文/张立伟 1 引言 机车车辆（动车组）是铁路的运输载体，是实现铁路高速、重载功能的关键。机车车辆（动车组）是包括电力电子技术、机械科学、材料科学、计算机技术、自动控制及航空等现代技术的集中体现。图1所示为现代交流传动电力机车的结构及主要电气设备示意图。经过不断的技术探索，目前由交直交（或直交）电压型变流装置和鼠笼式异步牵引电机所构成的交流传动系统，已成为特定的技术方案，以满足现代机车车辆的性能要求。
图1 现代交流传动电力机车结构示意图 2 牵引传动系统组成 交流机车牵引系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、三相交流牵引电机等组成（见图2）。
图2 交流机车牵引传动系统的构成 图2所示系统主要包括3个环节： 网侧四象限脉冲整流器实现功率调节； 电机侧逆变器实现频率变换； 异步牵引电机和机械传动部分实现机电能量转换。 机车牵引系统在控制上以机车车辆的特性要求为目标，完成变流装置的开关控制和交流电动机的闭环特性调节、系统的故障诊断和保护等功能，同时具备以下基本功能：机车车辆的逻辑控制、牵引制动特性控制、四象限脉冲整流器（或主发电机）控制、逆变器控制、牵引电动机闭环特性控制、粘着控制、重联控制、系统故障诊断及保护、智能显示等。 3 牵引变流器 牵引变流器作为列车的心脏，决定了列车的启动、制动和{zg}运行速度等性能，机车车辆（动车组）技术的发展，很集中的反映到牵引变流器的发展上。铁路和城市轨道车辆用igbt牵引变流器较其他工业用变流器具有更高的要求，具体表现在以下几个方面： （1）设计集约化、模块化，力求结构紧凑，小型轻量，维修方便。器件按开关组件或相构件形式做成半成品的模块，通过接插件方式联接，尽量不用螺钉、螺母，以方便装拆； （2）保证足够的电磁兼容性，包括抑制对外部的电磁发射、内部各子系统间和各部件间的相互干扰以及抗干扰能力。对于采用如igbt一类的高开关频率器件的变流器，还应注意因高的du／dt值通过零部件和线路的杂散电容引起的传导干扰，以及轴电压和轴承电流的破坏性作用； （3）需要在有限的空间发挥很大的牵引功率，要求更高的功率密度，同时要实现制动能量的回馈； （4）车载运行环境相对地面静止环境在温度、振动、冲击、灰尘等诸多方面更加严格； （5）牵引变流器负载的特殊性，其应用场合为电机类负载。 3.1 目前国外牵xx域中的主要牵引变流器 西门子、庞巴迪、阿尔斯通、三菱等拥有先进交流传动系统技术的国外公司，都拥有完整的牵引变流器产品研发平台。这些公司针对铁路和城市轨道交通应用领域，组织电力电子、电力传动、自动控制和微电子的专门人才进行联合开发，开展从硬件电路到系统控制等有关牵引变流系统的研发，开发出了高压大电流高功率密度的系列牵引变流器。目前在世界重载和高速牵xx域，主要有以下三种系列牵引变流器： （1）庞巴迪公司mitrac tc 3000系列牵引变流器； （2）西门子公司sibac系列牵引变流器； （3）阿尔斯通公司onix系列牵引变流器。 这些牵引变流器在我国引进/合作生产的机车上都有应用，以应用于hxd2机车（见图3）onix牵引变流器为例，图4所示为hxd2机车一个转向架用牵引变流器柜实物图。由于该型机车为轴控工作方式，因此牵引变流器柜包含了机车一个转向架上的2个传动支路以及冷却系统，onix是其中1个传动支路系统的组合名称。
图3 我国大秦线重载用hxd2机车
图4 hxd2机车主牵引变流器实物图 3.2 onix牵引变流器简介 onix系统由palix模块、滤波电容器、汇流母线及其控制和调节元件组成，其中palix模块是由固定在一起的几个igbt模块集合而成的插入式模块，冷却方式为乙二醇液冷。 在onix系统中，palix模块主要构成： （1）三相输出逆变器用palix模块（6个igbt模块，如图5所示）；
