第三章　CRH1型動車組牽引傳動系統及控制

第一節　概述

一、CRH1型動車組供電牽引系統概述

CRH1型動車組牽引系統工作原理如圖3-1所示。牽引系統主要由受電弓、牽引變壓器、牽引變流器及牽引電機組成。受電弓通過電網接入25kV的高壓交流電，輸送給牽引變壓器，降壓成900V的交流電。降壓后的交流電再輸入牽引變流器，通過交—直—交變流技術，轉換成電壓和頻率均可控制的三相交流電，供給牽引電機來牽引整個列車。

CRH1屬于交—直—交傳動的電力牽引列車。每個CRH1型動車組由3個基本動力單元（TBU）共8輛車組成，有三個相對獨立的主牽引系統，正常情況下，三個牽引系統均工作，TBU之間通過WTB總線通信，而在每個TBU內部，通過車輛MVB和牽引MVB兩級MVB總線通信。當一個牽引系統發生故障時，可以自動切斷故障源，繼續運行。

CRH1型動車組的牽引主回路主要由以下電器設備組成：受電弓、高壓開關、主變壓器、網側變流器、電動機變流器及三相異步牽引電動機。主回路的能量轉換過程受CRH1的以MITRAC通用計算機為核心的控制系統的控制，如圖3-2所示。MITRAC計算機系統以摩托羅拉68000微處理器為基礎，該系統的機械和電氣設計適應溫度范圍均是-40℃～+70℃，并能承受強烈振動沖擊的牽引環境。MITRAC的前身TRACS從1985年開始實際應用，隨著電子產品（如微處理器、存儲器等）的更新而不斷換代。

整個動車組的控制和管理是一套分布式的計算機系統，稱作TCMS（Train Control and Management System，列車控制與管理系統），具有高度的智能。TCMS接受司機的指令信息，經過轉換與運算以后發給主回路系統實施能量轉換過程，控制列車運行。TCMS還檢測列車運行的實際狀態信息，對該狀態信息進行處理和判斷，一方面幫助司機、乘務人員和維護人員了解列車的運行情況，另一方面對出現的異常情況進行報警和應急處理，可以說牽引主回路是列車運行的軀干，TCMS系統是列車運行的靈魂。

CRH1型動車組在動車下有牽引變流器，在拖車下有牽引變壓器。牽引系統在動車與拖車底部懸掛的位置和其他懸掛裝置如圖3-3所示。

二、CRH1型動車組供電牽引系統的結構組成及布置

1.牽引系統的布置

CRH1型動車組各車的主要牽引裝置如圖3-4所示。該型動車組有1動1拖和2動1拖兩種列車基本單元（TBU）。1個基本動力單元（1動1拖或2動1拖）的牽引傳動系統主要由網側高壓系統、1個牽引變壓器、1或2個牽引變流器、4或8臺三相交流異步牽引電動機等組成。全車共計2個受電弓、3個牽引變壓器、5個牽引變流器、20臺牽引電動機，列車正常時升單弓運行，另一個受電弓備用。

2.牽引系統的總體介紹

CRH1型動車組采用交流傳動技術。動車組由三個相互獨立、各自完整的動力單元（TBU）組成，每個動力單元都有一套完整的牽引系統。動車組共有兩個受電弓，互為備用。受電弓之間用高壓電纜連接。

每個動力單元的牽引系統主要由主斷路器、主變壓器（MT）、網側濾波器（FB）、網側變流器（LCM）、直流環節（DC-LINK）、電機變流器（MCM）、牽引電機（TMO）等組成。

主變壓器將接觸網的25kV高壓轉換成適合于牽引和輔助供電的電壓，并實現高壓系統和牽引系統的電氣隔離。主變壓器的漏抗設計能夠滿足減少沖擊電流、濾掉網側變流器產生的諧波電流的作用，并提供網側變流器（PWM脈沖整流器需要的電感）。主變壓器采用循環油冷卻，并可以通過TCMS對變壓器的冷卻系統進行監控。主變壓器的次邊濾波繞組接網側諧波濾波器。網側諧波濾波器（LHF）用于消除由線路噪聲引起的諧振所產生的干擾電流。此外其他車頂高壓設備主要都是為了保證主變壓器可靠工作。

牽引變流器和牽引電機主要將主變壓器輸出的電能轉換成輪周牽引力，電能轉換形式為交—直—交。這一轉化主要分以下幾個步驟。

（1）網側變流器將主變壓器次邊繞組的交流電壓轉換成穩定的直流環節電壓（DC-LINK Votage），直流環節為電機變流器供電，將直流環節電壓轉換成VVVF牽引電機電源。一個動車單元上的兩個全橋脈沖整流器構成一個網側變流器單元，每個脈沖整流器的交流側同主變壓器的次邊繞組連接，并在直流側并聯。網側變流器對主變壓器的次邊繞組電壓和接觸網電壓的相位角進行控制，使列車的功率因數接近于1。兩個網側變流器的IGBT能夠進行移相控制，以減少接觸網電流中諧波。

