1 引言交流传动机车从上世纪70年代发展到今天已基本成熟，与直流传动相比具有提高电网质量、降低机车损耗、改善牵引特性、加快响应速度、简化牵引电机、恢复粘着利用等优点。随着电力电子技术和微处理器技术的发展，世界上研究交流传动机车的各大公司其产品也在不断地更新换代。在上世纪90年代中叶，欧洲铁路政策对机车的通用性提出越来越多的要求（由于历史原因，目前欧洲铁路网包含有4种牵引供电制式，它们分别是dc1.5kv、dc3kv及ac15kv/16.7hz、ac25kv/50hz，简称ac15kv和ac25kv）；并且随着欧洲铁路货运自由化，许多运营者使用新的费用最佳的过境运输连接，对此所需的机车就要满足各国的不同要求并获得这些国家的批准。为了满足了运营部门提出的标准化、规范化、通用化和系列化的要求，siemens transport（西门子公司交通系统部）研制了eurosprinter（欧洲短跑手）机车家族。目前西门子公司主要生产两种机车系列——eurosprinter系列电力机车和eurorunner系列内燃机车，本文主要介绍eurosprinter电力机车。
图1 第一代eurosprinter电力机车—br127，ac 15kv，首台交付年份—1992年
图2 第二代eurosprinter电力机车—br189，四流制dc 1.5kv，dc 3kv，ac 25kv和ac 15kv，首台交付年份—2003年
图3 第三代eurosprinter电力机车—rh1216，三流制dc 3kv，ac 25kv和ac 15kv，首台交付年份—2005年
2 eurosprinter机车特征介绍上世纪90年代初，西门子公司为西班牙国铁设计制造了75台s252型ac25kv/50hz和dc3kv的双电流制机车，并为葡萄牙铁路制造了与s252 型机车相同的le5600型ac25kv/50hz干线通用电力机车。基于以上两种机车的可靠设计，并且为适应欧洲铁路运输空前发展的需要，西门子公司和kraussmaffei公司（克劳斯.马菲公司）联合双方的制造优势于1992年自主开发和制造了eurosprinter原型车——127型001号多用途机车，该车最大功率6400kw。该样车采用了模块化结构，易于适应欧洲各主要国家铁路的各种要求和条件。西门子公司内部命名该车为es64p，用作新型部件和对环境友好的新材料试验机车以及用作西门子以后开发新型机车的基础。由于eurosprinter机车家族采用的是模块化结构，通过机车设计平台和不同国家、不同用户的程序包能较容易设计和制造出适应欧洲各国铁路的各种不同任务和铁路设施的通用机车。图1～图3分别为各代eurosprinter机车的代表机车及首台交付年份。西门子所发展的3代eurosprinter机车具有如下的共同电气特征：（1）所有机车均为bo-bo’轴列式，最大功率为6000～6500 kw；（2）传动设计中采用中间电路直流电压的逆变器和三相交流异步牵引电动机，所有部件都按2台转向架的电路分开配置。安装的4qs相互错开相应的电角度进行调制，因此可以取消高压侧滤波器，干扰电流不会超过极限值。在最高电压2800v的中间电路中接入了滤波电容和吸收电路，后者按2 倍电网频率调谐，以补偿整流时在中间电路中产生的功率脉动。与中间电路连接的2台脉冲逆变器独立向各自的牵引电动机提供变频变压的三相交流电。4qs和脉冲逆变器由相同的模块组成，并由过去的4.5kv/3ka的gto模块发展到今天的6.5kv的igbt模块。现在全都采用水冷，辅助逆变器也采用igbt模块；（3）控制技术采用标准化的部件，能完成所有开环、闭环控制和诊断任务，具有很好的性价比。给定值由操纵的司机室传输给有关子系统，再由子系统作用于所要求的调节环节。控制技术使用的是sibas-32系统。在机车上使用了符合iec 9/413/cdv定义的2个总线系统，即wtb列车总线和mvb 车辆总线，其中mvb负责车内数据交换，wtb则负责遥控交换整个列车内的数据。