图5 逆变器palix模块实物图 （2）输入四象限变流器一侧用的palix模块（在2:2并联布置中的4个igbt模块）； （3）输入四象限变流器另一侧用的palix模块（在2:2并联布置的4个igbt模块）； （4）电阻制动用制动调节器（1个igbt模块，与1个二极管模块相连接）。 图4所示牵引变流器还包含了两个水冷回路，每一水冷回路有1台循环泵、1个强迫风冷空气冷却器和3个并联的palix模块。为抑制2次谐波，每一传动支路上有1台2f滤波器连接在输入变流器的输出端上。 4 igbt器件在牵引变流器上的应用 应用于轨道交通的牵引变流器大致经历了scr（晶闸管）整流器、gto逆变器、igbt（绝缘栅级双极型晶体管）变流器3个发展阶段。从1983年ge公司首先成功研制igbt器件以来，经过20多年的发展，已经发展到第五代产品，目前igbt已逐步成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流功率器件，并且6.5kv/600a的高压igbt器件已经实现商品化。 日本的700系高速列车是{dy}个采用igbt技术的高速列车，法国为tgv东部线研制的agv高速列车也将采用igbt变流器。用于牵引传动的igbt变流器单元，其生产工艺和技术含量都较通用型变流器高很多，世界上只有少数公司有生产制造此类型专用igbt模块的能力，附表为几种常用轨道交通牵引igbt模块的应用情况。 附表 几种常用轨道交通牵引igbt模块
图6是西门子公司所开发的igbt变流器单元，可以通过不同数量的igbt模块实现功率的增加。图7所示为该igbt模块的插接式母排结构。应用于机车主牵引逆变器的单个igbt模块功率等级达到600kw。该型模块还可以广泛用于主变流器及辅助变流器，在西门子公司eurosprinter机车平台上都有应用，包括引进到中国的以189型机车为原型的运行于大秦专线的hxd1干线牵引电力机车（见图8）。hxd1机车上总共用了32个上述功率单元，机车总功率为9600kw。
图6 sibac bb sp-1500wl 主牵引变流器用3.3kv igbt一相桥臂
图7 igbt变流单元模块插接式正负母排
图8 我国大秦线重载用hxd1机车 5 水冷系统在牵引变流器上的应用 随着变流装置功率等级、开关频率的不断提高，即电力电子器件的损耗和热流密度的不断提高，对器件的冷却要求也越来越高。强迫风冷散热器因结构简单、造价低廉，可用于中小功率的牵引变流装置；而水冷系统较为复杂，适合于大功率牵引变流装置的应用。 通常情况下，水冷却系统由水膨胀箱、水泵、水一空气热交换器、离子交换器、被冷却模块、管路等组成，为防止水中矿物质在管道中生成水垢，可采用去离子（钙离子、镁离子、钠离子）蒸馏水等。水膨胀箱内的冷却介质由水泵运往主变流器外的热交换器，经由热交换器冷却后流回主变流器，然后流入并联连接的四象限整流器及三相逆变器的各相构件模块，将功率器件发出的热量带走，接下来注入水膨胀箱，再由水膨胀箱泵运往热交换器，如此循环往复。图9所示为hxd2机车牵引变流器冷却系统示意图。
