張磊

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300240）

CRH2與CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的對(duì)比分析

張磊

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300240）

摘要：網(wǎng)側(cè)變流技術(shù)是動(dòng)車組牽引系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。以高速動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器采用的單相三電平和兩重兩電平變流電路為研究對(duì)象，介紹了CRH2與CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的主電路結(jié)構(gòu)，分析了兩種網(wǎng)側(cè)變流器的工作模式，并對(duì)其性能優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比。兩種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中應(yīng)按照各自的特點(diǎn)根據(jù)具體情況來選擇。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；網(wǎng)側(cè)變流器；主電路；工作模式

1　引言

動(dòng)車組牽引變流器作為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，其性能質(zhì)量直接關(guān)系到動(dòng)車組的安全正點(diǎn)運(yùn)行，而網(wǎng)側(cè)變流技術(shù)正是動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是我國(guó)發(fā)展高速鐵路列車需要大力研究的主要技術(shù)之一。本文以CRH2與CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器主電路為研究對(duì)象，對(duì)比分析了兩種變流電路的主電路結(jié)構(gòu)、工作模式與性能優(yōu)劣。

網(wǎng)側(cè)變流器分類方式很多,主要有［1］:

（1）按照直流側(cè)儲(chǔ)存電能的形式可分為電壓型與電流型網(wǎng)側(cè)變流器，電壓型變流器直流側(cè)儲(chǔ)存電能的是電容元件，而電流型變流器直流側(cè)儲(chǔ)存能量的是電感元件。電壓型變流器響應(yīng)較快,并且容易實(shí)現(xiàn)。目前，在動(dòng)車組上的變流器采用的是電壓型變流器。

（2）按照調(diào)制電平數(shù)可分為兩電平、三電平及多電平網(wǎng)側(cè)變流器。現(xiàn)在用于動(dòng)車組的變流器既有兩電平變流器，也有三電平變流器。

（3）按照其橋路可分為半橋變流器與全橋變流器。

2　 CRH2　與CRH5　型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器

動(dòng)車組在牽引工況下，受電弓從接觸網(wǎng)接受25kV、50Hz的高壓交流電能，經(jīng)過安裝在車底架上的牽引變壓器，降成較低電壓的交流電；降壓后的交流電經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成直流電能，該直流電再由電動(dòng)機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成頻率可變、電壓可變的三相交流電送給牽引電動(dòng)機(jī)，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過齒輪變速箱和萬(wàn)向軸傳遞給輪對(duì)，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。動(dòng)車組在回饋制動(dòng)工況下，牽引電動(dòng)機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，產(chǎn)生三相交流電能，由電動(dòng)機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成直流電能，經(jīng)中間直流回路穩(wěn)壓后，再經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器變換成單相交流電能，該交流電通過牽引變壓器、主斷路器、受電弓等高壓設(shè)備回饋給接觸網(wǎng)。

2.1 CRH2型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器

CRH2型動(dòng)車組以川崎重工業(yè)的新干線E2－1000型動(dòng)車組為原型，由中國(guó)南車集團(tuán)南車四方機(jī)車車輛股份有限公司負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

2.1.1 CRH2型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器主電路結(jié)構(gòu)

CRH2動(dòng)車組的網(wǎng)側(cè)變流器部分由單相三電平四象限PWM脈沖整流器和交流接觸器構(gòu)成［2］，主電路如圖1所示，采用中點(diǎn)鉗位型結(jié)構(gòu)，其中LN為交流側(cè)輸入電感，RN為繞組電阻，Cdl與Cd2為直流側(cè)的支撐電容，二者電容值相同，這樣就在兩電容之間形成了一個(gè)電壓中性點(diǎn)，兩組連接到中性點(diǎn)的兩個(gè)二極管就是箝位二極管，其作用是把整流器的電壓箝位到中性點(diǎn)電位［3］。主電路由8個(gè)IGBT開關(guān)元件與IGBT的反并聯(lián)續(xù)流二極管組成，每一橋臂有四個(gè)開關(guān)管，其中直接連到正負(fù)直流母線上的4個(gè)開關(guān)管稱之為主開關(guān)管，中間的4個(gè)開關(guān)管稱之為輔助開關(guān)管。

