變頻器及其相關技術在軌道交通中的應用介紹北京交通大學電氣工程學院鄭瓊林教授張立偉博士后2008.01.121變頻器及其相關技術在軌道交通中的應用介紹北京交通大學電氣工程龐巴迪TRAXX機車---“藍箭”機車西門子Eurosprinter機車--HXD1機車阿爾斯通Prima機車---HXD2機車1重載及動力集中機車龐巴迪Regina---CRH1川琦重工E2-1000---CRH2西門子VelaroE---CRH3阿爾斯通SM3---CRH52電動車組3機車車輛電力電子裝置動向及應用2龐巴迪TRAXX機車---“藍箭”機車1重載及動力集1.1龐巴迪TRAXX機車---我國“藍箭”機車龐巴迪公司在德鐵BR185型機車的基礎上，開發了所TRAXX多流制機車平臺，其中的BR185.2型機車和SBBCargo的Re484型機車是首批TRAXX機車。表1TRAXX機車分類表瑞士——意大利跨境貨運的主力機車Re484(TRAXXF140MS)1重載及動力集中機車31.1龐巴迪TRAXX機車---我國“藍箭”機車44龐巴迪MITRACTC3000系列牽引變流器是為電力機車和內燃電傳動機車專門研制的，該系列牽引變流器可以滿足各類機車的重載和高速旅客列車牽引工況。MITRACTC3000系列牽引變流器覆蓋了各種牽引制式，可以滿足多流制系統以及各種驅動拓撲應用（如軸控、架控和車控應用），目前MITRACTC3000系列已經在德國BR185多流制電力機車、奧地利Re484多流制電力機車、西班牙AVE102高速電力機車（速度可達350km/h）得到了廣泛應用。MITRACTC3000系列牽引變流器主要包括以下三種子系列：MITRACTC3100---水冷/油冷4.5kVGTO變流器；MITRACTC3200---水冷4.5kVIPM變流器；MITRACTC3300---水冷6.5kVIGBT變流器；5龐巴迪MITRACTC3000系列牽引變MITRACTC3200-及其電路拓撲圖（應用場合為西班牙Talgo高速列車，25kV/50Hz，輸出功率2.25MW，該設備集成了300kVA的輔助變流器，設備總重2600kg（含設備蓋），外型尺寸為3m×1.94m×1.05mm）6MITRACTC3200-及其電路拓撲圖（應用場合為西班4.5kV/1.5kA功率等級IPM外型圖，其中①插入式接頭②柵極驅動和保護單元③集成式水冷散熱器連接器相模塊的三種不同結構，其中Ⅰ為中功率單相結構，Ⅱ為中功率兩相結構，Ⅲ為大功率單相結構74.5kV/1.5kA功率等級IPM外型圖，其中相模塊的1.2西門子Eurosprinter機車---我國HXD1機車上世紀90年代初，西門子公司在S252機車和LE5600機車可靠設計的基礎上，并且為適應歐洲鐵路運輸空前發展的需要，聯合KraussMaffei公司（克勞斯.馬菲公司）雙方的制造優勢，于1992年自主開發和制造了EuroSprinter原型車——127型001號多用途機車，該車最大功率6400kW。該樣車采用了模塊化結構，易于適應歐洲各主要國家鐵路的各種要求和條件。表2EuroSprinter機車分類表81.2西門子Eurosprinter機車---我國HXD1HXD1Vs189機車株洲電力機車有限公司HXD1機車189機車在交流網壓和DC3kV網壓下，機車功率可達到6400kW；在DC1.5kV網壓下可達到4200kW。第二代EuroSprinter機車—BR189，四流制DC1.5kV，DC3kV，AC25kV和AC15kVHXD1機車為8軸大功率機車，在AC25kV，50Hz網壓下，機車功率可達到9600kW，為我國大秦鐵路重載專用機車之一。9HXD1Vs189機車株洲電力機車有限公司HXD1BR189主牽引變流器電路拓撲結構圖HXD1主牽引變流器電路拓撲結構圖中間直流電路由中間電壓支撐電容、二次濾波LC諧振電路、硬短路保護電路和接地保護電路組成。二次濾波電路由二次濾波電抗器L和二次濾波電容器C組成諧振電路，諧振頻率為100Hz。諧振電抗器置于主變壓器中，諧振電容器置于主變流器柜中。10BR189主牽引變流器電路拓撲結構圖HXD1主牽引變流器電Eurosprinter機車通用設備布置圖11Eurosprinter機車通用設備布置圖11BR189主牽引變流器實物圖HXD1主牽引變流器電路實物圖12BR189主牽引變流器實物圖HXD1主牽引變流器電路實物圖BR1896500VIGBT模塊（SIBACBBSP-3000WL）190mmx140mm和130mmx140mm，水冷模塊。13BR1896500VIGBT模塊（SIBACBBPhaseModuleSP-1500WLAuxiliaryModuleST-1500WL-MP14PhaseModuleSP-1500WLAuxilia相模塊在機車中的位置IGBT相模塊正負母排連接IGBT相模塊水冷接線柱15相模塊在機車中的位置IGBT相模塊正負母排連接IGBT相模塊CrowBarModuleBBCBD-1500H16CrowBarModuleBBCBD-1500H16輔助電氣系統結構圖17輔助電氣系統結構圖17油、水冷卻系統18油、水冷卻系統181.3阿爾斯通Prima機車---我國HXD2機車表3Prima機車分類表阿爾斯通公司于2000年12月起開發成功Prima家族第一種機車。Prima是利用所謂“平臺”(Plattformen)概念設計開發的一個機車系族。這種系族機車采用了全新的設計原理。在這個機車系族中，既有電力機車，也有內燃機車。家族中各種機車的設計和制造，在盡可能高的程度上實現了標準化、系列化、通用化和模塊化，是世界上最先進的、成熟的交流傳動電力機車之一。在歐洲、中東等地區得以廣泛的應用。

