第三章　CRH1型动车组牵引传动系统及控制

第一节　概述

一、CRH1型动车组供电牵引系统概述

CRH1型动车组牵引系统工作原理如图3-1所示。牵引系统主要由受电弓、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机组成。受电弓通过电网接入25kV的高压交流电，输送给牵引变压器，降压成900V的交流电。降压后的交流电再输入牵引变流器，通过交—直—交变流技术，转换成电压和频率均可控制的三相交流电，供给牵引电机来牵引整个列车。

CRH1属于交—直—交传动的电力牵引列车。每个CRH1型动车组由3个基本动力单元（TBU）共8辆车组成，有三个相对独立的主牵引系统，正常情况下，三个牵引系统均工作，TBU之间通过WTB总线通信，而在每个TBU内部，通过车辆MVB和牵引MVB两级MVB总线通信。当一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障源，继续运行。

CRH1型动车组的牵引主回路主要由以下电器设备组成：受电弓、高压开关、主变压器、网侧变流器、电动机变流器及三相异步牵引电动机。主回路的能量转换过程受CRH1的以MITRAC通用计算机为核心的控制系统的控制，如图3-2所示。MITRAC计算机系统以摩托罗拉68000微处理器为基础，该系统的机械和电气设计适应温度范围均是-40℃～+70℃，并能承受强烈振动冲击的牵引环境。MITRAC的前身TRACS从1985年开始实际应用，随着电子产品（如微处理器、存储器等）的更新而不断换代。

整个动车组的控制和管理是一套分布式的计算机系统，称作TCMS（Train Control and Management System，列车控制与管理系统），具有高度的智能。TCMS接受司机的指令信息，经过转换与运算以后发给主回路系统实施能量转换过程，控制列车运行。TCMS还检测列车运行的实际状态信息，对该状态信息进行处理和判断，一方面帮助司机、乘务人员和维护人员了解列车的运行情况，另一方面对出现的异常情况进行报警和应急处理，可以说牵引主回路是列车运行的躯干，TCMS系统是列车运行的灵魂。

CRH1型动车组在动车下有牵引变流器，在拖车下有牵引变压器。牵引系统在动车与拖车底部悬挂的位置和其他悬挂装置如图3-3所示。

二、CRH1型动车组供电牵引系统的结构组成及布置

1.牵引系统的布置

CRH1型动车组各车的主要牵引装置如图3-4所示。该型动车组有1动1拖和2动1拖两种列车基本单元（TBU）。1个基本动力单元（1动1拖或2动1拖）的牵引传动系统主要由网侧高压系统、1个牵引变压器、1或2个牵引变流器、4或8台三相交流异步牵引电动机等组成。全车共计2个受电弓、3个牵引变压器、5个牵引变流器、20台牵引电动机，列车正常时升单弓运行，另一个受电弓备用。

2.牵引系统的总体介绍

CRH1型动车组采用交流传动技术。动车组由三个相互独立、各自完整的动力单元（TBU）组成，每个动力单元都有一套完整的牵引系统。动车组共有两个受电弓，互为备用。受电弓之间用高压电缆连接。

每个动力单元的牵引系统主要由主断路器、主变压器（MT）、网侧滤波器（FB）、网侧变流器（LCM）、直流环节（DC-LINK）、电机变流器（MCM）、牵引电机（TMO）等组成。

主变压器将接触网的25kV高压转换成适合于牵引和辅助供电的电压，并实现高压系统和牵引系统的电气隔离。主变压器的漏抗设计能够满足减少冲击电流、滤掉网侧变流器产生的谐波电流的作用，并提供网侧变流器（PWM脉冲整流器需要的电感）。主变压器采用循环油冷却，并可以通过TCMS对变压器的冷却系统进行监控。主变压器的次边滤波绕组接网侧谐波滤波器。网侧谐波滤波器（LHF）用于消除由线路噪声引起的谐振所产生的干扰电流。此外其他车顶高压设备主要都是为了保证主变压器可靠工作。

牵引变流器和牵引电机主要将主变压器输出的电能转换成轮周牵引力，电能转换形式为交—直—交。这一转化主要分以下几个步骤。

（1）网侧变流器将主变压器次边绕组的交流电压转换成稳定的直流环节电压（DC-LINK Votage），直流环节为电机变流器供电，将直流环节电压转换成VVVF牵引电机电源。一个动车单元上的两个全桥脉冲整流器构成一个网侧变流器单元，每个脉冲整流器的交流侧同主变压器的次边绕组连接，并在直流侧并联。网侧变流器对主变压器的次边绕组电压和接触网电压的相位角进行控制，使列车的功率因数接近于1。两个网侧变流器的IGBT能够进行移相控制，以减少接触网电流中谐波。

