日法德中代表性高速列车主电路结构特点分析Word下载.docx
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日本新干线投入商业运营40多年，以其高速、安全、准时、污染小而著称于世，被誉为“日本经济的脊梁”。
表3显示了1997年以来投入运营的各系列高速列车的基本情况。
表3.日本高速列车基本情况
型号
运营年份
最高时速（km/h）
总功率
动拖比
500系
1997
300
18240
16M
E2系
275
6600
6M2T
E3系
4800
4M1T
E4系
240
6720
4M4T
700系
1999
270
13200
12M4T
日本由于降水量多且地基松软，为减轻高速列车压力对线路的冲击而不得不采用动力分散的方式，这种小功率、多动轴的方案确保了轮轨间的粘着利用良好。
2.2法国TGV
TGV是法文“高速列车”的缩写。
TGV高速列车首次采用了铰接式转向架，即在两节相邻的车辆之间设置一台共用的两轴转向架。
1990年5月，TGV-A高速列车曾以两动三拖的编组，创造了515.3km/h的世界记录。
表1显示了各代TGV列车的基本情况
表1.TGV系列高速列车基本情况
TGV家族
制造年份
总功率（kW）
TGVAtlantique
（大西洋号）
1989
8800
1M10T1M
TGVReseau
1992
1M8T1M
TGVEurostar（欧洲之星）
12200
1M18T1M
TGV-PBA（国际高速列车）
320
TGVThalys
TGVDuplex
1996
除TGV外，AGV是ALSTOM公司与法国国营铁路开发的第一列动力分散铰接式高速列车。
不同于过去的TGV，AGV系统采用了动力分散的方式进行牵引，即俗称的动车组。
与TGV系统相比，AGV的时速可以到达350km/h，而TGV仅能达到320km/h。
2.3德国ICE（InterCityExpress）
德国由于人口稠密且分布均匀和工业发达，较早地建立起了完整的铁路网。
德国发展高速铁路的方式区别于日法，采用了改造旧线同时少量修建新线的做法，致使其发展速度一度滞后于日法。
ICE系列是德国最具代表性的高速列车，表2列出了ICE系列高速列车的基本情况。
表2.ICE系列高速列车基本情况
ICE家族
ICE1
1991
280
9600
1M12T1M
ICE2
1M6T1M
ICE3
2000
330
8000
与之前的车辆不同的是，ICE3采用了动力分散而没有采用动力集中。
实际上，早在ICE3的设计阶段，专家们就对这两种动力配置方案进行了讨论。
通过对两种方案在单流制方式及多流制下运行的技术参数进行观察，结果发现分散动力设计具有如下优越性：
定员数更多；
重量分布更均匀，单座席重量更轻，牵引性能更优良，车轮对轨道的冲击力更小，动轮制动力更均匀等。
2.4中国CRH
CRH，中国高速铁路，英文全称CHINARAILWAYHIGH-SPEED。
目前已知有CRH1，CRH2，CRH3，CRH5。
CRH1是由庞巴迪-四方-鲍尔（BSP）生产，原型是庞巴迪为瑞典AB提供的Regina。
200公里级别营运速度200KM/h，最高速度250KM/h；
CRH2由南车四方联合日本川崎重工生产，原型是日本新干线的E2-1000型电动车组。
属于200公里级别营运速度200KM/h，最高速度250KM/h,新车CRH2C作为京津城铁的专用车将在2008年8月投入使用.
