牽引變流器技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析

　　1 引言

　　多年來我對機(jī)車上的牽引變頻器稱為變流器總有些茫然，我們通常稱交流變直流或直流變交流的設(shè)備為變流器。機(jī)車變流器分明是將50hz交流，變?yōu)?～50hz變化頻率的交流，應(yīng)屬變頻器，為何稱變流器？冥冥之中似有些怨忿，又有所期待。

　　圖1所示的和諧5型動車組牽引變流器結(jié)構(gòu)組成圖，其機(jī)車的外形圖如圖2所示。

　　我國高鐵呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。剛剛通過486.1km/h運營線路速的世界紀(jì)錄，今年又將打破法國阿爾斯通570km/h的試驗線路速度世界紀(jì)錄，共有600多份國際合作合同正在洽談中。我們心曠神怡！我們意氣風(fēng)發(fā)！

　　沒有隱憂了么？遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是。國際上稱我們的高鐵是“山寨版”；牽引變流器仍然由西門子、阿爾斯通、龐巴迪、川琦壟斷；一列動車組兩億人民幣，變流器就超過了一個億；機(jī)車過分相困擾依舊；電氣化鐵路仍是公共電網(wǎng)的頭號“壞孩子”。怎樣去掉隱憂？怎樣笑得更舒心？

圖1 和諧5型動車組牽引變流器結(jié)構(gòu)組成圖

　　2 需要解決高鐵面臨的問題

　　小打小鬧已無法適應(yīng)高鐵no.1的情懷，徹底解決高鐵面臨的問題要鋪開多長的戰(zhàn)線呢？又有多少問題需要我們解決呢？

　　(1)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，要不同于現(xiàn)有的技術(shù)路線；

　　(2)解決機(jī)車過分相難題，實現(xiàn)貫通供電；

　　(3)不干擾公共電網(wǎng)，無功、負(fù)序、諧波、負(fù)荷率全面滿足電網(wǎng)期望；

　　(4)系統(tǒng)成本和變流器成本要低于現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)成本。

　　現(xiàn)有高鐵供電方式是：每30km左右設(shè)一牽引變電所，三相進(jìn)線，單相出線。每個變電所換一次相，即30km有一個換相點。換相點用一段絕緣體連接2個相電壓，機(jī)車通過時稱為過分相。此時機(jī)車要進(jìn)行復(fù)雜的換相作業(yè)，機(jī)車失去供電，還要用回饋制動提供輔助設(shè)備供電。到達(dá)另一相時車速降低很多，并且要忍受一次過流沖擊，操作不當(dāng)時產(chǎn)生拉弧燒蝕現(xiàn)象。由于動車速度極快，幾分鐘就過一次分相，動車司機(jī)面臨很大精神壓力。由于無法貫通供電，每個變電所獨自負(fù)擔(dān)區(qū)間內(nèi)的全部機(jī)車負(fù)荷，高峰時達(dá)四列機(jī)車，許多時間又空無一車。按照規(guī)范規(guī)定須按高峰配置容量，平均負(fù)荷率不足10%，負(fù)荷率太低是造成牽引供電系統(tǒng)高成本、高損耗、高排放物質(zhì)的主要原因。電網(wǎng)側(cè)的困難是：因單相取電，造成負(fù)序電流極大，嚴(yán)重影響電網(wǎng)質(zhì)量。以及功率因數(shù)低、諧波高，高鐵成為電網(wǎng)中最為嚴(yán)重的有害負(fù)荷。

圖2 第二牽引動力系統(tǒng)電路示意圖

　　3 工藝說明

　　以和諧5原型為基礎(chǔ)，說明高鐵動車現(xiàn)狀。

　　和諧5共有兩組相同的、可相互支援的牽引動力系統(tǒng)。圖2所示為第二牽引動力系統(tǒng)電路示意圖。

　　由圖2可見受電弓pnt2接牽引變壓器(紅色)，后經(jīng)接地輪接鋼軌。變壓器副邊經(jīng)高壓開關(guān)（黃色）帶2～3臺變流器（綠色）、圖3是由圖4重繪，略去制動電阻而得到的變流器框圖。

4 “直流/多交流變換器”

　　我們多年的高壓直流變換研究，應(yīng)用于機(jī)車牽引成為現(xiàn)實。新結(jié)構(gòu)采用“做減法”的方案，減去牽引變壓器、四象限整流模塊、支撐電容器模塊和附加電容器模塊；將圖4中的各輔助變流器的斬波器（紅色）、脈沖變壓器（淡紅色）、高頻整流器（紅黑色）移出，放至原牽引變壓器位置。

　　如圖5所示，各斬波器輸入串聯(lián)，斬波器輸出接脈沖變壓器多原邊系統(tǒng)。多原邊各匝數(shù)相等，因為同一磁路形成串聯(lián)穩(wěn)壓電路。將牽引逆變器連接到穩(wěn)定節(jié)點上，穩(wěn)定了各牽引逆變器的輸入電壓。脈沖變壓器副邊整流為各輔助逆變器供電。牽引電機(jī)定子對地電壓高于15kv。

5 技術(shù)特點

　　“直流/多交流變換器”（用于電力機(jī)車及軋鋼機(jī)）由直流串聯(lián)穩(wěn)壓電路、數(shù)個逆變器組成。直流串聯(lián)穩(wěn)壓電路提供均壓電位，并提供輔助設(shè)備電源，每段電位安置一臺逆變器，拖動一臺電機(jī)。另外可通過調(diào)節(jié)某臺逆變器頻率或輸出電壓改變電流幫助保持均壓；亦可調(diào)節(jié)某臺逆變器橋臂短暫貫通強(qiáng)制保持均壓。雖然無四象限整流器卻能更好地實現(xiàn)回饋制動，在直流貫通的條件下真正實現(xiàn)將能量利用。

圖3 動力系統(tǒng)電路框圖

圖4 輔助功率模塊電路原理圖

圖5 “直流/多交流變換器”

　　6 技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析

　　(1)平臺變化很小，便于改造已有車輛。電機(jī)和牽引逆變模塊對地耐壓升高增加少許成本，低于變流器成本1%；

　　(2)因減少牽引變壓器、四象限整流模塊、支撐電容和濾波電容預(yù)計降低變流器成本50%。（逆變模塊與四象限整流模塊高度相似；全車降低了60%的散熱功率）；

　　(3)取消過分相；

　　(4)克服負(fù)序、無功、諧波、供電設(shè)備利用率低等牽引變電所痼疾，節(jié)省大量設(shè)備投資；

　　(5)直流貫通供電提高機(jī)車運行效率，回饋制動變得有意義；

　　(6)可不必規(guī)劃電力專線，電網(wǎng)用戶通過整流器與直流牽引網(wǎng)相連，將他們的負(fù)序、無功、諧波等負(fù)面電量注入高鐵，后者可得到廉價電能；

　　(7)以直流牽引網(wǎng)為媒介將各電網(wǎng)聯(lián)接起來，形成國家統(tǒng)一電網(wǎng)，啟動電力期貨交易；

　　(8)直接吸收風(fēng)電、太陽能入網(wǎng)，降低其成本，解放我國新能源發(fā)展瓶頸，為國家做出更大貢獻(xiàn)。

　　7 結(jié)束語

　　感悟！為何機(jī)車變頻器稱變流器？——直流變交流是它滿意的方式！用直流/多交流變換器組成牽引變流器，無牽引變壓器、無四象限整流器、直流貫通供電無過分相困擾、吸收交流電網(wǎng)中的負(fù)面電量，并以直流牽引網(wǎng)為媒介組成全國