圖1　三電平脈沖整流器主電路圖

脈沖整流器可以實(shí)現(xiàn)牽引、再生工況間平滑的轉(zhuǎn)換，整流時(shí)，三電平PWM整流器將電網(wǎng)交流電整流成為直流，給負(fù)載供電；逆變時(shí)，整流器經(jīng)過IGBT將直流逆變?yōu)榻涣鳎缓髮⒛孀兂傻慕涣麟姺答伣o電網(wǎng)，因此三電平四象限PWM整流器的能量傳遞是可逆的。

2.1.2 CRH2型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器工作模式

為了便于對(duì)CRH2動(dòng)車組的網(wǎng)側(cè)變流器主電路進(jìn)行分析，定義理想的開關(guān)函數(shù)Sa和Sb如下：

通過理想開關(guān)函數(shù)，可以將主電路等效為圖2的形式。

圖2　三電平脈沖整流器開關(guān)等效電路

每組橋臂可以等效為一個(gè)開關(guān)，開關(guān)具有1、0、－1三種模式，則兩組橋臂就有9種開關(guān)組合，對(duì)應(yīng)9種工作模式，ud為網(wǎng)側(cè)變流器兩個(gè)支撐電容電壓，這樣變流器輸入端脈寬調(diào)制電壓就有五個(gè)電平值：0、ud/2、－ud/2、ud、－ud五種電平，有效減少了變流器輸入端電流的諧波［4］。9種開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)的電壓值如表1所示。

表1　工作狀態(tài)及相應(yīng)電壓表

工作模式1：Sa=1，Sb=1，Ta1，Ta2，Tb1，Tb2導(dǎo)通；Ta3，Ta4，Tb3，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)電源電壓uao=u1，ubo=u1，uab=0，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓uN＞0，則網(wǎng)側(cè)電流iN增大，電容C1和C2通過負(fù)載放電。

工作模式2：Sa=1，Sb=0，Ta1，Ta2，Tb2，Tb3導(dǎo)通；Ta3，Ta4，Tb1，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=u1，ubo=0，uab=u1，當(dāng)正向電源電壓uN大于（或小于）直流側(cè)電壓ud的一半，則網(wǎng)側(cè)電流iN增大（或減?。W(wǎng)側(cè)電流iN對(duì)C1充電，而C2通過負(fù)載放電。

工作模式3：Sa=1，Sb=－1，Ta1，Ta2，Tb3，Tb4導(dǎo)通；Ta3，Ta4，Tb1，Tb2關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=u1，ubo=－u2，uab= u1＋u2，網(wǎng)側(cè)電流iN減小，且對(duì)C1和C2進(jìn)行充電。

工作模式4：Sa=0，Sb=1，Ta2，Ta3，Tb1，Tb2導(dǎo)通；Ta1，Ta4，Tb3，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=0，ubo=u1，uab=－u1，當(dāng)反向網(wǎng)側(cè)電壓uN大于（或小于）直流側(cè)電壓ud的一半，則網(wǎng)側(cè)電流iN減?。ɑ蛟龃螅?，反向網(wǎng)側(cè)電流iN對(duì)C1充電，而C2通過負(fù)載放電。

工作模式5：Sa=0，Sb=0，Ta2，Ta3，Tb2，Tb3導(dǎo)通；Ta1，Ta4，Tb1，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=0，ubo=0，uab=0，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電源電壓uN＞0，則網(wǎng)側(cè)電流iN減?。ɑ蛟龃螅蚓W(wǎng)側(cè)電流iN增大，C1和C2通過負(fù)載放電。

工作模式6：Sa=0，Sb=－1，Ta2，Ta3，Tb3，Tb4導(dǎo)通；Ta1，Ta4，Tb1，Tb2關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=0，ubo=－u2，uab=u2，當(dāng)正向網(wǎng)側(cè)電源電壓uN大于（或小于）直流側(cè)電壓ud的一半，則網(wǎng)側(cè)電流iN增大（或減?。?，電流iN對(duì)電容C2充電，而C1通過負(fù)載放電。

工作模式7：Sa=－1，Sb=1，Ta3，Ta4，Tb1，Tb2導(dǎo)通；Ta1，Ta2，Tb3，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=－u2，ubo=u1，uab=－u1－u2。反向網(wǎng)側(cè)電流iN減小，且對(duì)電容C1和C2進(jìn)行充電。

