【文章內容簡介】 引負荷波動十分劇烈。(4)三相不平衡嚴重。高速動車組是大功率單相負荷，當三相電力系統向它供電的時，單相負荷與三相電源之間的電氣結構差異，將使他在牽引變壓器的系統測產生幅值交大的負序電流。負序電流對同步發(fā)電機、感應電動機、電力變壓器、輸電線路等都會產生影響。 高速列車牽引變流器為了實現其電能變換的功能，同時與現有交流接觸網和電機調速變壓變頻的要求相適應，其主電路基本都采用交一直一交變流模式。然而由于實際運行情況的具體要求不同，這種交一直一交電路又演變出了多種不同的電路結構和控制方式。各國列車主變電路究竟采用哪種結構，需要根據具體的要求靈活選配。 國外高速動車組牽引變流主電路結構特點 日木的動車主要采用單弓受流的方式，每臺逆變器控制4臺電機。牽引電機都采用三相交流異步電機。所不同的是，依據牽引功率的大小、變流元件的耐壓程度以及對電網側和直流側諧波抑制的要求，300系和E2系都采用二重化四象限整流器，而500系和700系則是每臺四象限整流器獨立為一臺逆變器供電。各型號動車組主電路特點:300系主電路特點:(1)使用大功率GTO元件，各橋臂元件構成一串一并，簡化了電路。(2)整流電路和逆變電路由相同模塊構成，部件統一，可互換。(3)吸收電路采用較為成熟的RCD方式。(4)中間直流回路電壓1900V，為使GTO斷能力穩(wěn)定，一部分電容作為相電容分散布置在GTO橋臂旁。(5)主變壓器與整流電路間設有交流接觸器和充電電阻。(6)門極電路采用光纖傳輸方式，提高抗干擾性。700系列車主電路則用IPM(智能功率模塊，把功率開關器件、驅動電路和故障檢測電路集成在一起，一般使用IGBT作為功率開關元件)代替了GTO，變流頻率從300系的420Hz升至1500Hz。同時主變流裝置采用了三點式電路，使輸入輸出波形與GTO相比更接近正弦波，從而抑制了高次諧波，降低了主變壓器的噪聲。電機控制采用1臺逆變器控制4臺電機的方式，適用于小功率多動軸動力分散系統。與700系相同，E2系的變流裝置也由IPM模塊代替了GTO。變流器中間回路直流電壓為2600V。 法國AGV系列列車采用了二點式電路結構，利用了其結構簡單，使用元器件少，變流器重量較輕等優(yōu)點。由于AGV需要運行在AC25kV/15kV和DC3kV多流制狀態(tài)下，因而AGV采用兩臺受電弓分別適合于交流和直流接觸網。此外，AGV系列還同時使用了一重、二重四象限整流器，采用軸控的方式驅動牽引電機，這樣不僅可以實現對每根車軸輸出轉矩的單獨控制，有利于消除由于車輪摩擦引起的轉矩不平衡現象，而且可以增大每根車軸的輸出功率，提高單軸輸出的牽引力。 德國現代高速列車一開始就采用交流異步牽引電動機驅動，一直堅持動力集中配置模式，變流元件經歷了快速晶閘管、GTO、和IGBT三個階段，相應的動車組也相繼發(fā)展了三代。為適應歐洲高速鐵路網的發(fā)展，從ICE3開始，采用動力分散形式的高速列車。ICE3分為單流制和多流制兩種:單流制適用于15kV 16 2/3Hz。多流制適用于AC15kV, 16 (2/3)Hz, AC20kV50Hz和DC 3kV/。由于涉及到運行在不同區(qū)段的工況轉換，其電路結構因而較為復雜。為了滿足多電流制方案，牽引變流器在直流電網上運行時，四象限控制器重新編組，作為升壓斬波器或降壓斬波器使用。而脈沖逆變器工作任務不變。每一輛變流器車輛中，四象限電路的網側變流器分為2組，共用1個電機側的脈沖逆變器進行工作，它向車輛的4臺牽引電動機供電。即列車上總共產生4組獨立的驅動單元。ICE3采用鼠籠式異步電機，中間直流電壓2600V。ICE3系列主電路采用GTO元件和VVVF控制方式，動力車在保持中間直流電壓為2600V前提下，通過增加逆變器的啟動開關頻率至300Hz，改進牽引電機的設計，取消了電機前級電抗器。主變流器的冷卻方式采用先進的水冷卻模塊。其冷卻效果好，且水的處理簡單，較經濟，是變流器冷卻方式的發(fā)展方向。 我國高速動車組牽引變流主電路結構特點CRH1在正常運行情況下單弓受流。采用二重四象限整流器減小IGBT承受的最大電壓并減少引入電網的諧波。CRH1采用常用的兩電平整流逆變電路，并采用架控方式控制三相異步交流電機提供驅動轉矩。接觸網電壓25k V，工頻50Hz。變流元件采用IGBT，直流側電壓穩(wěn)定在1650V。 CRH2主變壓器二次側AC1500V, 50Hz。脈沖整流器采用單相3點式PWM變頻器結構，開關元件為IGBT。輸出直流電壓2600V3000V。再生制動時，脈沖整流器接收濾波電容器輸出的直流3000V電壓，將電能回饋給電網。感應電機采用矢量控制方式，獨立控制電機轉矩電流和勵磁電流，提高了系統動態(tài)響應性能，調速范圍廣。 CRH3牽引傳動系統由兩個相對獨立的基本動力單元組成，1個動力單元主要由1臺主變壓器、2臺牽引變流器和8臺牽引電動機組成。