CRH3由河北北车唐山机车厂联合西门子生产，原型ICE3。
营运速度330KM/h，最高速度380KM/h。
CRH5北车长春客车厂联合阿尔斯通生产，其原型是阿尔斯通为芬兰国铁提供的SM3型。
营运速度200KM/h，最高速度250KM/h。
其中CRH2和CRH5具备提速至300KM/H的条件。
3交直交牵引变流主电路结构
电力牵引用变流器的基本功能是把来自接触网的电压变换为可调频率和可调幅值的电压或电流，供给牵引电机。
对于由交流接触网供电的机车，绝大多数都是采用电压型的交－直－交变流器。
对于多流制电力机车或电动车组，在进入由直流接触网供电的区段时，变流器的电路将转换为直－交变流器。
我国的交一直一交主电路基本上是认可并采用电压型变流器供电的笼型异步电动机系统。
该系统的基本结构为：
网侧四象限脉冲整流器+中间直流环节+脉宽调制（PWM）电压源逆变器+笼型异步电动机。
对于电压型变流器供电的笼型异步电动机系统，目前根据网侧四象限脉冲整流器、中间直流环节、脉宽调制（PWM）电压源逆变器等各环节的灵活配置和接线方式不同而演化出多种不同结构的主电路形式。
如根据变流器联接方式不同，目前就有3点式与2点式之分。
典型交一直一交主电路结构如图1所示。
图1.典型交－直－交主电路结构图
其中，图（a）（b）（c）所示结构适合牵引功率较小的机车变流器，而（e）（g）（h）适合牵引功率较大的机车变流器。
（d）则适合中间直流电压较高的牵引变流器。
同时，图（a）（b）（e）和（f）可以用于轴控或者架控的方式，而（c）
（d）（g）三种电路结构则仅适用于架控的方式。
对于（h）图所示电路，则可以同时采用架控和轴控的方式，控制方法更灵活，但对控制要求也相应提高。
4四国高速列车主电路结构分析
4.1日本高速列车主电路结构特点
图2~图5给出了从300系到E2系机车变流器的主电路原理图。
图2.300系主电路原理图
图3.500系主电路原理图
图4.700系主电路原理图
图5.E2系主电路原理图
其中，图2所示300系主电路具有如下特点：
（1）使用大功率GTO元件，各桥臂元件构成一串一并，简化了电路；
（2）整流电路和逆变电路由相同模块构成，部件统一，可互换；
（3）吸收电路采用较为成熟的RCD方式；
（4）中间直流回路电压1900V，为使GTO的关断能力稳定，一部分电容作为相电容分散布置在GTO桥臂旁；
（5）主变压器与整流电路间设有交流接触器和充电电阻；
（6）门极电路采用光纤传输方式，提高抗干扰性。
700系列车主电路则用IPM（智能功率模块，把功率开关器件、驱动电路和故障检测电路集成在一起，一般使用IGBT作为功率开关元件）代替了GTO，变流频率从300系的420Hz升至1500Hz。
同时主变流装置采用了三点式电路，使输入输出波形与GTO相比更接近正弦波，从而抑制了高次谐波，降低了主变压器的噪声。
电机控制采用1台逆变器控制4台电机的方式，适用于小功率多动轴动力分散系统。
与700系相同，E2系的变流装置也由IPM模块代替了GTO。
变流器中间回路直流电压为2600V。
表3给出了各型号列车的比较结果。
表3.日本各型列车主电路比较
受电弓数
多重化变流器
1台逆变器控制电机台数
电路接线方式
开关器件
1
2
4
二点式
GTO
500
700
三点式
IGBT
E2
IGBT/GTO
由图2至图5可以看出，日本的机车主要采用单弓受流的方式，每台逆变器控制4台电机；
牵引电机都采用三相交流异步电机。
所不同的是，依据牵引功率的大小、变流元件的耐压程度以及对电网侧和直流侧谐波抑制的要求，300系和E2系都采用二重化四象限整流器，而500系和700系则是每台四象限整流器独立为一台逆变器供电。
4.2法国高速列车主电路结构特点
图6所示为法国AGV系列高速列车主电路原理图。
图6.AGV动车组主电路原理图
AGV的牵引电机为异步电机（每台重750kg），采用IGBT变流装置。
输出功率7.2MW（320km／h）或7.6MW（350km／h）。
由于AGV需要运行在AC25kV/15kV和DC3kV多流制状态下，因而AGV采用两台受电弓分别适合于交流和直流接触网。
此外，AGV系列还同时使用了一重、二重四象限整流器，采用轴控的方式驱动牵引电机，这样不仅可以实现对每根车轴输出转矩的单独控制，有利于消除由于车轮摩擦引起的转矩不平衡现象，而且可以增大每根车轴的输出功率，提高单轴输出的牵引力。
AGV系列列车仍然采用了二点式电路结构，利用了其结构简单，使用元器件少，变流器重量较轻等优点。
4.3德国高速列车主电路结构特点
ICE3是为适应欧洲高速铁路网的发展，以及德国境内新建高速铁路对ICE高速列车的新要求而开发的动力分散形式的高速列车。
其主电路原理图如图7所示。
图7.ICE3主电路原理图
ICE3分为单流制和多流制两种：
单流制适用于15kV162/3Hz；
多流制适用于AC15kV、162/3Hz、AC20kV50Hz和DC3kV/1.5kV。
由于涉及到运行在不同区段的工况转换，其电路结构因而较为复杂。
为了满足多电流制方案，牵引变流器在直流电网上运行时，四象限控制器重新编组，作为升压斩波器或降压斩波器使用；
而脉冲逆变器工作任务不变。
每一辆变流器车辆中，四象限电路的网侧变流器分为2组，共用1个电机侧的脉冲逆变器进行工作，它向车辆的4台牵引电动机供电。
即列车上总共产生4组独立的驱动单元。
ICE3采用鼠笼式异步电机，中间直流电压2600V。
ICE3系列主电路采用GTO元件和VVVF控制方式，动力车在保持中间直流电压为2600V前提下，通过增加逆变器的启动开关频率至300Hz，改进牵引电机的设计，取消了电机前级电抗器。
主变流器的冷却方式采用先进的水冷却模块。
其冷却效果好，且水的处理简单，较经济，是变流器冷却方式的发展方向。
4.4中国高速列车主电路结构特点
到目前为止，我国虽然已经开展了高速铁路的研究，并在既有线上进行了提速，但对于真正的高速铁路技术，还没有全面掌握。
由于CRH系列都是在引进国外技术的前提下制造完成的，虽然在关键部位对原有车型进行了适应中国铁路运行现有条件的改进，但它们仍然带有国外变流器技术的影子。
图8到图11显示了CRH系列动车组的主电路原理图。
图8.CRH1主电路1M1T部分原理图
图9.CRH2牵引主电路图
图10.
