变流器等.docx
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变流器等
索引
1前言2
2.高压–中压-低压设备结构2
2.1集电及配电3
2.2牵引单元3
2.3低压电池供电4
2.4环境条件4
2.5部件表4
3基础设施的兼容性5
3.1等值干扰电流5
3.2轨道电路的兼容性5
3.3为中国的基础设施优化6
3.4架空接触线的谐波特征及相关的过电压6
4具备“列车级”功能的部件6
4.1线路电压监控设备（变压器TPM）6
4.2电压电涌保护器（FSC）6
4.325KV交流主断路器和接地开关（DJ）7
4.425kV线路电流监控设备（TAL）10
4.5能量计10
5具备“牵引单元”功能的部件11
5.1主电流监控设备（TAP）11
5.2主变压器（TT）11
5.2.1主要数据11
牵引变流器14
5.3.1冷却16
5.3.2牵引控制单元18
5.4制动变阻器18
5.5牵引电动机19
6牵引/制动性能20
6.1持续和半小时牵引性能20
6.2降低额定值时的牵引调节特征20
6.3使用不同磨损程度车轮时的性能21
6.4效率下面的数据仅与完全在额定功率操作下的数据相关，临时供参考：
21
7电分相区段21
1前言
本文详细介绍了牵引及辅助子系统的技术特征和性能，这些子系统是为在中国铁路上运行的250km/h8节编组列车而设计的。
牵引及辅助子系统是根据各四节车厢的牵引单元而采用的模块化设计。
该车组配备了两台牵引单元。
每台牵引单元由三辆动车（转向架布置为1A-A1，电机固定在车体底架上，并用万向接头传输至电机轴）和一台“带变压器的拖车”构成。
列车编组顺序如下:
∙第一节车和第二节车:
动车，属于第一台牵引单元；
∙第三节车:
带变压器的车，属于第一台牵引单元；
∙第四节车：
动车，属于第一台牵引单元；
∙第五节车:
动车，属于第二台牵引单元；
∙第六节车:
带变压器的车，属于第二台牵引单元；
∙第七节车和第八节车:
动车，属于第二台牵引单元；
附件7为设备的基本结构。
该设备可执行以下功能:
∙
∙电力牵引和再生制动可支持列车从最高时速减至0km/h的完全停车而无需机械制动，可使列车在反向坡道上保持匀速运行。
∙电阻制动在过电分相区段时可以完全代替再生制动。
∙牵引、三相中压电荷、电池和低压系统的供电。
2.高压–中压-低压设备结构
每台牵引单元配有三台由同一主变压器供电的牵引变流器。
每台牵引变流器可分别控制两台牵引电机（代表两台独立的牵引逆变器）。
设备结构基于一个两级能量转换以及牵引电路中（电气及冷凝）辅助变流器的集成。
交流电压采用高功率PWM四位交直流变流器转换为直流电压（以下称为“直流接口”）。
直流接口电压向两台牵引逆变器和一台辅助变流器同时供电。
以下章节将介绍附件7中的设备布置及符号。
该系统的设计完全符合TSI标准（互用性技术规范）
2.1集电及配电
列车组可在25kV50Hz架空接触网额定电压下运行。
考虑到的电压变量被规定出来，以便符合TSI有关互联三相网络的要求:
∙永恒电压:
1929KVRMS
∙短期:
17，5或31KVRMS
∙频率:
4951Hz
该设备根据以下标准中的定义，可以耐受短期及中期电涌：
EN50163，EN50124-1及EN50124-2。
∙功率系数:
符合TSI标准能量子系统，附录G（并参见pr EN 50388）。
第三节车或第六节车上采用一台受电弓（PNT25）实现25KVac集电。
和受电弓序连的主断路器（Dj）可向整列车组供电，也可防止列车出现短路及过流故障。
两台主变压器通过额外的断路器平行连接，开关可用于保护主涌入电流，并隔离可能出现的高压故障，从而保证在出现高压故障时降低50%的功率。
2.2牵引单元
