韦宏星
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266580
摘 要：我国高速铁路指的是时速大于200Km/h的线路，在高铁线路上运营的车辆称为高速动车组，总体由动车与拖车组成。高速动车组运行时靠着自身牵引系统提供分散式动力支持。本文对CRH1、CRH2、CRH5的动车组牵引性能进行比较，分析各自的牵引特性并评价车型的运行性能和效率。最后针对动车组分析结果针对可能存在的问题提出展望。
关键词：牵引系统；高速列车；
0 引言
CRH（China Railway High-speed）是中国铁路自主品牌的系列高速动车组。动车组在交流传动、网络控制等技术上达到了世界领先的水平。目前在国内高速铁路上运营的动车组有CRH1、CRH2、CRH5、CRH380等型号的车辆。它们也是来自不同的生产厂家，都是引进的不同外资企业的技术，在牵引传动系统设计上也是各不相同，各具特色。由于动车组采用动力分散的牵引方式，所以分析动车组牵引传动系统的方法也与普通电力机车不太相同。
1 动车组牵引传动系统特点
1.1 CRH1型动车组牵引传动技术特点
CRH1型动车组有3个基本列车单元，每个单元有相对独立的牵引变压系统、传动系统和辅助动力供给系统。牵引控制系统是一个基于现场总线的分布式控制系统，牵引控制的总线型式为MVB，各列车基本单元独立运行，受列车主控制器的协调与监控。CRH1型动车组一个动车转向架上有2个牵引电动机并联连接到一个电动机变流器上，牵引电动机的运行工况受电动机变流器微机控制系统监控。牵引电动机与牵引变流器统一进行优化匹配设计，减小波形畸变和转矩波动，噪声小，损耗小。这种设计还能最大限度的减少牵引电动机的零部件，减少设备维修时间，提高系统可靠性。电动机变流器模块的功率器件是IGBT模块，IGBT为电压驱动方式，开关频率高，模块的抗干扰及短路保护能力强，损耗小，性能好，工作可靠。此外，大功率IGBT模块本身绝缘，外壳不带电，冷却方便，系统结构简单。电动机变流器由微机控制，具有自检、自诊断和保护功能，模块化程度高。
1.2 CRH2型动车组牵引传动技术特点
CRH2型动车组采用VVVF控制牵引方式，动力配置是4M+4T, CRH2C（CRH2-300）型动车组的动力配置则是6M+2T。牵引变流器采用IGBT，工作频率为1500Hz，牵引电动机采用三相鼠笼型异步电动机，功率为300kW。动车组牵引系统各部件体积小、重量更轻、集成化程度高，使得牵引变压器和牵引变流器可以整合到一辆车上，即两个动力车可以组成一个基本动力单元。并且各车辆的轴重仅14t，牵引和制动能耗低。
1.3 CRH3型动车组牵引传动技术特点
CRH3型动车组牵引传动系统与原型车德国西门子Velaro E（ICE-3）列车相同，牵引总功率都是8800kW，牵引部件分散配置在6辆车上，所以该车型最高速度大。Valero平台的优势在于其动力分散牵引技术，所有设备分布于列车底部，因此列车可以比其他同样长度列车多容纳25%座位。动车组牵引传动系统由两个相对独立的基本动力单元组成，在基本动力单元中的电气设备发生故障时，可全部或部分切除该基本动力单元，但不影响到其他动力单元的运行，电气设备多数安装在车下区域，目的是扩大乘客可利用空间，牵引变流器采用结构紧凑、易于运用和检修的模块化结构。
1.4 CRHS型动车组牵引传动技术特点
CRH5型动车组有两个相对独立的主牵引系统，每个牵引单元配备一个完整的集电、牵引及辅助系统以实现所需的牵引和辅助电路冗余，。牵引传动系统动力配置为5动3拖的动力分散式，分成两个牵引单元，第一动力单元为M+M+T+M，第二动力单元为T+T+M+M，其中M代表动车，T代表拖车。在3和6号车上设有受电弓，动车组运行时采用单弓受流方式，另一个备用，在车顶设贯通的高压母线，分别向两个牵引单元供电。
2 CRH动车组牵引传动系统比较
2.I CRH动车组主电路分析
CRH型动车组的主电路都是经过对原型车的改进两创新设计的，本节简要叙述几种车型主电路结构的设计，CRH1、CRH2、CRH5型动车组的牵引传动主电路及其各部分结构如图2.1-2.3所示
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图2.1 CRH1型动车组牵引传动主电路结构框图
