车载电力系统调研报告

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1、车载电力系统调研报告一系统组成一系统组成车载电力系统主要由机车受流系统、牵引传动系统、牵引控制及保护系统组成。 机车受流系统机车受流系统：主要作用是从牵引供电网获取机车运行所需的电能以及当机车制动时， 将能量反馈给接触网供电系统。它主要包括受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接 地保护开关等组成。主断路器用来控制供电系统的接入与断开，电流互感器用来监测受流 大小。其中受电弓最为关键，它负责完成列车运行过程中的高速受流、并确保受流质量。 牵引传动系统牵引传动系统：主要包括牵引变压器、脉冲整流器、中间直流环节、牵引逆变器、牵 引电机组成。 牵引变压器，牵引变压器，主要用来把牵引网取得的 25kv

2、 电压转换为变流器、电机、车载辅助 电器设备所需的电压等级。 脉冲整流器，脉冲整流器，主要用来对牵引电流进行变换。在正常牵引时，它主要用来对牵引变 压器输出的波形进行整流，当列车制动时，它作为逆变器使用，将制动产生的电能通过牵 引变压器反馈给电网。 中间直流环节，中间直流环节，主要用来给牵引逆变器提供一个稳定的输入电压。 牵引逆变器，牵引逆变器，主要作用是将直流电压逆变成牵引电机所需的三相交流电，在车辆制 动时，将牵引电机反馈回来的电流进行整流，反馈给中间直流环节。 牵引电机，牵引电机，是实现电能和机械能转换的最核心部件，在牵引运行时，牵引电机将电 能转化成车轮转动所需的机械能，制动时作为发电

3、机是用，将车轮的机械能转化为电能。 牵引控制及保护系统牵引控制及保护系统：牵引控制系统主要用来对列车进行快速、安全、节能、高精度 的调速，保证列车高速运行时的舒适性和安全性，控制方式和算法是关键。同时由于车载 电力系统是一个高、低压、强电流相结合的系统，保护系统应对各种故障具有检测和保护 功能，如过流过压监测、绝缘监测、防电磁干扰、防空转等。二国内外研究现状及分析二国内外研究现状及分析牵引变压器研究现状 目前对牵引变压器的研究主要集中在以下几个方面： （1）牵引变压器的小型、轻量化研究。目前常采用的技术路线有超导牵引变压器技术、 中频变压器技术、无变压器技术。 超导牵引变压器与普通变压器相比，

4、具有体积小、重量轻、效率高、无污染等特点， 是目前牵引变压器研究的热点之一。德国西门子公司制造了一台 1MVA 的高温超导牵引变压 器，运行于 66k，器身重量约 1 吨，为相同功率普通牵引变压器的 46%，该变压器于 2002 年完成相关试验，现已投入模拟运行。美国的 IGC 公司与 Waukesha 公司正在合作研制 30MVA 的高温超导变压器，并对其总量进行了预估，采用闭式冷却时，为普通变压器重量 的一半，采用开式冷却时，为普通变压器总量的 1/3。日本计划为新干线制造一台 4MVA 的 高温超导变压器，目前已完成样机，并完成了相关的测试。捷克波希米亚大学的 Milan Krasl 和

5、斯洛伐克的 Pavol Rafajdus 等人采用有限元法对超导变压器的电磁场、温度场分 布进行了计算。 中频变压器技术。根据法拉第电磁感应定律，相同工作电压和线圈匝数下，铁芯截面 积和重量与工作频率成反比，因此升高工作频率可以有效的降低牵引变压器的重量。 ALSTOM LHB 公司和 SMA 公司研制出了世界上首台功率容量为 1.5MW 的中频变压器样机，其 重量仅为同容量普通牵引变压器的一半。瑞士的 ABB 公司的 Nicolas Hugo 等人采用新的拓扑结构将 16 个逆变单元串联，每一个逆变模块驱动一台中频变压器，使得系统模块化，小 型化，变压器重量减小了一半，体积减小了 20%。由

6、于采用中频变压器需要改变牵引系统 的拓扑结构，逆变器直接接在高压接触网上，因此需要多级串联，此外频率提高后，系统 地损耗也相应的增加了，为此捷克波希米亚大学的 Pitterman Martin 等人对拟变系统地拓 扑结构进行了深入的分析与研究。 无变压器技术。随着电力电子器件的发展，未来的牵引传动系统可能采用多个逆变模 块串联直接驱动牵引电机，省去了中间的牵引变压器。这对逆变系统的拓不结构，逆变开 关的性能提出了更高的要求。西门子公司的 Jan Weigel 等人正在对各种高压 IGBT 开关及 其拓补结构进行研究。我国的张雪原等人提出了一种利用直流斩波的方案来实现无变压器 的构想。 （2）对

7、牵引变压器短路阻抗、多绕组间耦合问题的研究。 牵引变压器短路阻抗和绕组间耦合的研究。牵引变压器的抗短路能力是评估其性能的 重要指标；为了抑制变压器二次侧的纹波，控制开关器件的关断电流，需要对变压器短路 阻抗进行设计（漏感的设计） ；为了避免绕组之间的干扰，需要对绕组之间进行去耦合设计。 此外，将变压器与滤波电感、互感器一体化设计（即所谓的磁集成技术）可以有效地减小 系统体积，而在设计中重点需要考虑的就是这些器件之间的相互耦合问题。 瑞士的 Joseph 等人对采用 2 维有限元模型对牵引变压器绕组间的耦合问题进行了研 究，并于试验结果进行了对比，模拟结果与试验结果比较接近，在此基础上，他们建立

