楊 健

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司設(shè)備監(jiān)造部天津電力機(jī)車監(jiān)造項目部，天津30000）

和諧型大功率交流傳動機(jī)車具備牽引性能優(yōu)越、節(jié)能減排好、可靠性高等諸多特點。目前，在我國鐵路干線上，和諧型大功率電力機(jī)車已成為載人載物運輸交通的重要組成部分，保障了國民經(jīng)濟(jì)水平的高速提升對應(yīng)的重載貨物運輸需求。相較于傳統(tǒng)的直流供電方式，和諧型電力機(jī)車交流傳動系統(tǒng)利用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過大功率VVVF 變流裝置的應(yīng)用，保障了異步牽引電動機(jī)變流驅(qū)動調(diào)速功能的優(yōu)越性能。接觸網(wǎng)輸入的工頻交流電壓通過受電弓，經(jīng)過牽引變壓器和四象限變流器轉(zhuǎn)化為直流電壓，再經(jīng)負(fù)載側(cè)三相逆變器VVVF 控制供給到異步電動機(jī)，形成和諧型電力機(jī)車的交—直—交傳動系統(tǒng)。

1 交流傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 和諧型電力機(jī)車交流傳動結(jié)構(gòu)

交—直—交的傳動形式被廣泛應(yīng)用在和諧型電力機(jī)車，各高壓電器、主變壓器、牽引變流裝置、牽引電機(jī)等牽引設(shè)備布置及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等為其正常應(yīng)用提供了設(shè)備基礎(chǔ)。網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流器電路、中間直流電路、逆變電路、牽引電機(jī)電路和庫內(nèi)動車電路等是機(jī)車交流牽引電路的主要部分，如圖1 所示。

圖1 電力牽引交流傳動系統(tǒng)組成圖

1.2 結(jié)構(gòu)原理

機(jī)車內(nèi)部電源為受電弓將接觸網(wǎng)輸入的單相高壓交流電源引入，通過主變壓器對其降壓后供給牽引變流裝置，由傳動控制單元通過四象限脈沖整流器作用，整流為直流電，通過中間直流環(huán)節(jié)對其濾波處理，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的直流電，提供給逆變器。而后直流電通過逆變器的處理，轉(zhuǎn)化為頻率和電壓可調(diào)節(jié)的VVVF 三相交流電，變頻變壓三相交流電傳導(dǎo)到異步牽引電動機(jī)實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。

機(jī)車牽引時，電能從網(wǎng)壓接觸轉(zhuǎn)為可使用的交流電，傳導(dǎo)向異步電機(jī)。機(jī)車運行牽引力所需機(jī)械能即經(jīng)此途徑通過電能轉(zhuǎn)化而成。

機(jī)車制動時，列車蘊含的慣性機(jī)械能量，經(jīng)變流器轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟涣麟姡?jīng)過主變升壓返回接觸網(wǎng)。其工作過程如圖2 所示。

圖2 電力機(jī)車交流傳動系統(tǒng)工作過程示意圖

1.3 主要電路組成

1.3.1 網(wǎng)側(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電路包括受電弓、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、高壓電流互感器、主斷路器、高壓接地開關(guān)、低壓電流互感器和回流裝置等作為其主要組成設(shè)備裝置。

高壓電壓互感器的原邊與受電弓連接，檢測機(jī)車當(dāng)前位置接觸網(wǎng)電壓，其次邊通過保護(hù)自動開關(guān)，將電壓信號傳遞到牽引變流器，為其提供變流器控制所需的同步信號，并作為操縱臺上的網(wǎng)壓表和電度表所需原邊網(wǎng)壓信號的輸入來源，提示機(jī)車網(wǎng)壓情況。

高壓隔離開關(guān)的控制方式采用電空控制。當(dāng)一端受電弓故障時，可通過TCMS 系統(tǒng)控制電空閥，實現(xiàn)切除單端受電弓的操作。

1.3.2 四象限整流器電路

變壓器牽引繞組直接向四象限整流器供電，經(jīng)過交直變化后，中間直流支撐電容進(jìn)行充電工作，在充電過程完全完成后，逆變器會進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

機(jī)車處于再生制動工況狀態(tài)下，逆變器處于整流狀態(tài)，四象限整流器處于逆變狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能返回受電弓。

四象限整流器采用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，其主要工作方式為通過調(diào)節(jié)電壓脈寬和相位，來改變導(dǎo)入牽引變流器的交流電流波形和相位，以達(dá)到其波形盡可能接近正弦，降低諧波電流分量的目的。為了能夠抵消特定次諧波，機(jī)車的各組整流器設(shè)置為調(diào)制波相位相同，載波相位依次相差30°。