191.3阿爾斯通Prima機車---我國HXD2機車表3大同電力機車有限公司HXD2機車HXD2機車為8軸大功率機車，在AC25kV，50Hz網壓下，機車功率可達到10000kW，為我國大秦鐵路重載專用機車之一。法國ALSTOMPrima37000貨運機車（三流制）BoBo

最大速度140km/h

車輪輸出功率4.2MW20大同電力機車有限公司HXD2機車HXD2機2121BB27000、HXD2主牽引變流器電路實物圖PRIMA機車一個轉向架用牽引變流器柜實物圖，牽引變流器柜包含了機車一個轉向架上的兩個傳動支路以及兩個冷卻系統。ONIX傳動系統則是其中1個傳動支路系統的組合名稱。為抑制2次諧波，每一傳動支路上有1臺2F濾波器連接在輸入變流器的輸出端上。每一水冷回路有1臺循環泵、1個強迫風冷空氣冷卻器和3個并聯的Palix模塊。22BB27000、HXD2主牽引變流器電路實物圖PRONIX系統的電路原理圖23ONIX系統的電路原理圖23ONIX系統由Palix模塊、濾波電容器、匯流母線及其控制和調節元件組成，其中Palix模塊是由固定在一起的幾個IGBT模塊集合而成的插入式模塊，冷卻方式為乙二醇液冷。在ONIX系統中，Palix模塊主要構成了：①三相輸出逆變器用Palix模塊（6個IGBT模塊）；②輸入四象限變流器一側用的Palix模塊（在2：2并聯布置中的4個IGBT模塊）；③輸入四象限變流器另一側用的Palix模塊（在2：2并聯布置的4個IGBT模塊）；④電阻制動用制動調節器（1個IGBT模塊，與1個二極管模塊相連接）。24ONIX系統由Palix模塊、濾波電容器、匯主變流器冷卻系統示意圖25主變流器冷卻系統示意圖25輔助電氣系統結構圖26輔助電氣系統結構圖261.4網絡化控制在機車上的應用HXD1基于TCN網絡和SIBAS的控制系統結構圖271.4網絡化控制在機車上的應用HXD1基于TCN網絡和SIHXD2WorldFIP網絡結構示意圖28HXD2WorldFIP網絡結構示意圖28龐巴迪Regina---青島BSPCRH1川琦重工E2-1000---青島四方廠CRH2西門子VelaroE---唐山機車廠CRH3（未下線）阿爾斯通SM3---長春客車廠CRH52電動車組29龐巴迪Regina---青島BSPCRH1適用于短途運輸，速度等級為200-220公里，動車組將主要用于城際間的短途運輸，配屬根據使用情況確定，可以在最低-40℃的環境下使用。CRH1動車組動力配置：2（2M+1T）+（1M+1T）車種，每一動車轉向架為兩動軸設計，可兩編組連掛運行。2.1CRH1電動車組30CRH1適用于短途運輸，速度等級為200-220公里，動車組動車底部吊掛帶受電弓拖車底部吊掛31動車底部吊掛帶受電弓拖車底部吊掛31

CRH2動車組是由兩個動力單元組成的4動4拖動力分散型電動車組，可兩編組連掛運行，每一動車轉向架為兩動軸設計；適用于短途與中長途運輸，速度等級為200公里。動車組主要置于北京、鄭州、濟南、上海、南昌鐵路局和廣鐵集團公司范圍內，CRH2不適合在東北高寒地區使用。2.2CRH2電動車組32CRH2動車組是由兩個動力單元組成的4動4拖動力分散型電動每輛車下有空調機組、制動控制裝置。在2、3、6和7號車下有牽引變流器，在2號和6號車下有牽引變壓器。在單號車下有污物箱及水箱。6號車設備示意圖33每輛車下有空調機組、制動控制裝置。在2、3、6和7號車下有牽CRH5適用于短途與中長途運輸，速度等級為200公里，最高可提升至250公里，是針對高寒地區所設計的，可以在最低-40℃的環境下使用，主要置于北京、沈陽和哈爾濱鐵路局范圍內，用于京哈線。CRH5動車組由8輛車組成，其中5輛動車3輛拖車，可兩編組連掛運行動力配置：2（2M+1T）+（1M+1T）車種，每一動車轉向架只包含一個動軸。2.3CRH5電動車組34CRH5適用于短途與中長途運輸，速度等級為200公里，最高可牽引變壓器牽引和輔助變流器牽引電機制動模塊空氣壓縮機水箱污物箱蓄電池箱充電機空氣彈簧輔助風缸CRH5車下懸吊設備35CRH5車下懸吊設備35動車車下設備布置圖拖車車下設備布置圖36動車車下設備布置圖拖車車下設備布置圖36高壓兩點式變流器設計主電路小型輕量化設計變流裝置大容量設計高頻變壓器-變流器設計內燃機車混合動力系統3機車車輛電力電子裝置動向及應用37高壓兩點式變流器設計3機車車輛電力電子裝置動向及應用3738381.8MWe—變壓器拓撲圖391.8MWe—變壓器拓撲圖39內燃機車混合動