CRH5交－直部分主电路图
图11.
CRH5主电路结构示意图
CRH1在正常运行情况下单弓受流；
采用二重四象限整流器减小IGBT承受的最大电压并减少引入电网的谐波；
CRH1采用常用的两电平整流逆变电路，并采用架控方式控制三相异步交流电机提供驱动转矩。
接触网电压25kV，工频50Hz。
变流元件采用IGBT，直流侧电压稳定在1650V。
CRH2主变压器二次侧AC1500V、50Hz。
脉冲整流器采用单相3点式PWM变频器结构，开关元件为IGBT。
输出直流电压2600V～3000V。
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，将电能回馈给电网。
感应电机采用矢量控制方式，独立控制电机扭矩电流和励磁电流，提高了电流的控制性能。
CRH5的每个主变压器带六组副边，分别为六组四象限变流器供电（并联二重化），每辆动车上由两组并联；
之后接两组牵引逆变器，各自带一台电机。
受流方式为单弓受流。
采用三点式IPM四象限变流机组给三相异步牵引电机供电。
此外，作者刻意找到了由我国自行研制但未能投入实际运行的高速动车组列车先锋号的主电路图，如图12所示。
由图可见，先锋号采用单弓受流方式，四象限整流器二重化；
每台逆变器同样控制4台电机，采用常用的二点式电路驱动三相交流异步电机。
图12.先锋号主电路图
4.5综合比较结果
综合分析上述结果，不难得出日法德中四国高速列车牵引主变流器电路结构的差异，从而找到造成亚欧高速列车彼此不同的原因。
首先是受流方式的不同。
日本以单弓受流为主，而欧洲列车则以双弓或多弓受流为主。
作者认为，造成这一情况的主要原因在于，在法德等欧洲国家，由于各国铁路采用多种电流制，甚至在一个国家中也存在不同的供电网，当列车在本国不同电制区段或在不同国家之间运营时，就不得不研制多流制机车。
而解决这一问题的方法就是采用两台甚至多台受电弓，分别适合于不同电压频率的交流接触网和直流接触网。
相比之下，日本主要采用电压25kV，频率60Hz的接触网供电，单弓受流已能满足需要。
其次是在动力配置方面，日本高速列车全部采用动力分散式配置，而法国TGV等高速列车仍然使用动力集中的方式。
究其原因，正如前文所述，日本是岛国，降水量多导致地基松软，故采用动力分散的方式可以减轻对地基的压力，同时减小单轴输出功率。
而欧洲采用动力分散的方式更多地是考虑了其相对于动力集中方式的优越性。
第三是在转向架控制方面。
欧洲列车多采用轴控或者架控的方式，而日本则全部采用一台逆变器控制4台牵引电机的方式。
前者单轴输出功率大，单轴转矩控制容易；
后者则以小功率、多动轴降低了对轮轨粘着系数的要求。
5结论
高速列车牵引变流器为了实现其电能变换的功能，同时与现有交流接触网和电机调速变压变频的要求相适应，其主电路基本都采用交-直-交变流模式。
然而由于实际运行情况的具体要求不同，这种交-直-交电路又演变出了多种不同的电路结构和控制方式。
各国列车主变电路究竟采用哪种结构，需要根据具体的要求灵活选配。
我国生产的各种型号的机车主电路形式便能充分体现这一点。
现在我国交一直一交电力机车技术正处于逐步成熟阶段，而国际上随着电力电子技术的进一步发展，新的交一直一交主电路的结构也在不断的演变，如何从各主电路结构中取长补短并有所创新，还需要进行更深入的探讨。
希望本文的观点和一些经验总结能给读者提供借鉴。
参考文献
[1]
铁道部，铁科院.国外铁路机车及动车组揽胜，北方交通大学出版社，2003年10月第一版.
[2]
黄济荣.电力牵引交流传动与控制.机械工业出版社，1999年5月第一版.
[3]
王书林，赵茜.电力牵引控制系统.中国电力出版社，2005年1月第一版.
[4]
张莹，张琳.交直交电力机车主电路结构选择.电力机车与城轨车辆，第27卷第4斯，2004.7.20.
[5]
郑琼林等.国内外牵引机车参数调研报告.北京交通大学，2007年8月.
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