张磊

（天津铁道职业技术学院，天津300240）

CRH2与CRH5型动车组网侧变流器的对比分析

张磊

（天津铁道职业技术学院，天津300240）

摘要：网侧变流技术是动车组牵引系统中的关键技术之一。以高速动车组网侧变流器采用的单相三电平和两重两电平变流电路为研究对象，介绍了CRH2与CRH5型动车组网侧变流器的主电路结构，分析了两种网侧变流器的工作模式，并对其性能优劣进行了对比。两种电路各有优缺点，在实际使用中应按照各自的特点根据具体情况来选择。

关键词：动车组；网侧变流器；主电路；工作模式

1　引言

动车组牵引变流器作为牵引传动系统的重要部件，其性能质量直接关系到动车组的安全正点运行，而网侧变流技术正是动车组牵引系统的关键技术之一，也是我国发展高速铁路列车需要大力研究的主要技术之一。本文以CRH2与CRH5型动车组网侧变流器主电路为研究对象，对比分析了两种变流电路的主电路结构、工作模式与性能优劣。

网侧变流器分类方式很多,主要有［1］:

（1）按照直流侧储存电能的形式可分为电压型与电流型网侧变流器，电压型变流器直流侧储存电能的是电容元件，而电流型变流器直流侧储存能量的是电感元件。电压型变流器响应较快,并且容易实现。目前，在动车组上的变流器采用的是电压型变流器。

（2）按照调制电平数可分为两电平、三电平及多电平网侧变流器。现在用于动车组的变流器既有两电平变流器，也有三电平变流器。

（3）按照其桥路可分为半桥变流器与全桥变流器。

2　 CRH2　与CRH5　型动车组网侧变流器

动车组在牵引工况下，受电弓从接触网接受25kV、50Hz的高压交流电能，经过安装在车底架上的牵引变压器，降成较低电压的交流电；降压后的交流电经网侧变流器转换成直流电能，该直流电再由电动机侧变流器转换成频率可变、电压可变的三相交流电送给牵引电动机，牵引电机的转矩和转速通过齿轮变速箱和万向轴传递给轮对，驱动列车运行。动车组在回馈制动工况下，牵引电动机做发电机运行，产生三相交流电能，由电动机侧变流器转换成直流电能，经中间直流回路稳压后，再经网侧变流器变换成单相交流电能，该交流电通过牵引变压器、主断路器、受电弓等高压设备回馈给接触网。

2.1 CRH2型动车组网侧变流器

CRH2型动车组以川崎重工业的新干线E2－1000型动车组为原型，由中国南车集团南车四方机车车辆股份有限公司负责国内生产。

2.1.1 CRH2型动车组网侧变流器主电路结构

CRH2动车组的网侧变流器部分由单相三电平四象限PWM脉冲整流器和交流接触器构成［2］，主电路如图1所示，采用中点钳位型结构，其中LN为交流侧输入电感，RN为绕组电阻，Cdl与Cd2为直流侧的支撑电容，二者电容值相同，这样就在两电容之间形成了一个电压中性点，两组连接到中性点的两个二极管就是箝位二极管，其作用是把整流器的电压箝位到中性点电位［3］。主电路由8个IGBT开关元件与IGBT的反并联续流二极管组成，每一桥臂有四个开关管，其中直接连到正负直流母线上的4个开关管称之为主开关管，中间的4个开关管称之为辅助开关管。

图1　三电平脉冲整流器主电路图

脉冲整流器可以实现牵引、再生工况间平滑的转换，整流时，三电平PWM整流器将电网交流电整流成为直流，给负载供电；逆变时，整流器经过IGBT将直流逆变为交流，然后将逆变成的交流电反馈给电网，因此三电平四象限PWM整流器的能量传递是可逆的。

2.1.2 CRH2型动车组网侧变流器工作模式

为了便于对CRH2动车组的网侧变流器主电路进行分析，定义理想的开关函数Sa和Sb如下：

通过理想开关函数，可以将主电路等效为图2的形式。

图2　三电平脉冲整流器开关等效电路

每组桥臂可以等效为一个开关，开关具有1、0、－1三种模式，则两组桥臂就有9种开关组合，对应9种工作模式，ud为网侧变流器两个支撑电容电压，这样变流器输入端脉宽调制电压就有五个电平值：0、ud/2、－ud/2、ud、－ud五种电平，有效减少了变流器输入端电流的谐波［4］。9种开关状态及相应的电压值如表1所示。

表1　工作状态及相应电压表

工作模式1：Sa=1，Sb=1，Ta1，Ta2，Tb1，Tb2导通；Ta3，Ta4，Tb3，Tb4关断。网侧电源电压uao=u1，ubo=u1，uab=0，当网侧电压uN＞0，则网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载放电。

