4 CRH3型动车组变流器系统分析

4 CRH3型动车组变流器系统分析

CRH3型动车组牵引变流器结构紧凑，牵引变流器设计成车下牵引箱，易于运用和检修的模块化结构。牵引变流器输入侧为四象限脉冲整流器(4QC)，2个4QC并联为一个共同的直流环节供电，中间电容区部分存储能量，输出平滑的直流电压。输出端为一个PWM逆变器，将直流环节电压转换成牵引系统所要求的变压变频三相电源驱动4个并联的异步牵引电机。列车工作在牵引状态时作为逆变器，将直流电转变成电压频率变化的三相交流电供给牵引电动机；列车处于再生制动时牵引电动机作为发电机运行，牵引逆变器工作于整流状态，将三相交流电转变成直流电，再由四相限整流器回馈电网。

4.1 牵引变流器主电路结构

CRH3型动车组牵引变流器采用电压型

2电平式电路，由脉冲整流器、中间

直流电路、逆变器构成。变压器牵引绕组AC1550V、50Hz交流电输入脉冲整流器。2电平PWM变频脉冲整流器采用IGBT元件，实现输出直流电压2600V～3000V定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制，以及无接点控制装置保护。再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000V电压，向牵引变压器供应AC1500V、50Hz交流电并返回电网。滤波电容器直流电压输入逆变器，根据IGBT控制信号，输出变频变压的三相交流电，对4台并联的牵引电机进行转速、转矩控制。再生制动时逆变器控制在功能上按正向程序转换，感应电机发出三相交流电，逆变器向滤波电容器输出直流电压。牵引电机采用直接转矩控制方式，使转矩控制反应高速化，提高了系统动态响应性能。

CRH3型动车组编组形式为8辆编组，动力配置为4M+4T ( M为动力车厢，T为拖车车厢)，其中相邻两动车为1个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。

受电弓真空断路器牵引变流器牵引电机逆变器滤波电容器脉冲整流器脉冲整流器牵引变流器滤波电容器逆变器牵引电机X4X4牵引变压器

图4.1 CRH3型动车组牵引传动系统

CRH3牵引传动系统组成原理图如图4.1所示，在动车组中装有4 个完全相同且互相独立的动力单元，每个独立的动力单元都相同，其电路如图4.2所示。相邻的两辆动车为一个基本动力单元，每一个动力单元由一个带牵引控制单元的牵引变流器，以及4 个并联的牵引电动机。一个动力单元主要由1 台主变压器、2 台牵引变流器和8 台牵引电机等组成。牵引变压器原边额定电压为单相交流25 kV/50 Hz，副边电压1 550 V/50 Hz。牵引变流器的输入侧的整流器为四象限脉冲整流器( 4QC) 。两个4QC 并联为一个共同的DC 连接供电，并产生脉冲DC 电压。输出端有一个PWM 逆变器，它把DC 连接电压转换成牵引系统所要求的变频和变压的三相电源，驱动4 个并联的异步牵引电机。 主电路的工作过程：

架设在TC02车车顶的受电弓从接触网接收AC25KV的交流电，然后通过布设在车顶和车端的高压电缆将电能输送到装在TC02车下的牵引变压器，变压器的副边感应出4组1550V的电压，并通过车辆间的连接线到设在动车车下的变流器单元。变流器单元内部的四象限整流器将1550V的交流电整流为2700V-3600V的中间直流电压。中间直流电压通过PWM变频单元向牵引电机提供变压、变频的三相交流电源。其中限压电阻接在中间直流电路的两极，防止出现过高电压，辅助变流器的输入也取自中间直流环节。

主电路设备主要包括：牵引变压器及其冷却系统、牵引变流器及其冷却系统、牵引电动机及传动装置、限压电阻、高压电器等

图4.2 CRH3基本动力单元原理图

4.3 变流器的组成部分及工作原理

CRH3型动车组采用两重四象限脉冲整流器，它是能否实现能量的再生的最重要的器件，即列车牵引传动系统电源侧变流器。在CRH3动车组的牵引过程时，它作为整流器，将来自主变压器的1550V左右的单相交流电转化为2600V的直流电。在CRH3型动车组的制动过程时，它作为逆变器，将2600V的直流电转化为1550V作用的交流电。它可以方便的运行与电压电流平面的四个象限，因此叫做四象限脉冲整流器。

