牽引變流器技術及經濟效益分析

1 引言

　　多年來我對機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備為變流器。機車變流器分明是將50hz交流，變為0～50hz變化頻率的交流，應屬變頻器，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構組成圖，其機車的外形圖如圖2所示。

　　我國高鐵呈現井噴式發展。剛剛通過486.1km/h運營線路速的世界紀錄，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！我們意氣風發！

　　沒有隱憂了么？遠遠不是。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；機車過分相困擾依舊；電氣化鐵路仍是公共電網的頭號“壞孩子”。怎樣去掉隱憂？怎樣笑得更舒心？

2 需要解決高鐵面臨的問題

　　小打小鬧已無法適應高鐵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權，要不同于現有的技術路線；

　　(2)解決機車過分相難題，實現貫通供電；

　　(3)不干擾公共電網，無功、負序、諧波、負荷率全面滿足電網期望；

　　(4)系統成本和變流器成本要低于現有技術相關成本。

　　現有高鐵供電方式是：每30km左右設一牽引變電所，三相進線，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，機車通過時稱為過分相。此時機車要進行復雜的換相作業，機車失去供電，還要用回饋制動提供輔助設備供電。到達另一相時車速降低很多，并且要忍受一次過流沖擊，操作不當時產生拉弧燒蝕現象。由于動車速度極快，幾分鐘就過一次分相，動車司機面臨很大精神壓力。由于無法貫通供電，每個變電所獨自負擔區間內的全部機車負荷，高峰時達四列機車，許多時間又空無一車。按照規范規定須按高峰配置容量，平均負荷率不足10%，負荷率太低是造成牽引供電系統高成本、高損耗、高排放物質的主要原因。電網側的困難是：因單相取電，造成負序電流極大，嚴重影響電網質量。以及功率因數低、諧波高，高鐵成為電網中最為嚴重的有害負荷。

圖2 第二牽引動力系統電路示意圖

3 工藝說明

　　以和諧5原型為基礎，說明高鐵動車現狀。

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

　　由圖2可見受電弓pnt2接牽引變壓器(紅色)，后經接地輪接鋼軌。變壓器副邊經高壓開關（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，應用于機車牽引成為現實。新結構采用“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，斬波器輸出接脈沖變壓器多原邊系統。多原邊各匝數相等，因為同一磁路形成串聯穩壓電路。將牽引逆變器連接到穩定節點上，穩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。牽引電機定子對地電壓高于15kv。

5 技術特點

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

圖3 動力系統電路框圖

圖4 輔助功率模塊電路原理圖

圖5 “直流/多交流變換器”

6 技術及經濟效益分析

　　(1)平臺變化很小，便于改造已有車輛。電機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)克服負序、無功、諧波、供電設備利用率低等牽引變電所痼疾，節省大量設備投資；

　　(5)直流貫通供電提高機車運行效率，回饋制動變得有意義；

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

　　(7)以直流牽引網為媒介將各電網聯接起來，形成國家統一電網，啟動電力期貨交易；

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

7 結束語

　　感悟！為何機車變頻器稱變流器？——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、吸收交流電網中的負面電量，并以直流牽引網為媒介組成全國統一電網才是我們要實現的目標。此時它遠遠望著“名不正”的前輩們，可謂“一覽眾山小”。