變壓器額定電壓為單相AC25Kv/Hz。牽引變流器輸入側的斬波器為四象限斬波器(4QC)。兩個4QC并聯為一個共同的Dc連接供電，并且產生脈沖Dc電壓。Dc連接中有連接電容，連接電容儲存能量，并且平滑4QC的脈沖輸出電壓。在DC連接輸出端有一個PWM逆變器，它把DC連接電壓轉換成牽引系統所要求的變頻和變壓的三相電源給異步牽引電機供電。每個PWM逆變器輸出驅動4個并聯的異步牽引電機。作為輸入斬波器的4QC，通過改變功率半導體設備的調制率來控制牽引和動力(再生)制動模式下的電流和電壓之間的相位角。當線路電壓達到29 kV時，控制電壓／電流相位角使車輛的功率因數幾乎為1。 各國主電路結構綜合比較
綜合上述分析，日、法、德、中四國高速列車牽引主變流器電路結構根據應用實際，存在的差異表現如下。 第一，受流方式的不同：日本以單弓受流為主，而歐洲列車則以雙弓或多弓受流為主。造成這一情況的主要原因，在法德等歐洲國家，由于各國鐵路采用多種電流制，甚至在一個國家中也存在不同的供電網，當列車在本國不同電制區(qū)段或在不同國家之間運營時，就不得不研制多流制機車。而解決這一問題的方法就是采用兩臺甚至多臺受電弓，分別適合于不同電壓頻率的交流接觸網和直流接觸網。相比之下，日本主要采用電壓26kV,頻率60Hz的接觸網供電，單弓受流已能滿足需要。 第二，在動力配置方面：由于日木是島國，降水量多導致地基松軟，因此，日本高速列車全部采用動力分散方式配置，以減輕列車動作用力對地基的壓力，同時減小單軸輸出功率。而在法國、德國等歐洲一些國家，各個國家和地區(qū)根據自身情況和使用條件來選擇適用類型。例如，考慮到經濟性，更多的是在既有線路考慮提速，同時結合歐洲路基堅固的特點。因此TGV等高速列車采用動力集中的方式。但隨著對列車運行速度的追求，高速列車逐漸采用動力分散的方式。故歐洲采用動力分散的方式更多地是考慮了其相對于動力集中方式的優(yōu)越性。 第三，在轉向架控制方面：歐洲列車多采用軸控或者架控的方式，而日本則全部采用一臺逆變器控制4臺牽引電機的方式。前者單軸輸出功率大，單軸轉矩控制容易。后者則以小功率、多動軸降低了對輪軌粘著系數的要求。 CRH3型動車組簡介CRH3,全稱：China Railway High speed 3，動車組為4動4拖8輛編組，采用電力牽引交流傳動方式，由2個牽引單元組成，每個牽引單元按兩動一拖構成。動車組具有良好的氣動外形，其載客速度為350KM/H，最高試驗速度為 404KM/H。兩端為司機室，列車正常運行時由前端司機室操縱。兩列動車組可以聯掛運行，自動解編。 CRH3動車組設置一等座車一輛、二等座車6輛和一輛帶廚房的二等座車。一等車廂座席采取2＋2布置，二等車車廂座席采取2＋3布置，除帶廚房的二等座車采用固定座椅外，其余車型均采用了可旋轉座椅，全車定員557人。　CRH3動車組是在德國西門子ICE 3/ VelaroE成功開發(fā)的基礎上，適應中國的客運需求進行適應性優(yōu)化設計而來的，它繼承了ICE 3/ VelaroE高速電動車組的高新技術，并根據技術的發(fā)展趨勢進行了改進。CRH3動車組技術特點 CRH3車體采用大型擠壓中空鋁型材焊接而成，司機室采用彎曲鋁型材梁和板狀鋁型材作蒙皮的焊接結構。車體的強度按EN12663進行設計。 　　防火安全性按DIN5510和EN45545設計，火災發(fā)生后，可以80km/h的速度運行10分鐘的要求，車體、電氣柜和重要電纜、外端門、重要電纜和系統的防護、材料選擇等都采用特殊的設計。 　　轉向架采用經過實踐驗證、性能優(yōu)良的SF500轉向架。為適應車體的加寬和速度的要求，僅對枕梁、減振器、彈簧參數、傳動比等進行了適應性的改變和優(yōu)化。 　　牽引系統與Velaro E動車組基本相同，牽引功率相同為8800kw,牽引部件分散配置在6輛車上。主變壓器設計成單制式的變壓器，與Velaro E動車組不同的是它取消了輔助繞組。主變壓器采用強迫導向油循環(huán)風冷方式，當變壓器冷卻系統的風機故障時，車輛的可用牽引力只減少25%。 牽引變流器采用結構緊湊，易于運用和檢修的模塊化結構，相模塊采用的半導體元件是IGBT。 　　輔助供電系統采用列車線供電方式，由分散布置在若干車廂的各電源設備向干線供電。車輛的車載電源的電力是通過牽引變流器的直流環(huán)節(jié)獲得的。輔助變流器（ACU）把直流電轉換為車輛的車載電源系統的三相交流電。 網絡控制系統由列車控制微機網絡系統完成信息傳輸功能。列車控制網絡系統由兩級傳輸組成：MVB和WTB。列車通信和控制微機網絡系統應為車載分布式計算機網絡系統?？捎啥嗉壘W絡構成。通訊協議基本上基于標準VIC556和IEC613751：1999。 