工作模式8：Sa=－1，Sb=0，Ta3，Ta4，Tb2，Tb3導(dǎo)通；Ta1，Ta2，Tb1，Tb4關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=－u2，ubo=0，uab=－u2。當(dāng)反向網(wǎng)側(cè)電壓uN大于（或小于）直流側(cè)電壓ud的一半，則網(wǎng)側(cè)電流iN增大（或減小），網(wǎng)側(cè)電流對(duì)C2進(jìn)行充電，而電容C1通過負(fù)載放電。

工作模式9：Sa=－1，Sb=－1，Ta3，Ta4，Tb3，Tb4導(dǎo)通；Ta1，Ta2，Tb1，Tb1關(guān)斷。網(wǎng)側(cè)端電壓uao=－u2，ubo=－u2，uab=0。當(dāng)網(wǎng)側(cè)端電壓uN＞0，則網(wǎng)側(cè)電流iN增大，電容C1和C2通過負(fù)載放電。

電路任一時(shí)刻只能工作于上述某一種模式，而在不同時(shí)刻，可工作于不同模式，以保證輸出電流的雙向流動(dòng)。

2.2 CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器

CRH5型動(dòng)車組以法國(guó)阿爾斯通為芬蘭國(guó)鐵提供的SM3動(dòng)車組為原型，由中國(guó)北車集團(tuán)長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司和法國(guó)阿爾斯通合作生產(chǎn)。

2.2.1 CRH2型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器主電路結(jié)構(gòu)

CRH5牽引變流器采用兩電平主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，牽引變流器內(nèi)共有兩組四象限脈沖整流器，每組由一個(gè)電流傳感器和一個(gè)整流器模塊組成，整流器模塊的IGBT（具有反相并聯(lián)二級(jí)管）采用雙管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，以提高功率器件的耐壓耐流等級(jí)，并通過合理設(shè)計(jì)直流側(cè)支撐電容值以取消二次諧波濾波電路。其網(wǎng)側(cè)變流器采用單相兩電平電壓型脈沖整流器，利用移相式PWM多重化技術(shù)將兩個(gè)四象限脈沖整流器并聯(lián)，以提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率，改善波形品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)輸出功率大、諧波含量小等特點(diǎn)，脈沖整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　 CRH5脈沖整流器主電路圖

2.2.2 CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器工作模式

對(duì)于相互并聯(lián)的兩個(gè)四象限脈沖整流器，工作原理基本相同，分析時(shí)取其一。將牽引變壓器進(jìn)行副邊等效所得的等效漏感作為整流器交流側(cè)入端電感，不計(jì)交流側(cè)電阻的作用，并只考慮基波分量而忽略PWM諧波分量，則整流器的電路模型如圖4所示。

圖4　整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5　整流器開關(guān)等效圖

用理想開關(guān)代替實(shí)際開關(guān)器件（IGBT），并把并聯(lián)的快速恢復(fù)二極管的作用融入到理想開關(guān)中，當(dāng)其中之一導(dǎo)通時(shí)，就可認(rèn)為該理想開關(guān)導(dǎo)通。分別用Sa和Sb來表示兩橋臂的理想開關(guān)，則等效電路如圖5所示。

由于上橋臂與下橋臂不允許出現(xiàn)直通，防止上下兩橋臂同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致開關(guān)器件短路燒壞，所以Tl與T2、T3與T4不能同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該互補(bǔ)。故用以下方式定義開關(guān)函數(shù)。

有效的開關(guān)組合有4種，即SaSb=00、01、10、11。

工作模式一：SaSb＝00或11。即下橋臂同時(shí)導(dǎo)通和上橋臂同時(shí)導(dǎo)通。此時(shí)uab=0，電容向負(fù)載側(cè)供電。加在LN上的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓uN，即uN向電感LN充放電，當(dāng)uN＞0，iN＞0時(shí)，D1與T3導(dǎo)通或D4與T2導(dǎo)通，電感LN充電，電流iN幅值增大；當(dāng)uN＞0，iN＜0時(shí)，D3與T1導(dǎo)通或D2與T4導(dǎo)通，電感向牽引繞組側(cè)充電，電流iN減少。

工作模式二：SaSb＝01，uab=－Ud，當(dāng)uN＞0，iN＞0時(shí)，T2與T3導(dǎo)通，電感LN充電，電流iN幅值增大，電感儲(chǔ)存能量；當(dāng)uN＞0，iN＜0時(shí)，D2與D3導(dǎo)通，電感LN向牽引繞組側(cè)和直流側(cè)電容充電，電流iN減少，電感釋放能量。