各台牵引单元配有一个单独的牵引/辅助模块。
详细说明如下:
第一台变压器–安装在第三节车或第六节车上:
∙“整块”结构中的牵引变压器（TT）包括辅助设备、冷却器及节能器。
第二个牵引/辅助模块-安装在第一节车、第二节车和第四节上（或第五节、第七节和第八节车）包括:
∙第一台牵引变流器安装在车底架上，包括:
a）二台基于IGBT的交直流四象变流器，它带有独特的PWM控制器，两台变流器间有180°相位移，可控制一个直流接口电压以及线路电压和线路电流之间的相差（功率系数接近1）。
b）二台基于IGBT（INV-TRAZ1/INV-TRAZ2）的牵引逆变器，二级电压由直流电压供电，各可控制一台牵引电机（M1和M2）。
c）二台基于IGBT的制动斩波器（CHF1/CHF2），它可在制动过程中控制牵引电机中的能量，并在架空线上再生能量；在过电分相区段时由于再生制动短时停止工作，也可实施短暂的电阻制动。
d）一台基于IGBT的辅助变流器（INV-AUX），设有高频流电绝缘的“零电流和零电压整流”类型，可为牵引和支持负荷所用的380Vac三相线路供电。
e）一台牵引控制设备（TCU）（请参见附件中有关文件）
f）一块电子板可控制辅助变流器
g）一个接地开关（SMT）可确保维修作业的安全。
h）一群电阻器可用于1直流电容的放电（Rdc）
i）一个绝缘开关（SAZ）可在牵引/辅助模块驱动下实现绝缘
j）一台冷却设备可实现IGBT的冷却（通过水的强制循环）及辅助变流器的磁性部件（通过水的强制循环）。
∙二台牵引电机，六轴，自通风（M1及M2）
∙一台制动电阻（RF1/RF2）
2.3低压电池供电
额定电压:
24Vdc。
电压变量:
∙电子部件遵守EN50155
∙机电部件遵守IEC1376par.8.2
2.4环境条件
符合EN50125-1标准4.2至4.4部分,AX（1500mt）级,T3,GT1,GL1。
2.5部件表
牵引系统由以下部件构成：
∙变压器（TPM），用于监控线路电压（每列车组2台）。
∙主断路器（DJ），用于保护并激活高压电路（每列车组3台）。
∙25kV运行条件下的电涌放电器（FSC1）（每列车组4台）。
∙联锁系统中的25kV接地开关（SMT1），可保证维修作业的电气安全（每列车组2台）。
∙电流变压器（TAL），可监控25kVac线路电流并可实现列车过流保护（每列车组2台）。
∙电流变压器（TAP），可监控25kVac主电流并可保护变压器。
（每列车组2台）。
∙牵引变压器（TT），向牵引变流器供电（每列车组2台）。
∙主套件包括于IGBT的牵引及辅助变流器（CONVTRAZAUX）（每列车组6台）。
∙牵引电机（M1和M2）（每列车组12台）
∙制动电阻（RF1/RF2），该制动电阻器安装在车顶上，每辆动车一个；在分相区段中，电气制动不会停止，而是产生再生能量回馈给辅助变流器，并消耗在制动电阻器上。
采用自然通风设计允许电阻制动的时间最长为10秒。
在分相区段末端，再生制动重新启动。
如果过分相区段的时间超过10秒，电气制动将完全停止，空气制动将自动启用。
（每列车组6台）。
3基础设施的兼容性
3.1等值干扰电流
由于每一个牵引单元都配有大量的牵引变流器，每个牵引单元的等值干扰电流（ITU-T推荐值0.41）小于1.5A
3.2轨道电路的兼容性
本设备符合
S.N.C.F.doc.N.MTCE50121-3-11996年2月第1部分（MATERIELSAUTOMOTEURS）有关CDVUM71C型轨道电路的内容
详细频率见下图：
电流限制如下：
∙在f0时,∆f=8Hz:
≤500mA
∙f0附近,∆f=10Hz:
<200mA
∙f0两侧，带宽40Hz范围内:
<100mA
⇒
f0频率为:
1700Hz,
2000Hz,
2300Hz和
2600Hz.
