新型動(dòng)車組牽引集成單元

沈晟+衛(wèi)鋼+連蓉

摘 要：文中介紹了新型動(dòng)車組牽引集成單元的結(jié)構(gòu)、原理及主要技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)講述了牽引集成單元的參數(shù)仿真驗(yàn)證，分析了牽引集成單元的特點(diǎn)及創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：軌道交通；高速列車；牽引裝置；技術(shù)參數(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-0048-03

0 引 言

鐵路總公司重視專線長(zhǎng)交路、夕發(fā)朝至、高舒適性的臥鋪動(dòng)車開行方案。臥鋪動(dòng)車適合中長(zhǎng)途旅客出行需要，是鐵路客運(yùn)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)模式。京滬、京津等鐵路干線繁忙區(qū)間和重要短途鐵路的開行車次已經(jīng)飽和，在不增加開行車次、不消耗過多人力、不增加額外費(fèi)用的前提下，急需通過開行雙層動(dòng)車組來(lái)提高運(yùn)能。

客流量最大、覆蓋經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)的京滬、京津高速列車，其檢修、維護(hù)費(fèi)用占年運(yùn)營(yíng)總費(fèi)用的70%以上，并且動(dòng)車組一次性采購(gòu)費(fèi)用高，致使運(yùn)營(yíng)單位虧損嚴(yán)重，目前這個(gè)問題困擾著各鐵路局。節(jié)假日、春運(yùn)等短期客流高峰造成的運(yùn)量不平衡問題可通過靈活擴(kuò)編列車來(lái)解決。既有動(dòng)車組定點(diǎn)修和故障修需占用整列車，檢修周期長(zhǎng)、檢備率高。急需實(shí)現(xiàn)故障列車快捷換修，降低列車檢備率。

基于以上原因，十分有必要研制出一種可改變編組、便捷換掛拖車、動(dòng)力單元完全互換、明顯提高定員的新型動(dòng)車組。而牽引集成單元是該動(dòng)車組能否實(shí)現(xiàn)以上功能的關(guān)鍵[1，2]。

1 牽引集成單元的結(jié)構(gòu)

牽引集成單元將所有牽引動(dòng)力設(shè)備以集成單元的形式集中裝配在一個(gè)動(dòng)力車底部，即將牽引變壓器、牽引輔助變流器、冷卻系統(tǒng)集成為一體化的動(dòng)車組牽引裝置。牽引集成單元外形示意圖如圖1所示。

1.1 牽引輔助變流器

牽引變流器主要由兩個(gè)四象限整流器和兩個(gè)逆變器組成。兩個(gè)整流器分別由牽引變壓器的兩個(gè)二次繞組供電，每臺(tái)逆變器為兩臺(tái)并聯(lián)的牽引電機(jī)供電[3]。

輔助變流器從中間回路取電，輸出3相AC 380 V，50 Hz電壓。

1.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)為牽引輔助變流器和牽引變壓器共用的冷卻裝置，為它們提供溫度、壓力適宜的循環(huán)冷卻介質(zhì)，為牽引變壓器、牽引輔助變流器安全可靠運(yùn)行提供工作條件。

1.3 牽引變壓器

牽引變壓器為牽引集成單元的供電裝置，根據(jù)電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)降壓并傳輸電能，將25 kV網(wǎng)壓降至所需的輸出電壓1 430 V給牽引集成單元供電。

2 牽引集成單元的基本工作原理

動(dòng)車組受電弓從25 kV的接觸網(wǎng)獲得電能，通過牽引變壓器降壓后供給四象限整流器，四象限整流器將牽引變壓器二次側(cè)單相交流電轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)要求的中間環(huán)節(jié)直流電。中間直流環(huán)節(jié)的直流電通過牽引逆變器，在牽引控制單元的控制下向牽引電動(dòng)機(jī)提供電壓、頻率可調(diào)的電源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的牽引制動(dòng)和速度調(diào)節(jié)。輔助變流器從牽引變流器的中間直流回路取電，經(jīng)逆變器、LC濾波、變壓器降壓后輸出3 相AC 380 V/50 Hz交流電，輔助變流器并聯(lián)運(yùn)行為車上的輔助負(fù)載供電[4]。牽引集成單元原理圖如圖2所示。

3 牽引集成單元主要技術(shù)參數(shù)