3 eurosprinter多流制牵引变流器的发展欧洲铁路的显著特点是供电电流制式范围较广为使电力机车运行灵活且在不同制式交界处暂停时间较短，有必要使用多流制机车，为此西门子公司结合eurosprinter以及功率器件技术的发展情况，研制了不同拓扑结构的多流制牵引变流器。3.1 用于dc3kv、具有输入斩波器的多流制牵引变流器对于多流制变流器，工况更复杂。在交流模式下，必须使用四象限变流器。而在直流模式中，把变流器用作输入斩波器更好。在6.5kv半导体器件问世之前，这是3kv线路唯一的方案，许多不同的变流器拓扑结构将四象限变换器用作斩波器。其中一种拓扑结构是具有4.5kv gto和交叉输入斩波器的变流器（图4），它最初用于renfe s252型电力机车。在交流模式下用作四象限变流器的相支路在直流模式下用作降压斩波器，这需要额外的电抗器。因为在直流模式下有两个独立的直流环节，每个直流环节都有其自己的过压保护晶闸管和制动斩波器。在交流模式下，转向架的两个直流环节并联在一起，因此，只需一个谐振电抗器就可以用来滤除双倍线路频率。交叉输入斩波器非常适合用在偶数个电机侧逆变器的电路中，但是如果bo-bo-bo型机车中需要1个或3个电机侧逆变器的话，这些斩波器就不能用了。在s252型机车中，每个电机都有自己的逆变器，这样在交流模式下便有75％的冗余度；而在直流模式下，每个转向架的两个逆变器通过输入斩波器连接。因此冗余度下降为50％。
图4 具有交叉输入斩波器的gto变流器——第一代eurosprinter多流制机车用3.2 无斩波器的多流制牵引变流器多流制最简单的拓扑结构是无斩波器的多流制变流器（图5）。在交流模式下，直流环节由四象限变流器馈电；在直流模式下，直流环节是直接连接到线路上的。该制式对于ac和dc 750 v（如在干线上运行的轨道车辆）以及ac和dc 1.5 kv（如双流制机车）线路是最先进的技术。若采用6.5 kv的igbt，这种拓扑结构也适用于3 kv的线路。由此可见。同样的变流器拓扑结构及控制策略，能够用在各种电压类型和几乎所有功率范围内的多流制变流器上。例如，在交流和直流750v、1.5 kv以及3kv时，分别使用1.7kv、3.3kv、6.5kv的igbt。
图5 无斩波器的多流制变流器
图6 br189主牵引变流器实物图1999年德国铁路订购的br189型机车是一种四电流制机车。机车采用单轴控制，最高速度为140 km/h，机车设备是按德国及德国以外的欧洲许多国家铁路的运行条件设计的。机车输出功率在ac 15kv16.7 hz和ac 25 kv 50 hz时为6.4mw，在dc 3kv时为6.0mw，在dc 1.5 kv 时为4.2mw。在dc 1.5kv时，牵引电动机是三角形连接，其他电流制时是星形连接。br189 机车的牵引变流器安装在变流器柜中间支架上，每个转向架布置一台变流器柜。在每个变流器柜的左边有水冷装置接口，下部接口为进水，上部为排水。此外，在左边有由机车总线引入的110 v控制母线电缆插头。在侧墙盖板的后面是中间电路电容器，后墙盖板的后面安装了吸收电路电容器和电阻，前面的盖板用四角螺丝刀拧紧，每个上面都有一个接地螺栓。在变流器柜的底部有功率部件导线的接头，变压器上方安装变流器柜的好处是使导线路径变短，可实现较小的电磁辐射。图7是br189 机车一个转向架的牵引变流器电路图，为了尽可能地减小变流器的质量和体积，在交、直流模式下都使用了大容量的无源器件和功率半导体器件。在直流电压运行时，可使脉冲逆变器输入直接与接触网相连，从而没有四象限整流器的功率损失。在所有电压系统中，电制动是再生制动。在直流电网下，还采用附加的电阻制动，此时四象限变流器的一相用作制动斩波器。为便于模块化、标准化生产，同一台牵引变流器的两个四象限变流器和pwm 逆变器采用相同的相构件，并构成一个转向架的牵引变流单元。此外，牵引变流器有两个局部电压中间电路，每个配备有中间电路电容器，但两个局部电压中间电路只设有一个吸收电路，吸收电路由吸收电容器和吸收电路扼流器组成。这种变流器使用6.5 kv 高压igbt模块，采用水冷却，其直流环节电压可高达4.3 kv，工作开关频率可达500 hz，从而使br189机车成为全球首次采用6.5 kv igbt的无斩波器的四电流制变流器机车。
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