CRH1型动车组的一个电动机变流器模块驱动一台牵引电机，整个系统的变流器分为两大模块，分别是网侧变流器模块（LCM）和电动机变流器模块（MCM），此外主电路还包括辅助变流器模块ACM，其中LCM是具有独立控制功能的计算机控制变流系统，该系统由主电路和控制电路组成[1]。
CRH2型动车组一台牵引逆变器控制四台并联的异步电动机。牵引传动主电路采用的是三电平四象限脉冲整流器和三电平牵引逆变器，主变流器主电路采用两开关功率器件串联与中点带钮位的二极管的方案，功率开关器件采用IPM智能功率模块或大功率IGBT模块。主变流器中间直流环节只有支撑电容，不设二次谐波滤波装置，减轻了主变流器和牵引变压器的重量，这也是型动车组牵引传动系统的一大特点。牵引逆变器采用矢量控制方式，由于中叫直流回路没有二次滤波电路，为了防止脉动的直流电压对电机转矩产生影响，应该在调制方式中采用PWM控制策略来消除纹波的影响[2]。电路框图如图2.2所示。
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图2.2 CRH2型动车组牵引传动主电路结构框图
CRH3型动车组有4台牵引变流器，每个引变流器仅包括两个两电平四象限整流器、一个带串联谐振电路的中间电压电路、一个并联限压电阻的过电压限制器、接地故障检测模块和一个两电平逆变器，每组逆变器控制4台电机。牵引变流器使用模块化设计并且具有互相交换的特性。CRH3型动车组牵引传动系统最大的优点就是牵引变流器内可以进行电流和电压的检测，以防止过电流和过电压对系统的干扰和影响，使得系统更加可靠[3]。CRH3型动车组牵引传动主电路结构框图如图2.3所示。
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图2.3 CRH3型动车组牵引传动主电路结构框图
CRH5型动车组总共有5套变流装置，一套变流装置中有两组两电平四象限整流器（4QC）、两组逆变器、一组牵引控制装置、一组辅助逆变器。牵引变流器采用典型的模块化结构，主要由8个组件组成，通过紧固件连接；牵引、辅助变流器集成在一个箱体中，辅助回路输入电压来自中间直流环节，逆变器采用矢量控制技术，多种PWM模式优化调制。一组整流器模块由两个两电平四象限脉冲整流器相互并联组成，结构原理图如图2.4所示，每个逆变电路由一个功率模块组成，包括8个IGBT，其中6个组成三相两电平逆变器，1个作为斩波器，1个单独作为二极管使用[4]。
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图2.4 CRH5型动车组牵引传动主电路结构框图
2.2 牵引传动系统变流器部分比较
这四种动车组牵引传动系统的一个较明显的特点就是模块集成化高，变流器的体积和重量较轻。整流器件都选用大功率IGBT或IPM，脉冲整流器控制都为瞬态直接电流控制，牵引电机控制方式均为矢量控制。CRH1由于是国内最早引进消化吸收的车型，其输入功率较其他动车组较小，直流环节电压小整流器输入电流较大，控制元器件的发热量较大，所以整个牵引传动系统的可靠性较低，对冷却系统的要求也较高。相反的变流器输入电流最小，损耗较低，牵引传动系统的效率最高。CRH1、CRH2、CRH5型动车组的牵引变流器均采用两靈化脉冲整流器模块。这样可以提高系统的容量和减小网侧变流器输入电流的谐波贪量。CRH2采用的三电平脉冲整流器和三电平牵引逆变器不同与其他车型的两电平式。它的优点是其每一个器件所承受的关断电压仅为直流侧电压的二分之一。且在同样的开关频率和控制方式下，输出电流和电压的谐波远远小于两电平变流器。CRH3和CHR5都釆用6500V电压等级的大功率IGBT模块（6500V/600A），相比较电压等级的，元件额定电流减小使得系统的稳定性增强，效率更高[5]。
3 总结
本文对和谐号动车组的几种典型车型的牵引传动系统做了详细的分析比较，介绍了几种动车组的牵引传动系统的特点，通过对比其牵引变流器的性能，比较了不同车型得优势。为以后集成设计牵引系统做出了贡献。
参考文献
[1] 邓学寿型动车组牵引传动系统机车电传动.2008.3:91-94
[2] 曾剑群动车组牵引计算仿真系统的研究（硕士学位论文）北交通大学 2009
[3] 刘红兵浅谈高速动车组电力牵引传动控制系统电源世界 2010,5:28-31
[4] 李勇型动车组牵引传动系统仿真研究（硕士学位论文）两南交通大学 2010.5
[5] 姚子力高性能直接转矩控制系统的研究（硕士学位论文）湘潭大学 2008