工作模式2：Sa=1，Sb=0，Ta1，Ta2，Tb2，Tb3导通；Ta3，Ta4，Tb1，Tb4关断。网侧端电压uao=u1，ubo=0，uab=u1，当正向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流iN对C1充电，而C2通过负载放电。

工作模式3：Sa=1，Sb=－1，Ta1，Ta2，Tb3，Tb4导通；Ta3，Ta4，Tb1，Tb2关断。网侧端电压uao=u1，ubo=－u2，uab= u1＋u2，网侧电流iN减小，且对C1和C2进行充电。

工作模式4：Sa=0，Sb=1，Ta2，Ta3，Tb1，Tb2导通；Ta1，Ta4，Tb3，Tb4关断。网侧端电压uao=0，ubo=u1，uab=－u1，当反向网侧电压uN大于（或小于）直流侧电压ud的一半，则网侧电流iN减小（或增大），反向网侧电流iN对C1充电，而C2通过负载放电。

工作模式5：Sa=0，Sb=0，Ta2，Ta3，Tb2，Tb3导通；Ta1，Ta4，Tb1，Tb4关断。网侧端电压uao=0，ubo=0，uab=0，当网侧电源电压uN＞0，则网侧电流iN减小（或增大），正向网侧电流iN增大，C1和C2通过负载放电。

工作模式6：Sa=0，Sb=－1，Ta2，Ta3，Tb3，Tb4导通；Ta1，Ta4，Tb1，Tb2关断。网侧端电压uao=0，ubo=－u2，uab=u2，当正向网侧电源电压uN大于（或小于）直流侧电压ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），电流iN对电容C2充电，而C1通过负载放电。

工作模式7：Sa=－1，Sb=1，Ta3，Ta4，Tb1，Tb2导通；Ta1，Ta2，Tb3，Tb4关断。网侧端电压uao=－u2，ubo=u1，uab=－u1－u2。反向网侧电流iN减小，且对电容C1和C2进行充电。

工作模式8：Sa=－1，Sb=0，Ta3，Ta4，Tb2，Tb3导通；Ta1，Ta2，Tb1，Tb4关断。网侧端电压uao=－u2，ubo=0，uab=－u2。当反向网侧电压uN大于（或小于）直流侧电压ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对C2进行充电，而电容C1通过负载放电。

工作模式9：Sa=－1，Sb=－1，Ta3，Ta4，Tb3，Tb4导通；Ta1，Ta2，Tb1，Tb1关断。网侧端电压uao=－u2，ubo=－u2，uab=0。当网侧端电压uN＞0，则网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载放电。

电路任一时刻只能工作于上述某一种模式，而在不同时刻，可工作于不同模式，以保证输出电流的双向流动。

2.2 CRH5型动车组网侧变流器

CRH5型动车组以法国阿尔斯通为芬兰国铁提供的SM3动车组为原型，由中国北车集团长春轨道客车股份有限公司和法国阿尔斯通合作生产。

2.2.1 CRH2型动车组网侧变流器主电路结构

CRH5牵引变流器采用两电平主电路拓扑结构，牵引变流器内共有两组四象限脉冲整流器，每组由一个电流传感器和一个整流器模块组成，整流器模块的IGBT（具有反相并联二级管）采用双管并联的结构，以提高功率器件的耐压耐流等级，并通过合理设计直流侧支撑电容值以取消二次谐波滤波电路。其网侧变流器采用单相两电平电压型脉冲整流器，利用移相式PWM多重化技术将两个四象限脉冲整流器并联，以提高系统等效开关频率，改善波形品质，实现输出功率大、谐波含量小等特点，脉冲整流器的主电路拓扑结构如图3所示。

图3　 CRH5脉冲整流器主电路图

2.2.2 CRH5型动车组网侧变流器工作模式

对于相互并联的两个四象限脉冲整流器，工作原理基本相同，分析时取其一。将牵引变压器进行副边等效所得的等效漏感作为整流器交流侧入端电感，不计交流侧电阻的作用，并只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，则整流器的电路模型如图4所示。

图4　整流器拓扑结构图

图5　整流器开关等效图

用理想开关代替实际开关器件（IGBT），并把并联的快速恢复二极管的作用融入到理想开关中，当其中之一导通时，就可认为该理想开关导通。分别用Sa和Sb来表示两桥臂的理想开关，则等效电路如图5所示。

由于上桥臂与下桥臂不允许出现直通，防止上下两桥臂同时导通导致开关器件短路烧坏，所以Tl与T2、T3与T4不能同时导通和关断，其驱动信号应该互补。故用以下方式定义开关函数。