工作模式三：SaSb＝10，uab=Ud，當(dāng)uN＞0，iN＞0時(shí)，D1與D4導(dǎo)通，電感LN放電，直流側(cè)電容充電，電流iN減少，儲(chǔ)存在電感中的能量向負(fù)載和電容釋放；當(dāng)uN＞0，iN＜0時(shí)，T1與T4導(dǎo)通，電感LN充電，儲(chǔ)存能量，同時(shí)電流iN增加。

表2列出了整流器的12種開關(guān)狀態(tài)，每種開關(guān)狀態(tài)的能量關(guān)系互不相同。

表2　兩電平整流器的工作模式

3　 CRH2和CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器性能對(duì)比

CRH2的和CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器均為PWM整流器，功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)幾乎為1，輸入交流電流諧波小，輸出直流電壓穩(wěn)定，并且能夠在四象限運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸，不僅能實(shí)現(xiàn)整流，而且也可以將電能反饋給電網(wǎng)，能夠提高電能的利用率。

單相兩電平變流器與單相三電平變流器是目前高速動(dòng)車組使用的兩種變流器。兩電平變流器采用兩重化技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為通過多重化技術(shù)，提高了裝置容量，組成了大容量變換器；提高了等效開關(guān)頻率，降低了單個(gè)器件的工作頻率，減少了器件的開關(guān)損耗；不僅減少了交流輸入電流的諧波，同時(shí)也減小了直流輸出電壓的諧波，因此可相應(yīng)地減小平波電抗器；如果一臺(tái)變流器發(fā)生故障，可以將其隔離，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。其缺點(diǎn)主要是輸入交流電流諧波含量較大。對(duì)于三電平變流器，其優(yōu)點(diǎn)為功率器件所承受的關(guān)斷電壓應(yīng)力僅為直流側(cè)電壓的一半；在采用同樣的開關(guān)頻率與控制方式下，三電平變流器輸出電壓和輸入電流的諧波都遠(yuǎn)小于兩電平PWM變流器［5］；三電平PWM變流器輸入側(cè)的電流波形即使在開關(guān)頻率較低時(shí)，也能保證在一定程度上接近正弦。其缺點(diǎn)主要是主電路結(jié)構(gòu)與控制結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜，需要中點(diǎn)電位平衡法來抑制中點(diǎn)電壓偏移，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4　結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)側(cè)變流技術(shù)是“和諧”號(hào)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要介紹了CRH2和CRH5型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了單相電壓型兩電平脈沖整流器和單相電壓型三電平脈沖整流器的工作模式，最后對(duì)比闡述了兩種網(wǎng)側(cè)變流器的性能優(yōu)缺點(diǎn)。

總之，目前我國(guó)高速動(dòng)車組使用的兩種主要的網(wǎng)側(cè)變流器都各有其優(yōu)勢(shì)，要進(jìn)一步研制出具有我國(guó)自己特色的高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，還需要更多的科研人才根據(jù)我國(guó)電子器件制造技術(shù)、運(yùn)輸裝備制造技術(shù)及電力系統(tǒng)等基木國(guó)情進(jìn)行更深入的探討和研究，為我國(guó)高速列車牽引技術(shù)的發(fā)展奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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［5］李偉，張黎，馬志文，郭曉燕.三電平網(wǎng)側(cè)變流器預(yù)測(cè)電流控制及其與兩電平變流器比較［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，（6）：77－80.

Contrast analysis of grid－side converters of CRH2 and CRH5 trains

ZHANG Lei

（Tianjin Railway Vocational and Technical College，Tianjin 300240，China）

Abstract：The grid－side converter technology is one of the key technologies for the traction systems of the CRH trains.Taking the single－phase three－level and twofold two－level converter circuits adopted by the high－speed EMU train grid－side converters as the research object，the main circuit structures of CRH2 and CRH5 EMU train grid－side converters are presented.The working mode，the performance，the advantages and the disadvantages of the two kinds of the main circuits are analyzed and compared.It should be used in actual according to their specific situations and their specific characteristics.

Key words：CRH；grid－side current converter；main circuit；working mode

中圖分類號(hào)：U266.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）05—0011—05

作者簡(jiǎn)介：

張磊（1981－），女，漢族，碩士，天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。

收稿日期：2015－04－30