武叢 藺磊

摘要：隨著我國經(jīng)濟水平以及科學(xué)技術(shù)的不斷提升，當(dāng)前我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(tǒng)的建設(shè)力度，并不斷在原有基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。本文將結(jié)合當(dāng)前動車的發(fā)展情況，詳細介紹高壓牽引變頻系統(tǒng)在動車組的應(yīng)用，在動車組中，高壓牽引變頻系統(tǒng)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(jié)合這些部分在高壓牽引并頻系統(tǒng)中所發(fā)揮的功能，對動車組牽引變頻系統(tǒng)進行細致的研究。

關(guān)鍵詞：高壓牽引;變頻系統(tǒng);動車組;應(yīng)用

0 ?引言

目前隨著動車組列車的發(fā)展，動車組已經(jīng)成為我國鐵路運輸以及客運專線的重要資源之一。根據(jù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)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(shù)已超全球的三分之二，我國是世界上高鐵運營里程數(shù)量最多的國家，并且我國所自行研發(fā)的，擁有自主產(chǎn)權(quán)的動車組，其交匯速度已經(jīng)創(chuàng)造出全新的世界紀(jì)錄。

當(dāng)然，我國動車組取得的如此矚目的成績，必然離不開其內(nèi)部給中元器件緊密的結(jié)合，高壓牽引變頻系統(tǒng)就是主要之一，該系統(tǒng)從整體上來看結(jié)構(gòu)簡單、功能強大，且性能穩(wěn)定。所以，可以為動車提供基礎(chǔ)的運行保障。以下將詳細介紹高壓牽引變頻系統(tǒng)的各項組成部分以及其功能。

1 ?高壓牽引變頻系統(tǒng)的工作方式

目前我國所使用的動車組，主要依靠其內(nèi)部的高壓牽引變頻系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以控制4臺牽引電機電源，使其產(chǎn)生源源不斷的牽引力。從整體結(jié)構(gòu)上來看，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。因，為系統(tǒng)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(tǒng)所使用到的無觸點控制裝置系統(tǒng)的主要控制電源等相關(guān)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(jié)約安裝空間。同時，箱體的主要結(jié)構(gòu)是由鋁制材料組合而成，所以在整體重量方面較輕，實現(xiàn)輕量化的設(shè)計要求，便于施工人員的安裝操作。

在高壓牽引變頻系統(tǒng)中，各個功率單元設(shè)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(tǒng)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(tǒng)中，設(shè)計人員通常會為其配置具有兩排氣口的通風(fēng)機。而這種通風(fēng)機最好是選擇電動軸流式安裝方式。因為電動軸流式通風(fēng)機，可以滿足系統(tǒng)運行的通風(fēng)需求，可以向功率單元冷凝器送風(fēng)。該系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)考慮到動車組中高壓牽引變頻系統(tǒng)中的大型器件。比如半導(dǎo)體冷卻裝置，以及電動通風(fēng)機。為方便后期的檢修，可以通過下部拆裝的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)大型裝置的分布。在實際安裝過程中，系統(tǒng)中的不同組成單元結(jié)構(gòu)，可以使用不同廠家的產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的供電電源，主要為單項交流電。其具體的數(shù)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(cè)繞組相連接，而實現(xiàn)電源的供應(yīng)。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(cè)的兩個牽引繞組，分別在一次側(cè)繞組的勵磁作用下感應(yīng)出1500V（1次側(cè)為25kV時）的電壓，并輸入牽引變頻系統(tǒng)的整流器部分。

如圖1牽引系統(tǒng)構(gòu)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(dāng)動車發(fā)生制動操作時，可以進行再生制動控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的電流保護功能。除此之外，當(dāng)動車組傳遞給該系統(tǒng)信息時，牽引變流器可以調(diào)節(jié)整流器的載波相位差，降低接觸網(wǎng)電流的高次諧波。

高壓牽引變頻系統(tǒng)由三個部分組成：一是單項交流電變?yōu)橹绷麟姷恼髌鞑糠?二是直流電變?yōu)槿嘟涣鞯哪孀兤鞑糠?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(jié)構(gòu)中，整流器與逆變器均采用三電式結(jié)構(gòu)，這樣可以實現(xiàn)對電壓的準(zhǔn)確控制。主電路部分對于半導(dǎo)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(zhuǎn)矩波動。

2 ?高壓牽引變頻系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)成。通過系統(tǒng)中的無觸點控制結(jié)構(gòu)。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(cè)電壓電流的功率因數(shù)控制為1。在進行再生制動過程中，整流器可以實現(xiàn)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(cè)提供1500V的交流電壓[2]。而整流器結(jié)構(gòu)中，的交流接觸器作為輸入測主電路閉合切換開關(guān)，可以實現(xiàn)對主電路的開關(guān)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(cè)。三電平整流器的調(diào)制方式由U相調(diào)制波ymU（U相電壓指令）、正側(cè)載波和負側(cè)載波（三角形 波）的大小關(guān)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(jié)構(gòu)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(xiàn)對感應(yīng)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(yīng)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(tǒng)方案的設(shè)計過程中，如果需要對感應(yīng)電機發(fā)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng)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(shè)計人員會為濾波電容器配備相應(yīng)的備用電路。當(dāng)電路開啟時，充電電阻內(nèi)部所設(shè)置的變壓器，可以有效避免電路開關(guān)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(guān)。

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(tǒng)中，動車組內(nèi)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(tǒng)提供較為穩(wěn)定的安全性。另外，對應(yīng)主變壓器兩次獨立繞組所產(chǎn)生的增容，需要為每一次的繞組，配置兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的線圈。面對結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化，設(shè)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(cè)、兩次繞組側(cè)以及三次繞組側(cè)的絕緣套管，均使用耐熱環(huán)氧樹脂以及銅質(zhì)中心導(dǎo)線所構(gòu)成的一體形端子板[3]。

3.2 牽引電機簡述

3.2.1 電子轉(zhuǎn)子

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

3.2.2 電機定子

在整個高壓牽引變頻系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，設(shè)計人員對于定子框，采用以連接板連接鐵心的無框架結(jié)構(gòu)框。并同時，在電機定子結(jié)構(gòu)中，配備相應(yīng)的轉(zhuǎn)向架和安裝座。定子框兩側(cè)的部件，主要以鋁合金材質(zhì)為主。進一步提升結(jié)構(gòu)的輕量化要求。鋁托架的定子框安裝部分，應(yīng)該要提升相應(yīng)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(tǒng)運行過程中，面對運行環(huán)境溫度的上升，以及不同材質(zhì)各自特性的不同。鐵材質(zhì)與鋁材質(zhì)所具有的熱膨脹系數(shù)不同，所以面對溫度變化時，以這兩種材質(zhì)為主的結(jié)構(gòu)會因膨脹程度不同，而產(chǎn)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(tǒng)所帶來的錯位問題。反驅(qū)動側(cè)的鋁托架，出于采用強制風(fēng)冷方式的需要，采用在托架上部設(shè)置風(fēng)道，在托架端面安裝轉(zhuǎn)動檢測器箱的構(gòu)造。在驅(qū)動采用上部安裝端子箱的構(gòu)造。

4 ?結(jié)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(tǒng)的支持。該系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢，此系統(tǒng)有效的提升了機車運行效率。同時采取的模塊化結(jié)構(gòu)，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(guān)工作人員面對現(xiàn)代社會形勢的變化，需進一步優(yōu)化高壓牽引變頻系統(tǒng)，促進我國動車組系統(tǒng)的長遠發(fā)展。

參考文獻：

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