4.3.1 四象限脉冲整流器

单相两电平脉冲整流器工作原理：

单相两电平脉冲整流器主电路图如图4.1所示，L和R分别为牵引绕组的漏电感和电阻，开关管T1、T2、T3、T4组成一个全控桥电路，L2和C2为二次滤波电路，Cd为中间直流侧滤波电容。其简化的等效电路图如图4.3所示。

图4.3单相两电平脉冲整流器主电路图

为了便于分析，定义理想开关函数SA，和SB，其开关函数如（4-1）和（4-2）所示。

?1?T3导通?1?T1导通 （4-1） SB=? （4-2） SA=?0?T导通0?T导通?2?4采用理想开关函数并忽略牵引绕组电阻，则图4.1所示的两电平脉冲整流器主电路图可以等效为图4.4所示的电路。

图4.4单相两电平脉冲整流器开关等效电路图

INLNRNACUNUab图4.5 脉冲整流器简化主电路图

单相两电平脉冲整流器主电路进一步可简化为上图4.5。 很容易写出脉冲整流器的电压矢量平衡方程为:

UN=Uab+jwLNIN （4-3）

式中 UN:二次侧牵引绕组电压相量 IN:二次侧牵引绕组电流的基波相量

Uab:调制电压的基波相量

当二次侧牵引绕组电压UN一定时，IN的幅值和相位仅由Uab的幅值及其与

UN的相位差来决定。改变基波的幅值和相位，就可以使Uab与IN同相位或反相位。在牵引状态下，UN与IN的相位差为0，该状态下的相量图如图4.4.1所示，此时Uab滞后UN此时脉冲整流器向直流侧输送电能;在制动状态下UN与IN的相位差为180度，该状态下的相量图如图4.4.2所示，此时Uab超前UN，电机通过脉冲整流器向接触网反馈能量。

jωLNINUNINRNUabjωLNININRNUabUNINθθIN4.4.1牵引工况相量图4.4.2制动工况相量图图4.4单位功率因数脉冲整流器相量图

由于上下桥臂不允许都导通，所以Si (i = A, B)与S'i必须满足S'i=1-Si。于是，三种电平，有效的开关组合有4种，即SA、SB=00, Uab的取值有?Ud,0, ?Ud、

01, 10, 11四种逻辑组合，则调制电压Uab可表示为:

Uab=(SA一SB)Ud （4-4） 根据理想开关的开闭状态，脉冲整流器共有3中工作模式:

(1)模式1: SASB=00/11，即下桥臂开关元件或上桥臂开关元件全部导通，此时Uab= 0，由支撑电容电容Cd向负载供电，牵引变压器二次绕组端电压UN直接加在漏电感LN上，对漏电感LN充、放电。当uN>0时，D1与T3导通或D4与T2导通，电源电流iN上升，电源给漏电感LN储存能量；当uN<0时，D3与T1导通或D2与T4导通，电源电流iN下降，漏电感LN开始释放能量，回馈给电源。

(2)模式2: SASB=01，其等效电路如图4.5 ( a)所示，此时Uab= ?Ud，T1、

T4同时关断，由T2、T3或D2、D3导通形成回路。当uN>0时，电源电流iN上升，

电源和直流环节（负载）共同给漏电感LN储存能量；当uN<0时，电源电流iN下降，漏电感LN释放开始能量，供给直流环节（负载）并同时回馈给电源。

(3)模式3: SASB=10，其等效电路如图4.5 ( b)所示，此时Uab= Ud,T2 、T3同时关断，由D1、D4或T1、T4导通形成回路。当uN>0时，电源电流iN下降，电源和漏电感共同向直流环节提供能量，即变流器工作在整流状态。当uN<0时，电源电流iN上升，直流环节和漏电感共同提供能量，并同时回馈给电源，即变流器工作在逆变状态。

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