备注：
表中所列的频率可看作网频的倍数（例如，1700Hz看作网频的34倍）。
如果网频漂移，“禁止”频率也相应漂移。
3.3为中国的基础设施优化
阿尔斯通公司确保之前的技术标准可满足要求，根据电气设备和不同线路相关的技术问题的专门知识，阿尔斯通公司希望利用这次长期的经验获得最有效的解决方案，在与本地技术部门合作过程中使设备满足本地技术设备的特殊需求。
并对可能出现的额外费用进行评估。
3.4架空接触线的谐波特征及相关的过电压
生成的谐波和架空接触线谐频的兼容性可成为TSI能量附件P中的具体研究课题。
为此，阿尔斯通公司应从本地有关部门获得线路的适当模型。
并对为适合本地特殊基础设施的特点所进行的改造而产生的额外费用进行评估。
4具备“列车级”功能的部件
根据本地供应商的使用,下列部件的性能可能有轻微的改变
4.1线路电压监控设备（变压器TPM）
该设备被置于3车和6车的车顶。
它可以读取架空线的电压值。
它是一种无源变压器，电压比相当于25000/7,5。
设备中产生的信号被传输给牵引控制器、TCMS和能量计。
该信号通过传感器接口机架进行改编。
此设备能耐受EN50163标准中规定的过电压。
4.2电压电涌放电器（FSC）
它被设于3车和7车的车顶。
该装置符合EN60099-4e，具有以下特征：
最大持续电压（UR）
31KVac
额定放电电流（8/20s波形）
10KA
最大放电电流（4/10s）/能量耐受能力
100KA/4,5kJ/kV
线路放电级别
2级
10KA（8/20s）下的阻尼电压
107KV
4.325KV交流主断路器和接地开关（DJ）
它是一个单极断路器，其作用是快速阻断来自架空线的过电压。
它为高压线路的操作提供了一种极高的安全性，因为一旦发生过电流或短路，它就可以非常迅速地断开电路。
以上功能通过插在受电弓和电流传感器（TAL）之间的两个断路器得以实现。
开关的主要元件是一个真空开关管（VST），该真空管由一个电磁制动器进行气动控制，通过弹簧产生的动作打开。
A:
到受电弓。
B:
到牵引变压器。
C:
接地，用于安全防护。
D:
接地断路器。
第3个断路器被插在第6节车顶的高压线上，以便实现两个牵引单元之间的绝缘。
位于车顶的高压电路配有一个用来确保电弧制动的真空开关管。
水密系统可以保护制动室不受外部空气条件的影响。
两个主触头位于开关管的内部；一个固定（静触头），另一个可移动（动触头）。
动触头通过一个确保主触头上接触压力的装置以及在闭合期间限制接点移动的系统进行动作。
绝缘
支持上一部分（高压电路）并固定在基架上（接地）的垂直放置的绝缘体可提供绝缘。
通过绝缘体，绝缘驱动杆将电动-气动装置连到可移动接点上。
靠向车顶的O形环密封可以保证BVAC断路器和车顶之间的密封性。
电动-气动装置
这一装置可操作可移动接点，并被置于车辆内部的底架下面。
A-闭合设备
该装置配有一个气动电路，在动触头快速闭合期间提供必要的动力。
该气动电路包括一个压力调节器，它可使气箱中保持一个空气压力常量。
压力开关用来监控断路器闭合所需的最小压力。
电磁阀可以控制压力气缸中的气流，将空气压力转换为机械力来启动装置。
正确的闭合速度通过一个与驱动系统的位移成比例的调节气流得以保证。
断路器的闭合位置通过一个保持线圈得以保证。
线圈得电时可允许加压的空气从压力气缸中逸出。
该系统允许断路器快速开断。
B-断开装置
当保持电流被切断时断路器打开（控制供电的中断）。
通过弹簧装置的重置和接点压力弹簧装置可确保快速切断。
通过这一系统，即使在电动或气动供应中断时，也可保证断路器的断开。
为减小切断装置的震动，通过动程末端排气装置的收缩可实现空气制动。
技术数据
额定绝缘电压（Ue）………………（Unm根据EN60077-1）9.5kV
额定电压（Un）………………………………………………………….25kV
额定脉冲耐受电压（Uimp）……………………………………....45/170kV
额定操作电流（Ie）………………………………………………...……1000A
额定频率……………………………………………………………..50/60Hz
额定短路断开能力……………………………………….............……..16kA
短路功率……………………………………………………….....…440MVA
断开时间………………………………………………………….…25~60ms
控制电路供应（d.c.）……………………………………………………..24V
控制电路的送气压力……………………………........…………4,5~10巴
工作温度…………………………………….......……………-25~+70°C
重量……………………………………………………………….…….Kg135
机械寿命………………………………………….......…….250000次操作
在0到600A下的电气寿命...…………………………….100,000次开断
在16kA,27,5kV,50Hz下的额定短路断开能力：
….........…..50次开断
接地设备
接地设备包括两部分：
安装在车顶上的上部以及安装在车厢内部的部分。
上部由两个安装在车轴上的刀形开关构成（用来断开电路）。
车厢内的部分包括一个允许通过车轴遥控刀形开关的装置（电动和控制）
技术数据
工作电压25kV
工作电流400A
重量29Kg
4.425kV线路电流监控设备（TAL）
它被置于3车、7车的车顶。
它用来控制25kV线路电流，以及在导致触发主断路器的短路或过电流出现时保护设备。
主要特征：
额定主电流
800Ar.m.s.