（2）直流環節的任務是穩定網側變流器的輸出電壓，并用二次諧波濾波器減少接觸網和網側變流器電源脈動，以免引起牽引電機力矩的波動。電機側變流器可以在網壓失電時，通過實施較低水平的再生制動來保持直流環節的電壓。這樣可以使牽引電機保持勵磁，提高牽引系統反應時間，同時保證輔助供電系統的持續供電。

（3）牽引變流器采用先進的IGBT（3300kV/1200kA）器件。在出現過電壓、過電流、接地故障和過熱時牽引系統自動保護。牽引控制器和IGBT的門極驅動電路（GDU）之間通過光纖進行傳輸，以使系統有較高的抗干擾能力。

牽引變流器采用空間矢量控制，在牽引電機的額定轉速以上采用方波調制來提高輸出功率，并調整逆變器的頻率以避開信號系統的安全臨界頻率。牽引變流器采用500～1000Hz的開關頻率，以降低輸出電壓中的諧波含量，從而使牽引電機的能量損失和轉矩脈動降至最低。牽引電機彈性安裝在轉向架的構架上，變速箱為軸掛式，牽引電機通過聯軸節與齒輪傳動箱相連。牽引電機為強迫風冷式三相鼠籠式異步電機。一個電動機變流器給一個轉向架上的兩臺牽引電動機并聯供電，每輛動車4個牽引電動機的軸編號與電動機逆變器及在電動機控制器（DCU/M）對應的軸編號如圖3-5所示。

3.牽引系統的各組成部分

牽引系統主要包括網側高壓系統、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電動機。

（1）網側高壓系統

網側高壓系統主要包括受電弓、主斷路器、避雷器、電壓互感器和電流互感器、接地開關等，如圖3-6所示。

①受電弓：基本動力單元TBU1和TBU2各1個，全車共計2個，型號為DSA250。

②主斷路器：主斷路器為真空型，有較高的斷路能力并有內部過流保護。主斷路器開關采用壓縮空氣控制。

③避雷器：為氧化鋅（ZnO）避雷器，無內部空氣氣隙，殼體由硅橡膠制成，為免維護型。

④高壓電流互感器：安裝在高壓電纜組件上，用于測量接觸網電流以進行監控及各種控制。

⑤高壓電壓互感器：安裝在車頂上，殼體由樹脂制成，對接觸網電壓和頻率進行監控及各種控制。

⑥接地保護開關：一個基本動力單元1個，全車共計3個。與主斷路器組合在一起，安裝在車頂，為便于維修安全，接地開關裝有聯鎖保護。

⑦網側諧波濾波器：一個基本動力單元1個，全車共計3個。諧振電抗器設在牽引變壓器內，用于減少一定頻次的諧波含量，改善網側諧波分布。

（2）牽引變壓器（3EST105-716型）

牽引變壓器一個基本動力單元1個，全車共計3個。采用心式結構，車體下吊掛，油循環強迫風冷。主變壓器總電路如圖3-7所示，其包括1個原邊繞組（25kV，1600kV·A），4個牽引繞組（930V，4×400kV·A），1個諧波濾波器繞組（1000V）。主變壓器把接觸網高電壓變為牽引系統和高壓濾波器適用的電壓，高壓濾波器連接到濾波器繞組上，裝有熔斷器、濾波電阻和濾波電容，其作用是吸收瞬時高電壓。在主變壓器下面有一個接地變壓器，為電力回流提供了一條電流通路，防止回流通過輪對軸承，使軸承發熱。主變壓器的控制包括油泵和冷卻風扇控制，監控參數有冷卻油溫度、流量、壓力、液位等。

（3）主變流器

主變流器一個基本動力單元1個，全車共計5個。采用車下吊掛，水冷卻方式。主電路結構為電壓型兩電平式，由脈沖整流器、中間直流環節、逆變器構成，設有二次諧振濾波器。中間直流電壓為1650V（隨輸出功率進行調整）。1個牽引變流器控制一個轉向架上的2臺并聯的牽引電機，控制方法為矢量控制。采用3300V/1200A等級IGBT元器件，冷卻介質采用去離子水。系統具有各類故障診斷與保護功能。外形尺寸（L×W×H）為2730mm×1980mm×450mm，質量1265kg。每個主變流器箱又包括1個網側變流器、2個電機變流器和1個輔助變流器。

（4）牽引電動機（MJA220-8型）

牽引電動機一個動力車4個，全車共計20個。牽引電動機為交流三相鼠籠式異步電動機，采用架懸、強迫風冷方式，通過聯軸節連接傳動齒輪。電機額定功率為265kW，額定電壓1287V，轉差率0.012，質量596kg，效率94％。

CRH1型動車組供電牽引系統主要技術參數及性能見表3-1。