旅客界面設計體現了人性化與舒適性的和諧統一。全列車采用可旋轉座椅，保證旅客始終可以面向車輛運行方向，座椅靠背可調節(jié)，提高了車輛的乘座舒適性。設有殘疾人和嬰兒設施；采用航空式供餐設施；功能完備的衛(wèi)生設施；每輛車設電開水爐；設有透明玻璃行李架和大件行李存放區(qū)；設有影音系統及可折茶桌，充電插座等旅客設施。采用獨特的降噪設計，時速350公里運行時車內噪聲水平：一等車不大于65dB，二等車不大于68dB。 CRH3型動車技術參數 編組形式為，4M4T，可兩列重聯； 　　動力配置：2(2M+1T)+2T； 　　編組重量：380t； 　　編組長度：； 　　總牽引功率：8800kW； 　　動軸數：16； 　　單電機功率：550kW； 　　噸均功率：； 　　運營時速：350km/h； 　　試驗速度：≤400km/h； 　　轉向架軸重：15t； 　　車輛寬度：； 　　車輛高度：； 　　中間車長度：； 　　頭車長度：； 　　轉向架軸距：； 　　轉向架中心距：； 　　輔助供電制式：3相440V 80Hz，DC110V； 列車控制網絡系統：車載分布式計算機網絡系統 。 本章小結（1）現代電力電子技術的迅猛發(fā)展,新型電力電子器件不斷問世,為交流傳動奠定了堅實的物質基礎。控制理論(交流傳動系統的重要武器)的逐步完善大大提高了交流傳動系統性能。現代信息技術日新月異的發(fā)展,為控制系統技術的進步提供了保障。交流電機自身無可爭辯的優(yōu)勢,是拓展交流傳動系統的良好基礎。在機車車輛行業(yè),交流傳動的優(yōu)越性得到了充分的體現。（2）交流傳動控制技術，在動車組關鍵技術的消化與吸收中，是一個核心問題，占有非常重要的地位，能否真正掌握其內核為我所用，實現技術創(chuàng)新，將有一段不平坦的道路。第二章交流傳動控制與牽引特性CRH3型動車組采用交直交傳動方式，以交流異步感應電動機作為牽引電機的高速動車組適宜采用再生制動方式。制動時，它是將交流電動機做為發(fā)電機使用，從而產生制動力矩，并將其所發(fā)出的電能反饋回電網的一種制動方式。在所有的制動方式中，再生制動是唯一向電網反饋能量的制動方式，同電阻制動相比，減少了龐大而笨重的制動電阻，同時免去了一整套通風冷卻裝置，因此備受青睞。目前國外大多數動車均采用了該種制動方式，且日益成為交流傳動動車組的首選方式。由于再生制動具有清潔、無磨耗和能量利用率高的優(yōu)點，在常用制動工況，優(yōu)先使用電制動力 交流異步牽引電動機三相交流異步電動機是一種將電能轉化為機械能的電力拖動裝置。它主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。對定子繞組通往三相交流電源后，產生旋轉磁場并切割轉子，獲得轉矩。三相交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點,被廣泛應用于各個領域。按轉子結構的不同，三相異步電機可分為籠式和繞線式兩種。 籠式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調速困難。 繞線式三相異步電機的轉子和定子一樣也設置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調節(jié)電動機的轉速。三相異步電動機主要由定子和轉子構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙。 定子由鐵心、繞組與機座三部分組成。轉子由鐵心與繞組組成，轉子繞組有鼠籠式和線繞式。鼠籠式轉子是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成；線繞式轉子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里。鼠籠式與線繞式兩種電動機雖然結構不一樣，但工作原理是一樣的。當電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。異步電動機的等效電路由歸算后的異步電動機的基本方程（基本方程是由電壓、電勢、電流、或磁勢平衡方程式組成的方程）得到，等效電路是交流異步電動機分析計算的基本數學模型，真實地反映了電動機運行中的各種電磁過程與電磁現象，是電動機的模擬電路。等效電路可以有幾種形式，一種為“T”形，一種為“Γ”形。 “T”形等效電路如圖、——定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；、 ——定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；——定子每相繞組產生氣隙