牵引变流器技术及经济效益分析

　　1 引言
      
　　多年来我对机车上的牵引变频器称为变流器总有些茫然，我们通常称交流变直流或直流变交流的设备为变流器。机车变流器分明是将50hz交流，变为0～50hz变化频率的交流，应属变频器，为何称变流器？冥冥之中似有些怨忿，又有所期待。
           
　　图1所示的和谐5型动车组牵引变流器结构组成图，其机车的外形图如图2所示。
           
　　我国高铁呈现井喷式发展。刚刚通过486.1km/h运营线路速的世界纪录，今年又将打破法国阿尔斯通570km/h的试验线路速度世界纪录，共有600多份国际合作合同正在洽谈中。我们心旷神怡！我们意气风发！
           
　　没有隐忧了么？远远不是。国际上称我们的高铁是“山寨版”；牵引变流器仍然由西门子、阿尔斯通、庞巴迪、川琦垄断；一列动车组两亿人民币，变流器就超过了一个亿；机车过分相困扰依旧；电气化铁路仍是公共电网的头号“坏孩子”。怎样去掉隐忧？怎样笑得更舒心？

            图1 和谐5型动车组牵引变流器结构组成图

           
　　2 需要解决高铁面临的问题
           
　　小打小闹已无法适应高铁no.1的情怀，彻底解决高铁面临的问题要铺开多长的战线呢？又有多少问题需要我们解决呢？
           
　　(1)具有完全自主知识产权，要不同于现有的技术路线；
           
　　(2)解决机车过分相难题，实现贯通供电；
           
　　(3)不干扰公共电网，无功、负序、谐波、负荷率全面满足电网期望；
           
　　(4)系统成本和变流器成本要低于现有技术相关成本。
           
　　现有高铁供电方式是：每30km左右设一牵引变电所，三相进线，单相出线。每个变电所换一次相，即30km有一个换相点。换相点用一段绝缘体连接2个相电压，机车通过时称为过分相。此时机车要进行复杂的换相作业，机车失去供电，还要用回馈制动提供辅助设备供电。到达另一相时车速降低很多，并且要忍受一次过流冲击，操作不当时产生拉弧烧蚀现象。由于动车速度极快，几分钟就过一次分相，动车司机面临很大精神压力。由于无法贯通供电，每个变电所独自负担区间内的全部机车负荷，高峰时达四列机车，许多时间又空无一车。按照规范规定须按高峰配置容量，平均负荷率不足10%，负荷率太低是造成牵引供电系统高成本、高损耗、高排放物质的主要原因。电网侧的困难是：因单相取电，造成负序电流极大，严重影响电网质量。以及功率因数低、谐波高，高铁成为电网中最为严重的有害负荷。

  
            图2 第二牵引动力系统电路示意图
        

   
　　3 工艺说明
           
　　以和谐5原型为基础，说明高铁动车现状。
           
　　和谐5共有两组相同的、可相互支援的牵引动力系统。图2所示为第二牵引动力系统电路示意图。
           
　　由图2可见受电弓pnt2接牵引变压器(红色)，后经接地轮接钢轨。变压器副边经高压开关（黄色）带2～3台变流器（绿色）、图3是由图4重绘，略去制动电阻而得到的变流器框图。

4 “直流/多交流变换器”
           
　　我们多年的高压直流变换研究，应用于机车牵引成为现实。新结构采用“做减法”的方案，减去牵引变压器、四象限整流模块、支撑电容器模块和附加电容器模块；将图4中的各辅助变流器的斩波器（红色）、脉冲变压器（淡红色）、高频整流器（红黑色）移出，放至原牵引变压器位置。
           
　　如图5所示，各斩波器输入串联，斩波器输出接脉冲变压器多原边系统。多原边各匝数相等，因为同一磁路形成串联稳压电路。将牵引逆变器连接到稳定节点上，稳定了各牵引逆变器的输入电压。脉冲变压器副边整流为各辅助逆变器供电。牵引电机定子对地电压高于15kv。
           
5 技术特点
           
　　“直流/多交流变换器”（用于电力机车及轧钢机）由直流串联稳压电路、数个逆变器组成。直流串联稳压电路提供均压电位，并提供辅助设备电源，每段电位安置一台逆变器，拖动一台电机。另外可通过调节某台逆变器频率或输出电压改变电流帮助保持均压；亦可调节某台逆变器桥臂短暂贯通强制保持均压。虽然无四象限整流器却能更好地实现回馈制动，在直流贯通的条件下真正实现将能量利用。

            图3 动力系统电路框图

            图4 辅助功率模块电路原理图

            图5 “直流/多交流变换器”
       

　　6 技术及经济效益分析
           
　　(1)平台变化很小，便于改造已有车辆。电机和牵引逆变模块对地耐压升高增加少许成本，低于变流器成本1%；
           
　　(2)因减少牵引变压器、四象限整流模块、支撑电容和滤波电容预计降低变流器成本50%。（逆变模块与四象限整流模块高度相似；全车降低了60%的散热功率）；
           
　　(3)取消过分相；
           
　　(4)克服负序、无功、谐波、供电设备利用率低等牵引变电所痼疾，节省大量设备投资；
           
　　(5)直流贯通供电提高机车运行效率，回馈制动变得有意义；
           
　　(6)可不必规划电力专线，电网用户通过整流器与直流牵引网相连，将他们的负序、无功、谐波等负面电量注入高铁，后者可得到廉价电能；
           
　　(7)以直流牵引网为媒介将各电网联接起来，形成国家统一电网，启动电力期货交易；
           
　　(8)直接吸收风电、太阳能入网，降低其成本，解放我国新能源发展瓶颈，为国家做出更大贡献。
           
　　7 结束语
           
　　感悟！为何机车变频器称变流器？——直流变交流是它满意的方式！用直流/多交流变换器组成牵引变流器，无牵引变压器、无四象限整流器、直流贯通供电无过分相困扰、吸收交流电网中的负面电量，并以直流牵引网为媒介组成全国统一电网才是我们要实现的目标。此时它远远望着“名不正”的前辈们，可谓“一览众山小”。