8、了 多绕组牵引变压器的场路模型，利用这个模型可以分析变压器在短路等一些极端情况下的 状况。湖南大学的李季等人采用三维有限元稳态非线性法对采用磁集成技术（多个磁性原 件集中在一副磁芯上）的地铁变压器进行了仿真，仿真得到的数据与现场试验数据很接近。（3）牵引变压器的在线监测、故障诊断与寿命的研究。 牵引变压器的运行状态直接影响到列车的行车安全，因此需要对牵引变压器进行在线 监测、故障诊断技术和寿命研究。 西南交大的吴广宁、周利军等人对牵引变压器的在线监测问题以及变压器寿命与热点 温度的关系进行了研究，并开发出了牵引变压器绝缘在线监测系统。波兰的 Andrzej Wilk 等人利用 3D 有限元方法

9、建立了牵引变压器的非线性模型，通过监测变压器损耗的方法来诊 断变压器匝间短路故障。上海同济大学的刘循等人建立了一套基于模糊神经网络的牵引变 压器全局故障诊断方法。 （4）变压器的励磁涌流、直流偏磁和谐波损耗的研究。 牵引网压的波动使得变压器的励磁电压变化，产生励磁涌流，使变压器铁芯严重饱和， 损耗急剧增加，甚至发生短路；弓网接触不良时，激磁电压不对称，产生直流分量，使变 压器铁芯产生直流偏磁，变压器损耗增加；此外，交直交逆变系统使得励磁波形中高 次谐波含量丰富，使得变压器损耗增加，因此需要对它们进行深入系统的研究。 K.P.Basu 等人对电压与频率的变化与励磁涌流的关系进行了模拟研究。意大利

10、的 A.Coccia 等人提出了在变压器上增加附加绕组来减少 PWM 调制产生的谐波的方法。瑞士的 J.E.Hayek 等人采用二维有限元软件，通过场路模型研究了谐波对牵引变压器损耗的影响。三关键问题分析三关键问题分析（1）对于受流系统而言，弓网关系是关键，直接影响到系统受流的质量，列车运行的安 全性和稳定性。尤其是高速铁路运营时，弓网电弧的研究、弓网压力对受流质量的影响是 需要研究的关键问题。（2）牵引变压器 对牵引变压器的研究主要集中在以下几个方面： 牵引变压器小型、轻量化研究。这里面涵盖了变压器工作方式、绕组结构、绝缘结 构、散热方式的设计。此外，将变压器与滤波电感、互感器一体化设计（即

11、所谓的磁集成 技术）也是牵引变压器系统小型轻量化研究的另外一个内容。 牵引变压器短路阻抗和绕组间耦合的研究。牵引变压器的抗短路能力是评估其性能 的重要指标，此外为了抑制变压器二次侧的纹波，控制开关器件的关断电流，需要对变压 器短路阻抗进行设计（漏感的设计） ；为了避免绕组之间的干扰，需要对绕组之间进行去耦 合设计。 牵引变压器的运行状态直接影响到列车的行车安全，因此需要对牵引变压器进行在 线监测、故障诊断技术和寿命研究。 变压器的励磁涌流、直流偏磁和谐波损耗的研究。牵引网压的波动使得变压器的励 磁电压变化，产生励磁涌流，使变压器铁芯严重饱和，损耗急剧增加，甚至发生短路；弓 网接触不良时，激磁电

12、压不对称，产生直流分量，使变压器铁芯产生直流偏磁，变压器损 耗增加；此外交直交逆变系统使得励磁波形中高次谐波含量丰富，使得变压器损耗增 加，因此需要对它们进行深入系统的研究。（3）脉冲整流器和牵引逆变器的研究 （4）牵引电机的研究 （5）牵引系统的控制技术的研究四拟研究的内容四拟研究的内容对于牵引变压器可研究的内容： （1）牵引变压器的小型化轻量化研究。可以考虑用 Ansys 软件队牵引变压器的电磁场、温 度场进行仿真，对其绝缘结构进行优化设计。此外对于磁芯元器件一体化技术，需要考虑 其相互之间的耦合问题，解析计算误差很大，利用 Ansys 计算可以得到很精确的结果，能 够达到工程应用的要求。 （2）牵引变压器短路阻抗（漏感）和绕组间耦合的研究。这部分内容目前只有采用有限元 法才能得到较精确的结构，国内外目前多采用 2D 有限元分析，不能准确地代表实际情况， 可以考虑利用 Ansys 软件 3D 电磁场分析模块来进行研究。 （3）变压器的励磁涌流、直流偏磁研究。可以考虑利用 Matlab 软件结合 Ansys 或 Ansoft 软件的场路模拟功能进行模拟，计算变压器的损耗。 （4）利用 Ansys 软件对已有变压器的温度场进行仿真，获得热点温升与顶部温升的关系， 为在牵引变压器温度的在线监测提供参考。对于