1.3.3 中間直流電路

和諧型電力機(jī)車能夠有效抑制二次諧波導(dǎo)致的電機(jī)轉(zhuǎn)矩不規(guī)則脈動，這要歸功于其設(shè)計將此前常采用的二次濾波電路更改為電壓式逆變器，電壓式逆變器的優(yōu)勢在于可以把整流電路和逆變電路產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行濾波。與此同時，逆變器輸出電壓正負(fù)周期的電壓時間乘積也可以通過對逆變器的網(wǎng)絡(luò)控制來達(dá)到近乎相同的狀態(tài)。

中間直流電路的主要作用在于：作用于網(wǎng)側(cè)整流器和電機(jī)側(cè)逆變器之間，以保證兩者之間的功率瞬時平衡；牽引電動機(jī)所需的基波無功功率和高次諧波的通路由其中的儲能電容提供；逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量很大程度上由中間電路電壓的平衡程度決定，同時中間電路電壓也是變流器的換流能力的決定性因素；若機(jī)車主回路產(chǎn)生接地故障，其負(fù)責(zé)信號傳遞的完成，以實現(xiàn)對接地保護(hù)的隔離，降低接地故障電流，保證機(jī)車行車安全。

1.3.4 逆變和牽引電機(jī)電路

和諧型電力機(jī)車采用矢量控制技術(shù)，將異步牽引電動機(jī)的勵磁分量和輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到既定目標(biāo)值，以保障機(jī)車的黏著系數(shù)以及機(jī)車防空轉(zhuǎn)能力。和 諧型電力機(jī)車對電機(jī)采用的單獨控制的制動方式。這樣的優(yōu)點是機(jī)車出現(xiàn)如單軸故障報警、單軸的軸重轉(zhuǎn)移或空轉(zhuǎn)等導(dǎo)致負(fù)載分配超差等情況時，可以對牽引電機(jī)進(jìn)行逐個控制，最大程度的保障機(jī)車牽引性能。

1.3.5 庫內(nèi)動車電路

和諧型電力機(jī)車具備庫內(nèi)動車功能，單相插座將電源輸送到二、五位電機(jī)的牽引變流器，完成庫內(nèi)機(jī)車運行。

2 交流傳動的優(yōu)勢

與既有機(jī)車采用的交—直傳動系統(tǒng)相較而言，交—直—交電力傳動系統(tǒng)具有諸多優(yōu)越性。

2.1 電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單

三相鼠籠式異步牽引電動機(jī)在交—直—交系統(tǒng)被廣泛采用，在所有機(jī)車電機(jī)中結(jié)構(gòu)較為簡單，為滾抱式構(gòu)造，強迫外通風(fēng)設(shè)計，應(yīng)用無專門機(jī)座的輕量化結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證了最少的機(jī)械接觸，在同樣的外部供電條件下，可大幅提升電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 黏著性能好

異步電動機(jī)的速度過渡愈加平滑。異步電動機(jī)獨特的機(jī)械性能對輪對空轉(zhuǎn)狀態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩有極大改善：在產(chǎn)生空轉(zhuǎn)時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的快速攀升而迅速下降，速度變化點的變化幅度相對較??；其次，異步電動機(jī)通過交—直—交的外部電壓轉(zhuǎn)化，使逆變器輸出的頻率及電壓得以迅速調(diào)節(jié)，達(dá)到其最佳的作業(yè)點，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，不會導(dǎo)致黏著中斷現(xiàn)象；第三，交—直—交系統(tǒng)還可以對各軸實現(xiàn)單獨控制，起到診斷和檢查的作用。

2.3 牽引能力強

一般直流電動機(jī)的功率大多被結(jié)構(gòu)和原理等因素限制，約600KW/軸，而和諧型電力機(jī)車采用的異步電動機(jī)額定功率可達(dá)到1250KW 及以上。在相同的外部環(huán)境和空間交件下，異步電動機(jī)所產(chǎn)生的功率提升了兩倍作用，能夠發(fā)揮出更強的牽引能力。

2.4 可靠性和安全性提高

異步電動機(jī)只在軸承部位存在機(jī)械接觸，沒有換向器及電刷結(jié)構(gòu)，所有電氣部件均采用絕緣材料，具備良好的絕緣性能和耐熱性能。交—直—交傳動系統(tǒng)在控制上進(jìn)行了模塊化設(shè)計，驅(qū)動系統(tǒng)控制過程的電氣部件都是通過無觸點電氣元件進(jìn)行連接，大大降低了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)經(jīng)常產(chǎn)生的接觸不良、機(jī)械磨耗等現(xiàn)象，安全性能得到極大提升。

在提高機(jī)車運行安全性方面，和諧型電力機(jī)車還具有微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng)，能夠隨時檢測和監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障，及時診斷并報警。