（2）直流环节的任务是稳定网侧变流器的输出电压，并用二次谐波滤波器减少接触网和网侧变流器电源脉动，以免引起牵引电机力矩的波动。电机侧变流器可以在网压失电时，通过实施较低水平的再生制动来保持直流环节的电压。这样可以使牵引电机保持励磁，提高牵引系统反应时间，同时保证辅助供电系统的持续供电。

（3）牵引变流器采用先进的IGBT（3300kV/1200kA）器件。在出现过电压、过电流、接地故障和过热时牵引系统自动保护。牵引控制器和IGBT的门极驱动电路（GDU）之间通过光纤进行传输，以使系统有较高的抗干扰能力。

牵引变流器采用空间矢量控制，在牵引电机的额定转速以上采用方波调制来提高输出功率，并调整逆变器的频率以避开信号系统的安全临界频率。牵引变流器采用500～1000Hz的开关频率，以降低输出电压中的谐波含量，从而使牵引电机的能量损失和转矩脉动降至最低。牵引电机弹性安装在转向架的构架上，变速箱为轴挂式，牵引电机通过联轴节与齿轮传动箱相连。牵引电机为强迫风冷式三相鼠笼式异步电机。一个电动机变流器给一个转向架上的两台牵引电动机并联供电，每辆动车4个牵引电动机的轴编号与电动机逆变器及在电动机控制器（DCU/M）对应的轴编号如图3-5所示。

3.牵引系统的各组成部分

牵引系统主要包括网侧高压系统、牵引变压器、牵引变流器和牵引电动机。

（1）网侧高压系统

网侧高压系统主要包括受电弓、主断路器、避雷器、电压互感器和电流互感器、接地开关等，如图3-6所示。

①受电弓：基本动力单元TBU1和TBU2各1个，全车共计2个，型号为DSA250。

②主断路器：主断路器为真空型，有较高的断路能力并有内部过流保护。主断路器开关采用压缩空气控制。

③避雷器：为氧化锌（ZnO）避雷器，无内部空气气隙，壳体由硅橡胶制成，为免维护型。

④高压电流互感器：安装在高压电缆组件上，用于测量接触网电流以进行监控及各种控制。

⑤高压电压互感器：安装在车顶上，壳体由树脂制成，对接触网电压和频率进行监控及各种控制。

⑥接地保护开关：一个基本动力单元1个，全车共计3个。与主断路器组合在一起，安装在车顶，为便于维修安全，接地开关装有联锁保护。

⑦网侧谐波滤波器：一个基本动力单元1个，全车共计3个。谐振电抗器设在牵引变压器内，用于减少一定频次的谐波含量，改善网侧谐波分布。

（2）牵引变压器（3EST105-716型）

牵引变压器一个基本动力单元1个，全车共计3个。采用心式结构，车体下吊挂，油循环强迫风冷。主变压器总电路如图3-7所示，其包括1个原边绕组（25kV，1600kV·A），4个牵引绕组（930V，4×400kV·A），1个谐波滤波器绕组（1000V）。主变压器把接触网高电压变为牵引系统和高压滤波器适用的电压，高压滤波器连接到滤波器绕组上，装有熔断器、滤波电阻和滤波电容，其作用是吸收瞬时高电压。在主变压器下面有一个接地变压器，为电力回流提供了一条电流通路，防止回流通过轮对轴承，使轴承发热。主变压器的控制包括油泵和冷却风扇控制，监控参数有冷却油温度、流量、压力、液位等。

（3）主变流器

主变流器一个基本动力单元1个，全车共计5个。采用车下吊挂，水冷却方式。主电路结构为电压型两电平式，由脉冲整流器、中间直流环节、逆变器构成，设有二次谐振滤波器。中间直流电压为1650V（随输出功率进行调整）。1个牵引变流器控制一个转向架上的2台并联的牵引电机，控制方法为矢量控制。采用3300V/1200A等级IGBT元器件，冷却介质采用去离子水。系统具有各类故障诊断与保护功能。外形尺寸（L×W×H）为2730mm×1980mm×450mm，质量1265kg。每个主变流器箱又包括1个网侧变流器、2个电机变流器和1个辅助变流器。

（4）牵引电动机（MJA220-8型）

牵引电动机一个动力车4个，全车共计20个。牵引电动机为交流三相鼠笼式异步电动机，采用架悬、强迫风冷方式，通过联轴节连接传动齿轮。电机额定功率为265kW，额定电压1287V，转差率0.012，质量596kg，效率94％。

CRH1型动车组供电牵引系统主要技术参数及性能见表3-1。