有效的开关组合有4种，即SaSb=00、01、10、11。

工作模式一：SaSb＝00或11。即下桥臂同时导通和上桥臂同时导通。此时uab=0，电容向负载侧供电。加在LN上的电压为网侧电压uN，即uN向电感LN充放电，当uN＞0，iN＞0时，D1与T3导通或D4与T2导通，电感LN充电，电流iN幅值增大；当uN＞0，iN＜0时，D3与T1导通或D2与T4导通，电感向牵引绕组侧充电，电流iN减少。

工作模式二：SaSb＝01，uab=－Ud，当uN＞0，iN＞0时，T2与T3导通，电感LN充电，电流iN幅值增大，电感储存能量；当uN＞0，iN＜0时，D2与D3导通，电感LN向牵引绕组侧和直流侧电容充电，电流iN减少，电感释放能量。

工作模式三：SaSb＝10，uab=Ud，当uN＞0，iN＞0时，D1与D4导通，电感LN放电，直流侧电容充电，电流iN减少，储存在电感中的能量向负载和电容释放；当uN＞0，iN＜0时，T1与T4导通，电感LN充电，储存能量，同时电流iN增加。

表2列出了整流器的12种开关状态，每种开关状态的能量关系互不相同。

表2　两电平整流器的工作模式

3　 CRH2和CRH5型动车组网侧变流器性能对比

CRH2的和CRH5型动车组网侧变流器均为PWM整流器，功率因数高，网侧功率因数几乎为1，输入交流电流谐波小，输出直流电压稳定，并且能够在四象限运行，可以实现电能的双向传输，不仅能实现整流，而且也可以将电能反馈给电网，能够提高电能的利用率。

单相两电平变流器与单相三电平变流器是目前高速动车组使用的两种变流器。两电平变流器采用两重化技术，其优点为通过多重化技术，提高了装置容量，组成了大容量变换器；提高了等效开关频率，降低了单个器件的工作频率，减少了器件的开关损耗；不仅减少了交流输入电流的谐波，同时也减小了直流输出电压的谐波，因此可相应地减小平波电抗器；如果一台变流器发生故障，可以将其隔离，系统仍能继续运行，提高了系统运行的可靠性。其缺点主要是输入交流电流谐波含量较大。对于三电平变流器，其优点为功率器件所承受的关断电压应力仅为直流侧电压的一半；在采用同样的开关频率与控制方式下，三电平变流器输出电压和输入电流的谐波都远小于两电平PWM变流器［5］；三电平PWM变流器输入侧的电流波形即使在开关频率较低时，也能保证在一定程度上接近正弦。其缺点主要是主电路结构与控制结构要相对复杂，需要中点电位平衡法来抑制中点电压偏移，保证系统的正常运行。

4　结束语

网侧变流技术是“和谐”号动车组牵引系统中的关键技术之一。本文主要介绍了CRH2和CRH5型动车组网侧变流器的拓扑结构，并详细分析了单相电压型两电平脉冲整流器和单相电压型三电平脉冲整流器的工作模式，最后对比阐述了两种网侧变流器的性能优缺点。

总之，目前我国高速动车组使用的两种主要的网侧变流器都各有其优势，要进一步研制出具有我国自己特色的高速列车牵引传动系统，还需要更多的科研人才根据我国电子器件制造技术、运输装备制造技术及电力系统等基木国情进行更深入的探讨和研究，为我国高速列车牵引技术的发展奠定更坚实的基础。

参考文献：

［1］陶良慧.三点式四象限脉冲整流器控制策略研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［2］江承武.CRH2三电平牵引整流器的控制研究［D］.成都：西南交通大学，2011.

［3］李伟，张黎，马志文.三电平四象限变流器预测电流控制［J］.机车电传动，2009.

［4］章志兵，张志学.单相三电平整流器控制方法及中点平衡的研究［J］.机车电传动，2008.

［5］李伟，张黎，马志文，郭晓燕.三电平网侧变流器预测电流控制及其与两电平变流器比较［J］.中国铁道科学，2008，（6）：77－80.

Contrast analysis of grid－side converters of CRH2 and CRH5 trains

ZHANG Lei

（Tianjin Railway Vocational and Technical College，Tianjin 300240，China）

Abstract：The grid－side converter technology is one of the key technologies for the traction systems of the CRH trains.Taking the single－phase three－level and twofold two－level converter circuits adopted by the high－speed EMU train grid－side converters as the research object，the main circuit structures of CRH2 and CRH5 EMU train grid－side converters are presented.The working mode，the performance，the advantages and the disadvantages of the two kinds of the main circuits are analyzed and compared.It should be used in actual according to their specific situations and their specific characteristics.

Key words：CRH；grid－side current converter；main circuit；working mode

中图分类号：U266.2

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）05—0011—05

作者简介：

张磊（1981－），女，汉族，硕士，天津铁道职业技术学院讲师。

收稿日期：2015－04－30