動(dòng)車組輔助系統(tǒng)工作原理分析和研究

趙磊

摘要：自經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展，我國動(dòng)車組輔助技術(shù)得到了較好的發(fā)展，但也存在著一些問題，主要是因?yàn)楫?dāng)前的各類輔助電源，是以單機(jī)運(yùn)行的方式，為滿足運(yùn)行需求一般會(huì)選擇大容量的逆變器，進(jìn)而無法保障逆變器的可靠性。加之未能掌握整流逆變技術(shù)的核心原理，導(dǎo)致部分零部件造價(jià)較高，提升了動(dòng)車使用成本，難以滿足國產(chǎn)化需求。本文主要闡述動(dòng)車組輔助系統(tǒng)工作原理分析和研究，詳細(xì)分析如下。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；輔助系統(tǒng)；工作原理

1國內(nèi)和諧號(hào)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)概述

動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)主要包括：主電路、控制電路、輔助電路三部分。輔助電路是由各種電線路、電氣設(shè)備、輔助電源組成，通過分析電路系統(tǒng)的構(gòu)成可得知，動(dòng)車組行車必須用電負(fù)荷，不僅包括上述主要電路部分，還包含了各個(gè)電壓等級(jí)電源、電負(fù)荷等，以此構(gòu)成列車輔助電路。

供電輔助系統(tǒng)能夠?yàn)閯?dòng)車組的高速運(yùn)行提供保障，為乘客的出行提供便捷，為乘務(wù)員的工作提供支持。據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，我國機(jī)車輔助電路一般應(yīng)用的是旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)供電形式，但在實(shí)際應(yīng)用中，這類供電方式的弊端較大，比如：噪音大、供電效率不足等，且供電電網(wǎng)的恒定性不足。目前，國內(nèi)和諧號(hào)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)類型主要如下。

國內(nèi)和諧號(hào)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)主要包括：CRH2動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)、CRH3動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)、CRH1動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)、CRH5動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)。

2動(dòng)車組輔助系統(tǒng)工作原理分析和研究

2.1車輛輔助系統(tǒng)主要元件的特征

相比牽引系統(tǒng)而言，輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，其主要職責(zé)是負(fù)責(zé)城市軌道交通的電流控制，所以其主要功能單元都與電流存在直接關(guān)聯(lián)。首先是由多個(gè)單體定壓蓄電池構(gòu)成的蓄電池組，提升蓄電能力的同時(shí)充分滿足城市軌道交通運(yùn)行方面的需求，同時(shí)也是車輛運(yùn)行電壓和電流的有效控制途徑；其次是DC/DC變換器，也將其稱之為蓄電池充電器，其根本作用是向城市軌道交通車輛提供其運(yùn)行所需的直流電。一般而言，各城市軌道交通都會(huì)安裝2個(gè)或者以上的蓄電池充電器；最后是DC/AC逆變器，也可將其稱作輔助逆變器，屬于城市軌道交通的輔助電源，可通過其將交流電給予城市軌道交通車輛內(nèi)部的所有電器。

2.2輔助電源技術(shù)

2.2.1輔助供電系統(tǒng)

本文按照CRH系列動(dòng)車組常見的兩個(gè)單元、八輛編組的形式，編組形式與CRH3相似，供電系統(tǒng)與CRH2動(dòng)車組相似。引用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范主要包括：IEC77-68電力牽引設(shè)備規(guī)則；GB-3317-82電力機(jī)車通用技術(shù)；IEC146-2半導(dǎo)體自動(dòng)轉(zhuǎn)向變流器；UIC550客車供電裝置；IEC571-2機(jī)車電子設(shè)備；GB1461-83標(biāo)準(zhǔn)鐵軌、鐵路機(jī)車車輛界限；IEC1287-1機(jī)車車輛電力變流器；UIC555客車電氣照明；IEC850牽引系統(tǒng)供電電壓；TB1126-87機(jī)車控制與照明電路電壓。

2.2.2電力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保障動(dòng)車組動(dòng)力均勻分布、動(dòng)車組配重均勻，實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的簡化，需要綜合考慮各項(xiàng)因素。應(yīng)用某動(dòng)車組編組形式，擬定設(shè)計(jì)的動(dòng)車組為八輛車、兩個(gè)單元組成，每個(gè)單元均設(shè)置有兩個(gè)動(dòng)車與兩個(gè)拖車，某一單元設(shè)置為M-T-M-T，另一個(gè)單元?jiǎng)t設(shè)置為T-M-T-M。

動(dòng)車組上每個(gè)單元均設(shè)置1臺(tái)主變壓器輔助繞組，將其作為本單元的輔助供電系統(tǒng)。為保障動(dòng)車組機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在每個(gè)單元內(nèi)設(shè)置有2套逆變器、110V供電電源、2套輔助整流器。輔助整流器、逆變器選擇一動(dòng)一拖的供電形式，在其中一套整流器與逆變器故障時(shí)，另一套依舊可承擔(dān)電力供應(yīng)。