牽引部分的額定輸入電壓為25 kV，額定輸入電流為81.4 A，額定頻率為50 Hz，額定輸出容量為1 905 kVA，輸出電壓為3相AC 0～2 150 V，輸出頻率范圍為0～230 Hz，冷卻方式為水冷。

輔助部分的額定輸出容量為230 kVA，額定輸入電壓為DC2 800 V，額定輸出電壓為3相AC 380 V，輸出頻率為50Hz，總諧波畸變<5%，冷卻方式為水冷。

控制電源的額定電壓為DC 110 V，電壓范圍為77V～137.5 V。

外形尺寸為7 000 mm×3 068 mm×720 mm，重量約為7000 kg，車底安裝。

整車的總體指標(biāo)要求：牽引變流器應(yīng)能夠保證動(dòng)車組的每一個(gè)牽引單元在額定功率時(shí)的電流畸變率小于6.5%；單個(gè)牽引集成單元發(fā)揮額定功率時(shí)的等效干擾電流（Jp）<2.5 A。

經(jīng)試驗(yàn)，牽引變壓器一次側(cè)電流的THD為1.08%，符合整車指標(biāo)要求。基于以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到等效干擾電流Jp=0.665 7 A，符合指標(biāo)要求。

5 牽引集成單元的特點(diǎn)及創(chuàng)新性

5.1 牽引裝置高度集成

所有牽引動(dòng)力裝置采用集成化設(shè)計(jì)思想，采用一體化的整體頂部框架將各設(shè)備集成在一起，整體進(jìn)行管路設(shè)計(jì)、電氣、機(jī)械連接。整體拆卸、整體維護(hù)。

5.2 使動(dòng)車組靈活編組成為可能

既有動(dòng)力組均為動(dòng)力分散性動(dòng)車組，編組順序是固定的，各牽引動(dòng)力設(shè)備零散的分布在各動(dòng)力車底部，不能靈活編組。

與動(dòng)力分散性動(dòng)車組不同，裝配有牽引集成單元的新型動(dòng)車組頭部動(dòng)力車配受電弓，可單車運(yùn)行。所有中間動(dòng)力車的形式完全一樣，可單車互換。具備互換性的動(dòng)力車和拖車可任意編組，使動(dòng)車組具備靈活編組的特點(diǎn)。

5.3 提高動(dòng)車組運(yùn)能及舒適性

新型動(dòng)車組拖車下不掛任何設(shè)備，為雙層座椅客車，雙層臥鋪客車節(jié)省了大量空間，使雙層客車的設(shè)計(jì)成為可能，不僅明顯提高了運(yùn)能且增加了雙層客車的舒適性。

5.4 降低檢修成本

配備有牽引集成單元的新型動(dòng)車組能夠方便摘解、換掛，因此縮短了臨修時(shí)間，通過備用少量動(dòng)力車能夠壓縮高級(jí)修周期，提高固定資產(chǎn)利用率。

6 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)車組牽引集成單元的研制在國(guó)內(nèi)沒有先例，目前已知國(guó)外西門子公司做過樣機(jī)。本文提出的概念、原理、技術(shù)參數(shù)以及仿真驗(yàn)證在原理設(shè)計(jì)上是可行的。但要真正轉(zhuǎn)化為工程化產(chǎn)品依然存在著不小的難度。車下空間有限，留給牽引集成單元的設(shè)計(jì)目標(biāo)尺寸非常苛刻，在如此狹小的空間內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、走線設(shè)計(jì)以及工藝保證都存在不小的難度。盡管如此，我們也應(yīng)該在動(dòng)車組牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)集成化領(lǐng)域進(jìn)行有益嘗試，為搶占技術(shù)制高點(diǎn)提供先機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]丁叁叁，張忠敏，何丹爐，等.城際動(dòng)車組總體技術(shù)設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2014（6）：10-15.

[2]梁建英，王松文，丁叁叁，等.我國(guó)城際軌道交通及發(fā)展[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2014（6）：65-68.

[3]章志兵，張志學(xué)，姚中紅.CRH2型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器諧波研究機(jī)電感設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2012（2）：65-69.

[4]劉建強(qiáng).高速列車電氣系統(tǒng)技術(shù)講座第二講高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)[J].電力電子，2011（3）：56-62.