第三章　CRH1型動車組牽引傳動系統(tǒng)及控制

第一節(jié)　概述

一、CRH1型動車組供電牽引系統(tǒng)概述

CRH1型動車組牽引系統(tǒng)工作原理如圖3-1所示。牽引系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)，轉(zhuǎn)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(tǒng)，正常情況下，三個牽引系統(tǒng)均工作，TBU之間通過WTB總線通信，而在每個TBU內(nèi)部，通過車輛MVB和牽引MVB兩級MVB總線通信。當(dāng)一個牽引系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以自動切斷故障源，繼續(xù)運行。

CRH1型動車組的牽引主回路主要由以下電器設(shè)備組成：受電弓、高壓開關(guān)、主變壓器、網(wǎng)側(cè)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(zhuǎn)換過程受CRH1的以MITRAC通用計算機為核心的控制系統(tǒng)的控制，如圖3-2所示。MITRAC計算機系統(tǒng)以摩托羅拉68000微處理器為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)的機械和電氣設(shè)計適應(yīng)溫度范圍均是-40℃～+70℃，并能承受強烈振動沖擊的牽引環(huán)境。MITRAC的前身TRACS從1985年開始實際應(yīng)用，隨著電子產(chǎn)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(tǒng)，稱作TCMS（Train Control and Management System，列車控制與管理系統(tǒng)），具有高度的智能。TCMS接受司機的指令信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換與運算以后發(fā)給主回路系統(tǒng)實施能量轉(zhuǎn)換過程，控制列車運行。TCMS還檢測列車運行的實際狀態(tài)信息，對該狀態(tài)信息進(jìn)行處理和判斷，一方面幫助司機、乘務(wù)人員和維護(hù)人員了解列車的運行情況，另一方面對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報警和應(yīng)急處理，可以說牽引主回路是列車運行的軀干，TCMS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及布置

1.牽引系統(tǒng)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(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)、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(tǒng)的總體介紹

CRH1型動車組采用交流傳動技術(shù)。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(tǒng)。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(tǒng)主要由主斷路器、主變壓器（MT）、網(wǎng)側(cè)濾波器（FB）、網(wǎng)側(cè)變流器（LCM）、直流環(huán)節(jié)（DC-LINK）、電機變流器（MCM）、牽引電機（TMO）等組成。

主變壓器將接觸網(wǎng)的25kV高壓轉(zhuǎn)換成適合于牽引和輔助供電的電壓，并實現(xiàn)高壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的電氣隔離。主變壓器的漏抗設(shè)計能夠滿足減少沖擊電流、濾掉網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波電流的作用，并提供網(wǎng)側(cè)變流器（PWM脈沖整流器需要的電感）。主變壓器采用循環(huán)油冷卻，并可以通過TCMS對變壓器的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。主變壓器的次邊濾波繞組接網(wǎng)側(cè)諧波濾波器。網(wǎng)側(cè)諧波濾波器（LHF）用于消除由線路噪聲引起的諧振所產(chǎn)生的干擾電流。此外其他車頂高壓設(shè)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(zhuǎn)換成輪周牽引力，電能轉(zhuǎn)換形式為交—直—交。這一轉(zhuǎn)化主要分以下幾個步驟。

（1）網(wǎng)側(cè)變流器將主變壓器次邊繞組的交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流環(huán)節(jié)電壓（DC-LINK Votage），直流環(huán)節(jié)為電機變流器供電，將直流環(huán)節(jié)電壓轉(zhuǎn)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(gòu)成一個網(wǎng)側(cè)變流器單元，每個脈沖整流器的交流側(cè)同主變壓器的次邊繞組連接，并在直流側(cè)并聯(lián)。網(wǎng)側(cè)變流器對主變壓器的次邊繞組電壓和接觸網(wǎng)電壓的相位角進(jìn)行控制，使列車的功率因數(shù)接近于1。兩個網(wǎng)側(cè)變流器的IGBT能夠進(jìn)行移相控制，以減少接觸網(wǎng)電流中諧波。

（2）直流環(huán)節(jié)的任務(wù)是穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)變流器的輸出電壓，并用二次諧波濾波器減少接觸網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)變流器電源脈動，以免引起牽引電機力矩的波動。電機側(cè)變流器可以在網(wǎng)壓失電時，通過實施較低水平的再生制動來保持直流環(huán)節(jié)的電壓。這樣可以使?fàn)恳姍C保持勵磁，提高牽引系統(tǒng)反應(yīng)時間，同時保證輔助供電系統(tǒng)的持續(xù)供電。

（3）牽引變流器采用先進(jìn)的IGBT（3300kV/1200kA）器件。在出現(xiàn)過電壓、過電流、接地故障和過熱時牽引系統(tǒng)自動保護(hù)。牽引控制器和IGBT的門極驅(qū)動電路（GDU）之間通過光纖進(jìn)行傳輸，以使系統(tǒng)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(zhuǎn)速以上采用方波調(diào)制來提高輸出功率，并調(diào)整逆變器的頻率以避開信號系統(tǒng)的安全臨界頻率。牽引變流器采用500～1000Hz的開關(guān)頻率，以降低輸出電壓中的諧波含量，從而使?fàn)恳姍C的能量損失和轉(zhuǎn)矩脈動降至最低。牽引電機彈性安裝在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上，變速箱為軸掛式，牽引電機通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪傳動箱相連。牽引電機為強迫風(fēng)冷式三相鼠籠式異步電機。一個電動機變流器給一個轉(zhuǎn)向架上的兩臺牽引電動機并聯(lián)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(yīng)的軸編號如圖3-5所示。

3.牽引系統(tǒng)的各組成部分

牽引系統(tǒng)主要包括網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電動機。

（1）網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)

網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)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(guān)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(nèi)部過流保護(hù)。主斷路器開關(guān)采用壓縮空氣控制。

③避雷器：為氧化鋅（ZnO）避雷器，無內(nèi)部空氣氣隙，殼體由硅橡膠制成，為免維護(hù)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(wǎng)電流以進(jìn)行監(jiān)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(wǎng)電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)控及各種控制。

⑥接地保護(hù)開關(guān)：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(guān)裝有聯(lián)鎖保護(hù)。

⑦網(wǎng)側(cè)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(shè)在牽引變壓器內(nèi)，用于減少一定頻次的諧波含量，改善網(wǎng)側(cè)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(jié)構(gòu)，車體下吊掛，油循環(huán)強迫風(fēng)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(wǎng)高電壓變?yōu)闋恳到y(tǒng)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(fā)熱。主變壓器的控制包括油泵和冷卻風(fēng)扇控制，監(jiān)控參數(shù)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(jié)構(gòu)為電壓型兩電平式，由脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器構(gòu)成，設(shè)有二次諧振濾波器。中間直流電壓為1650V（隨輸出功率進(jìn)行調(diào)整）。1個牽引變流器控制一個轉(zhuǎn)向架上的2臺并聯(lián)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(zhì)采用去離子水。系統(tǒng)具有各類故障診斷與保護(hù)功能。外形尺寸（L×W×H）為2730mm×1980mm×450mm，質(zhì)量1265kg。每個主變流器箱又包括1個網(wǎng)側(cè)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(fēng)冷方式，通過聯(lián)軸節(jié)連接傳動齒輪。電機額定功率為265kW，額定電壓1287V，轉(zhuǎn)差率0.012，質(zhì)量596kg，效率94％。

CRH1型動車組供電牽引系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)及性能見表3-1。