2.2.3輔助系統(tǒng)參數(shù)

為保障制造成本，輔助系統(tǒng)零部件，一般選擇國產(chǎn)部件，設(shè)置對(duì)應(yīng)的供電形式。若輔助機(jī)選擇三相400V供電形式，控制系統(tǒng)與照明系統(tǒng)選擇DC110V供電形式。為滿足通用化需求，一般列車電茶爐、插座選擇單相220V供電。

輔助系統(tǒng)負(fù)載容量確定：

牽引電機(jī)坑卻風(fēng)電機(jī)容量：

P風(fēng)壓代表的是全壓，單位：Pa，牽引電機(jī)要求為2000Pa；Q屬于風(fēng)量，單位：m3/h，兩臺(tái)牽引機(jī)風(fēng)量為3000m3/h，風(fēng)量（Q）為3600/s；K屬于容量儲(chǔ)備，一般取值1.20；η屬于全壓效率，取值0.70；η1屬于機(jī)械效率，取值1.0。本文大氣壓取值102kPa，重力加速度取值9.8N/kg。因此，Pw=2.86kW。在設(shè)置階段，需要綜合考慮逆變器對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)供電產(chǎn)生的損耗，功率最大取值為4kW，在Mc車與M車上設(shè)置2臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，則電機(jī)容量為8kW。

空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)：排氣量參數(shù)V，取值1.5m3/min；壓縮級(jí)數(shù)Z，取值為1.0；吸氣壓力P1，取值為1.01bar；絕熱壓縮指數(shù)K，取值1.40；排氣壓力P2，取值為10bar。1bar/min=1.667kPa/s。

輔助系統(tǒng)包括：4臺(tái)輔助系統(tǒng)整流裝置；4套110V供電電源及蓄電池組；4臺(tái)輔助系統(tǒng)逆變器；輔助系統(tǒng)電纜母排、輔助系統(tǒng)電氣配電柜。輔助系統(tǒng)選擇交-直-交的供電形式，沿用了CRH2系統(tǒng)動(dòng)車組的低成本、高效率特點(diǎn)，可吸取各個(gè)類型動(dòng)車組的優(yōu)點(diǎn)。

2.3輔助供電裝置

2.3.1PWM整流器

為實(shí)現(xiàn)整流電路功率因數(shù)的提升，一般選擇PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)目前在交流變頻調(diào)速、不間斷電源內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。整流電路由PWM控制，促使輸入電流與電流相位、電壓相位相等，功率因數(shù)值為1。

單相變換器電路一般選擇的是單相交流電源、直流負(fù)載、儲(chǔ)能器、變換器組成，其中儲(chǔ)能器不僅可與直流負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行、還可與直流負(fù)載串聯(lián)運(yùn)行。無能量的損耗與儲(chǔ)存，經(jīng)變后的能量全部輸出：

輸出直流負(fù)載電流：

由此可見，頻率是電網(wǎng)頻率的2倍。

單相PWM電壓型整流器，本身屬于升壓型整流器，在實(shí)際應(yīng)用中具有結(jié)構(gòu)簡單、有源逆變的特點(diǎn)，但在運(yùn)行階段，對(duì)直流側(cè)電壓的要求較高。單相整流器類型包括：全橋PWM整流器、半橋PWM整流器、降壓式PWM整流器。

2.3.2PWM逆變器

逆變器選擇PWM技術(shù)，與整流器作用相反，借助直流電，可實(shí)現(xiàn)逆變器功率器件開通作用與關(guān)斷作用，實(shí)現(xiàn)交流電的轉(zhuǎn)換。一般逆變器實(shí)物轉(zhuǎn)換，具備很多的諧波成分，會(huì)產(chǎn)生波形差。只有將其中的諧波成分濾去，才可實(shí)現(xiàn)交流低通濾波。

逆變器電能轉(zhuǎn)換功率最為理想的運(yùn)行為不存在脈動(dòng)，且運(yùn)行階段直流電壓波形與直流電流波形是不會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。在實(shí)際的電路運(yùn)行中，由于逆變器的數(shù)量有限，其功率P屬于脈動(dòng)，期間直流電壓為恒電源。

2.3.3直流斬波器

直流斬波器可將直接直流電轉(zhuǎn)換為另一種直流電，直流斬波調(diào)控技術(shù)，本身屬于一種性能較高的技術(shù)。在直流電壓變換電路內(nèi)，輸入電源為直流電，就開關(guān)元件而言，電流屬于無自然過零點(diǎn)，元器件的切換可借助強(qiáng)迫換流措施實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

綜上所述，本文就各種類型的動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)開展了分析，在原本的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了全新改進(jìn)方案，在詳細(xì)計(jì)算中獲得了整流器參數(shù)與逆變器參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升，保障列車穩(wěn)定運(yùn)行。

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（作者單位：北京鐵路集團(tuán)天津動(dòng)車客車段天津動(dòng)車所）