过载电流
960Ar.m.s.
短路电流
80KA-1sec.
精确等级
2
线性
+/-1%ofIn
重量
50kg
4.5能量计
该设备由以下装置组成：
∙2个能量计I/O设备（EM_IO）
∙1个能量计中央单元（EM_CU）
EM_IO通过电压传感器（TPM）和电流传感器（TAL）获得信号并进行处理，以便计算能量。
得出的数值被存储在EM_CU中，EM_CU通过串行线连接到两个EM_IO。
同时，EM_CU也通过MVB连接到TCMS。
在司机台显示屏上能显示能量总值.
该设备能够通过GPS系统获得列车的位置，并利用GSM系统通过集成式天线将信息传输给地面设备。
5具备“牵引单元”功能的部件
5.1主电流监控设备（TAP）
它位于3车和6车的底架内，与主电缆相连，用于主变压器的保护和诊断。
主要数据为：
额定主电流
400Ar.m.s.
过电流
480Ar.m.s.
短路电流
24KA-1sec.
精准等级
2
线性
+/-1%diIn
5.2主变压器（TT）
该单相变压器有6个次级线圈（每个牵引变流器有2个，每个牵引变流器具有2个单独的4象限变流器，向同一个直流连接供电）。
可通过绝热酯类油实现冷却。
可根据当地有关部门的需求协商所需油的类型。
设计时使用的是“整块”的解决方案，将所有辅助功能、冷却系统和膨胀油箱集成在一起。
本设计和构造符合EN60310和EN61673（按照机械耐用性的特殊要求）。
5.2.1主要数据
额定电流（基于19kV主电流计算）
额定电压
变压器EN60310额定功率
主电流
229.4A
25kV
5735kVA
二级电流
540A
1770
955.8kVA
⇒主要线圈
恒定电压
在19到29.5kVrms之间
短时电压（5分钟）
31kVrms
耐受电压测试
60kVrms
脉冲电压测试（1.2/50s）
150kV峰值
⇒短路电感HV/Lvi
Lccpi
4mH（-0%,+88%）
感应系数之间的差量
+/-2%
该值保持不变（即4mH（-0%,+88%）），频率范围在50Hz到16kHz之间。
⇒2个牵引线圈LVi和LVj之间的短路电感
Z%（LVi/LVj）=[Vccppi（%）+Vccpj（%）].[1-Cij]
而Cij=0to0.1
在这里，Vccppi是在P二级最大时HV/Lvi的短路电压。
⇒不同频率下的电感变化：
最大10%，范围：
0Hz到500Hz。
⇒损耗
负载损耗共计（参考铜线温度150°C）：
<=300kW
-涌入电流
依据欧洲工程所做的计算显示，即使在最坏的条件下，如电压为29kV且剩余电流只有90%时，低于150A的涌入电流还是可以实现的。
我们将改造变压器的设计，使其尽量符合中国本地基础设施的要求。
5.3
牵引变流器
该变流器是基于最新的6.5kV–600A_IGBTs技术（供应商Eupec,参见标准FZ65R33KF1），其直流连接电压=3600Vdc。
IGBTs被安置于4个水冷功率模块中，包括8个IGBTs和较高性能的门驱动电气单元。
以上所显示的是牵引逆变器和4象限变流器模块的电气示意图。
下图详细描述了模块两侧的机械布置，并带有快速连接器（电气和液压类型），其“即插即用”的理念是获得可维护性的最佳方法。
建议的解决方案是由阿尔斯通公司设计的，已经成为欧洲市场的标准。
在各主要高速铁路（法国、意大利、西班牙、瑞士和德国）的现存合同框架内，它将完全得到验证。
为了在技术先进性、产品标准性、验证过程和当地技术要求之间获得最佳平衡，阿尔斯通将针对中国本地的技术权威部门所提出的可能的特殊要求，对任何改造进行评估。
该变压器包括：
∙2个AC/DC变压器，4象限，与同一直流连接电容器并联，并由同一调节器控制。
∙2个单个牵引逆变器，电压源、2级类型，每个向一个牵引异步电动机供电。
∙2个制动斩波器，隔行设有相应的PWM。
∙所有牵引和电气制动功能的1个TCU，以及对属于本地“牵引驱动器”的不同设备的管理。
∙开关设备，用于断开牵引变流器和辅助变流器。
∙接地开关，用于维护时的安全操作。
