閉腔內(nèi)。

3 重點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 可單重運(yùn)行四象限整流器設(shè)計(jì)

若中間直流環(huán)節(jié)發(fā)生短路故障，中間直流環(huán)節(jié)并聯(lián)的牽引變流器會(huì)整機(jī)停止工作，而中間直流環(huán)節(jié)完全獨(dú)立的牽引變流器則可保留一半動(dòng)力運(yùn)行。事實(shí)上，牽引變流器密閉腔的防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)通常不小于IP54，且中間直流環(huán)節(jié)采用復(fù)合母排連接，因此發(fā)生中間直流環(huán)節(jié)短路故障的概率較小。對(duì)于中間直流環(huán)節(jié)獨(dú)立的牽引變流器，由器件增加所帶來(lái)的器件故障率增加卻難以克服。

要使?fàn)恳兞髌骺蓡沃厮南笙蕺?dú)立運(yùn)行，首先需對(duì)牽引變流器主電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具備可單重四象限運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)，即2個(gè)四象限整流器模塊、2個(gè)牽引逆變器模塊、1個(gè)輔助逆變系統(tǒng)共用中間直流電壓回路，同時(shí)2個(gè)四象限整流器模塊可以獨(dú)立控制;此外，每個(gè)四象限整流器模塊設(shè)有自己獨(dú)立的預(yù)充電回路，使得某一重四象限整流器發(fā)生故障后，另外一重可重新預(yù)充電啟機(jī)。

[6]楊顯進(jìn). CRH5牽引變流器的研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2009.

[7]李仕棟，陳樂(lè)恒，符建民，等. 架控式牽引系統(tǒng)在城際動(dòng)車組中的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2016（5）：81-84.

[8]馬大煒. 滬寧城際鐵路動(dòng)車組選型研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005（3）：1-4.

[9]潘慶建. CRH2型動(dòng)車組牽引變流器裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[10] 章志兵，榮智林，姚中紅.城際動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（5）：6-11.

[11] 江偉，張薇琳，楊展. 地鐵車輛逆變器預(yù)充電回路故障處理[J].城市軌道交通研究，2016，19（8）：104-105.

[12] 茍斌. 電力牽引變流器故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2016.

[13] 徐廣偉. CRH2型動(dòng)車組持續(xù)250km/h運(yùn)行電氣性能分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2011（4）：18-20.

[14] 張龍燕. 大功率機(jī)車牽引變流器液冷裝置設(shè)計(jì)方法及傳熱性能研究[D].湖南長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[15] 曾云峰，姚磊，何凱，等. 基于計(jì)算流體力學(xué)的電力電子牽引變壓器熱分析[J].大功率變流技術(shù)，2017（4）：92-95，100.

[16] 丁杰，李江紅，陳燕平，等. 流動(dòng)狀態(tài)與熱源簡(jiǎn)化方式對(duì)IGBT水冷板仿真結(jié)果的影響[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2011（5）：21-25.

[17] 余小玲，張榮婷，馮全科. 大功率模塊用新型冷板的傳熱性能研究[J].電力電子技術(shù)，2009，43（12）：79-81.

[18] 李建濤. 城軌車輛牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)冷卻產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2017（4）：1-4.

[19] 姜冬. 高速電動(dòng)車組冷卻技術(shù)及產(chǎn)品的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].內(nèi)燃機(jī)車，2011（7）：1-7，17，55.

[20] 丁杰. 電力機(jī)車牽引變流器水冷系統(tǒng)的熱仿真分析[J].鐵道機(jī)車車輛，2014，34（4）：8-13.

[21]胡建輝，李錦庚，鄒繼斌，等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計(jì)算及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：159-163.

[22]侯韻卿. 德國(guó)160km/h模塊化動(dòng)車組[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2007（6）：77-80，84.

收稿日期 2020-03-07

責(zé)任編輯 黨選麗

Design of CRH6A-A short consist intercity EMU traction converter

Jia Zhijun， Du Guangqun， Bao Qingchen

Abstract： The number of short consist （usually 4-car） intercity EMUs is less than that of the standard 8-car EMUs， and the loss of power due to traction converter fault will cause more serious impact on vehicle operation. Therefore， this paper introduces a high-power water-cooled traction converter which adopts the integrated design concept of main and auxiliary charging， including its main circuit design， working principle and overall structure. It further analyzes the key technologies such as single operation four quadrant rectifier and cooling system. The test and practical operation show that the technical performance of the traction converter meets the application requirements of high-power short consist intercity EMU.

Keywords： intercity EMU， short consist， traction converter， integrated design， single quadrant

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——軌道交通列車高效變流裝置（2017YFB1200900）

作者簡(jiǎn)介：賈智軍（1985—），男，高級(jí)工程師