图9 hxd2机车牵引变流器冷却系统示意图 冷却回路所并联的离子交换器是用来保证冷却介质的绝缘强度，在循环过程中，部分冷却介质流经离子交换器去除离子。在一定的时间内，所有的冷却介质都经过了去离子处理。此外，冷却系统还装有温度、压力、水位、电导率等传感器和保护开关，以确保安全。 水冷却系统的缺点是系统较复杂，体积和质量较大，设备费用较高，维修也较困难。在机车上，当主变流器采用水冷却时，辅助变流器、供电整流器、空调电源甚至牵引电机均可采用水冷方式。当冷却系统共用时，冷却系统不会因为被冷却部件的增加而增加更多的体积和部件，充分体现水冷的优点。 6 计算机网络系统的应用 近年来，随着用户对控制网络的开放性、xxx等要求的提高，以及基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出，iec tcn列车通信网络、worldfip、lonworks、can、工业以太网以及无线网络等技术都在车载控制系统中得到了应用。 iec tcn网络是专门为铁路机车/动车的控制而开发的网络技术，网络系统包括两层总线结构：绞线式列车总线wtb和多功能车辆总线mvb，wtb与mvb之间通过网关(节点)进行协议转换。列车总线wtb主要用于车辆之间的重联通信，其{zd0}的特点是具有列车初运行和烧结（通信连接器触点去氧化）等功能，能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向，从而满足列车所需要的频繁编组等特殊要求；车辆总线mvb主要用于车辆内控制设备的互联。iec tcn 网络技术被采纳为列车通信网络国际标准iec61375-1，目前主要应用在互操作性和控制实时性要求高的国际联运高速机车/动车组、重载以及地铁列车等关键的轨道交通领域。我国也把iec61375-1国际标准等效采纳为铁路行业标准（列车通信网络标准tb／t3035～2002）之一，并在“中华之星”、“中原之星”动车组和ss3b型重联电力机车等项目上推广应用。 以hxd1型机车为例，该型机车采用sibas32控制系统和tcn列车通讯网络，如图10所示。主逆变器由牵引控制单元（tcu）控制，中央控制单元（ccu）负责对机车进行全面管理。所有电子控制装置、显示器等都通过mvb相连，两节车之间以及重联车之间的通讯则通过wtb实现。
图10 hxd1型机车控制系统结构 (1) 中央控制单元ccu 机车安装有2个ccu，分别工作为主、从模式，互为热备份，安装在司机室后墙柜的上方。ccu由tcn网关、mvb网关、处理器单元、电源适配器和电源模块等组成独立机箱，机箱下部安装有散热风扇。中央控制单元主要完成以下功能：实现列车的控制；控制受电弓、主断、牵引系统及电制动；管理列车通信网tcn，设置命令及给定值；集中诊断及故障事件；管理司机显示器，收集相关维护信息；实现主断自检、辅助电路自检及库内动车功能。 (2) 牵引控制单元tcu 每节车有2个tcu，每个tcu控制1个转向架的电力牵引及制动功能，tcu安装在主变流柜内部。正常情况下，tcu1作为主tcu，只有在tcu1发生故障的时候，tcu2才成为主tcu。ccu发出的牵引／制动等命令只送给主tcu，两个tcu的反馈信号都要送到ccu。机车发生故障的时候，可以根据故障情况切除一个转向架或一节车，降功率运行。 hxd1型机车的控制系统与国产机车有了很大的简化，取消了线路接触器，大部分中间继电器的功能也由分布式计算机系统实现。其故障操作除部分由故障开关进行操作外，大部分由分布式计算机系统自动识别并进行处理，大大简化了乘务员的操作。 7 结束语 为了满足轨道交通的市场要求，跟上世界牵引传动的发展潮流，需要我国自主研发高性能的牵引变流器，由于牵引变流器包括了机械、电子、电气、计算机技术、网络技术等多领域技术，因此也为我国变流器生产商提出机遇和挑战。 通过我国科研工作者多年不懈地努力，目前在牵引变流器制造、交流传动控制技术开发等领域，已经取得了一些可喜的成就。而变流器的冷却技术以及网络控制将是下一阶段的研究重点。 参考文献（略） 作者简介 来源：《变频器世界》2008年05期 |