∙与辅助变流器相关的元件在附录文件中有详细描述。
5.3.1冷却
冷却系统的作用是冷却牵引/辅助变流器内的功率电子模块。
功率半导体安装在水盘上。
热从部件传到该盘上，然后从该盘传至水中，最后从水传到空气中。
冷却系统以60/40比例的水/乙二醇工作。
以下所列的是冷却系统主要部件需要达到的性能：
•热交换
•电机泵
•电机风扇
（2）
•伸缩箱
有关的附属物包括：
配管、总管、快速连接装置、安全阀、配件、排水系统、补水系统、温度感应器、压力感应器以及电连接器。
为便于维修，牵引功率模块采用快速连接液压连接器、电连接器，具有可接入性。
伸缩水箱配有一面透明玻璃窗，可查看液位。
另外，为使伸缩箱内气压达到大气压，顶部应安装阀门。
冷却系统的控制是基于温度及压力传感器。
电机风扇和电机泵的控制是通过“ON/OFF”开关。
为减小噪声，电机风扇速度（2/4极）可进行调节。
由于一台风扇是水平出风，另一台是垂直出风的，因此空气循环是非对称的。
通过这种方法，前一台风扇可冷却牵引/辅助箱内的磁部件。
5.3.2牵引控制单元
电气机架的技术数据在附件19中有详细说明。
5.4制动变阻器
制动变阻器的工作方式是在过电分相区段，牵引电机在电制动阶段所产生的能量转换为热量。
它们被连接到牵引装置的制动斩波器。
变阻器的联轴节被安装在动车的车顶，包括2个变阻器。
每个模块带有其自身的框架和支持绝缘体。
由侧面进气口提供气流，充分利用列车的移动就可以冷却变阻器模块。
技术数据
∙20°C下每个单独模块的电阻值1.85+5/-7%
∙持续额定功率20kW
∙抗短路能力2600V应用于100m/sec
∙工作温度范围-45°C/+40°C
∙单个变阻器的重量<65kg
制动电阻器实际上是在电制动过程中，消耗牵引电机产生的部分能量的部件。
它安装在车顶，并通过自然通风冷却。
5.5牵引电动机
该3相异步牵引电动机见附件19
6牵引/制动性能
6.1持续和半小时牵引性能
由于使用的是自动通风式牵引电机,设备在低速范围内连续和半小时牵引性能受到限制.为了准确评估在斜坡和降级模式下的使用条件,连续和半小时牵引性能见附件19-牵引电机.
6.2降低额定值时的牵引调节特征
当架空线电压在上述电压范围之外时，轮缘处的总牵引功率按照以下曲线减小
在任何状态下，启动功率是一个常数。
辅助变流器的功率不会根据架空线电压而减小；
当电压在17.5kV和29kV之间,在电气制动期间，制动效果与额定性能是相同的。
当接触网电压高于29kV时,再生电制动将被切断,代之以机械制动.
详细说明即：
牵引单元可以向每一个动轴提供以下的功率值，而该功率值则是架空线电压变化的作用：
∙当电压在22.5-29kVac范围内时，恒定功率为550kW，可达250km/h的时度。
6.3使用不同磨损程度车轮时的性能
由于每台电动机是由自身的逆变器来驱动的，因此没有必要对不同磨损程度的车轮进行补偿。
6.4效率
下面的数据仅与完全在额定功率操作下的数据相关，临时供参考：
机械效率
0.975
牵引电动机效率
0.935
牵引变流器效率
0.97
牵引变压器效率
0.94
总效率
0.831
请注意:
以上计算不包括辅助变流器。
7电分相区段
本系统可以自动管理列车通过电分相区段的整个过程，通过从基础设施获取一个数字信号（从车载信号系统或单点应答器），或者通过驾驶员的指令。
为了在开启DJ前给它自身的辅助变流器加电，每一个变流器可能会启动一个小的电气制动次序。
由于所有的辅助变流器都可以持续工作，因此也就没有必要降低MV负荷，同时减少电池的使用。
一旦列车越过电分相区段，DJ将可通过驾驶员指令或通过从信号系统获取一个数字信号被重新自动关闭。
牵引可以在无驾驶员指令时被自动重置。
所有的辅助变流器可以通过变压器被重新加电，而不会中断其功能。
该功能必须符合列车上现有的基础设备的要求，在列车上必须设计并配有相关接口（应对额外产生的成本进行评估）。
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