動(dòng)車組輔助系統(tǒng)工作原理分析和研究

李加偉

【摘 要】文章主要對(duì)動(dòng)車組輔助系統(tǒng)進(jìn)行分析，并探討相應(yīng)輔助系統(tǒng)工作原理，希望通過文章的論述能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供一些幫助。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組；輔助系統(tǒng)；供電系統(tǒng)；供電系統(tǒng)

為不斷提高動(dòng)車組產(chǎn)品的技術(shù)含量、產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低采購及檢修成本，對(duì)現(xiàn)有動(dòng)車組輔助系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展選型與國產(chǎn)化，包括動(dòng)車組輔助系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、改進(jìn)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證等多方面內(nèi)容。

一、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)。

二、動(dòng)車組輔助系統(tǒng)工作原理分析

2.1動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)

高速鐵路因其速度快、能耗低、安全可靠等各種優(yōu)勢(shì)在中國得到了很好的發(fā)展。近年來，中國建設(shè)的高鐵網(wǎng)將國內(nèi)各經(jīng)濟(jì)板塊連接在一起，大大降低了經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的時(shí)間成本，為中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。動(dòng)車組的輔助電源系統(tǒng)（auxiliarypowerunit，APU）負(fù)責(zé)向車中各類常規(guī)用電設(shè)備進(jìn)行供電，并負(fù)責(zé)在整流后供給車上各電壓等級(jí)的直流設(shè)備，同時(shí)，車上留給乘客的插座也由APU負(fù)責(zé)。不同于應(yīng)用在電網(wǎng)中的絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備，APU功能強(qiáng)大且體積龐大，應(yīng)用于動(dòng)車組APU的絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備功能精簡(jiǎn)，絕緣等級(jí)不高，且不需要超遠(yuǎn)距離的通信方式，同時(shí)車體空間狹小，這也要求設(shè)備具有更小的體積。動(dòng)車組APU系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地的三相三線制系統(tǒng)（IT系統(tǒng)）。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，系統(tǒng)仍然可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，但其余兩相的對(duì)地電壓會(huì)增大為原來的槡3倍，增大了導(dǎo)線絕緣部分的壓力；若又有一相線路發(fā)生接地短路故障，系統(tǒng)將產(chǎn)生兩相接地短路，造成動(dòng)車組斷電，中途停車。這不但會(huì)阻礙同一線路后續(xù)列車的行駛，降低鐵路運(yùn)輸效率，而且會(huì)危及乘客的人身安全，甚至?xí)o我國的經(jīng)濟(jì)造成不良影響[1]。

2.2輔助供電裝置

第一，PWM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。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(jiǎn)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。第二，PWM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。第三，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)。

2.3輔助空壓機(jī)裝置

輔助空壓機(jī)裝置（以下簡(jiǎn)稱裝置）適用于CRH2/CRH380A型動(dòng)車組，裝置吊裝于車底，主要用于受電弓的供風(fēng)控制、高壓設(shè)備箱內(nèi)真空斷路器（VCB）動(dòng)作控制及接地保護(hù)開關(guān)（EGS）的通斷控制。它在車輛運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)主儲(chǔ)風(fēng)缸（MR）內(nèi)壓縮空氣壓力不足的情況下，作為提升受電弓和接通真空斷路器（VCB）而提供壓縮空氣的氣源。裝置由控制模塊和風(fēng)源模塊兩大部分組成。風(fēng)源模塊在車輛受電弓降下、總風(fēng)壓力未達(dá)到VCB閉合條件時(shí)（一般在車輛出庫前），通過蓄電池供電（DC70V～125V），運(yùn)行裝置風(fēng)源模塊的無油壓縮機(jī)供風(fēng)，將受電弓升起，為整車提供動(dòng)力電?？刂颇K監(jiān)測(cè)裝置升弓風(fēng)缸內(nèi)的氣壓壓力，控制輔助壓縮機(jī)啟停，同時(shí)輸出信號(hào)作為VCB閉合或斷開條件；在車輛運(yùn)行過程中，接收控制信號(hào)，通過電磁閥為受電弓升弓、接地保護(hù)開關(guān)斷合提供壓縮空氣；在需要進(jìn)行試驗(yàn)操作時(shí)，可通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)受電弓、接地保護(hù)開關(guān)供風(fēng)及接地保護(hù)開關(guān)狀態(tài)確認(rèn)；在檢修操作前，可通過操作鑰匙箱實(shí)現(xiàn)連鎖功能，防止受電弓上升及接地保護(hù)開關(guān)斷開，保障操作人員安全。為驗(yàn)證裝置是否滿足擴(kuò)展選型技術(shù)要求，委托第三方進(jìn)行相關(guān)型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置重量明顯較原車產(chǎn)品輕，裝置的邏輯、氣動(dòng)性能滿足技術(shù)條件要求。裝置順利通過了高低溫試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、噪音測(cè)試、壓縮空氣質(zhì)量測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求[2]。

2.4高頻化輔助變流系統(tǒng)

以CRH1、CRH3、CRH5、HXD1、HXD2為代表的主輔一體結(jié)構(gòu)，從牽引變流器中間直流側(cè)取電，經(jīng)三相逆變器和高阻抗工頻變壓器降壓、濾波后輸出，相比較主輔分離式存在過無電區(qū)短時(shí)失電以及不利于與牽引變流器集成等缺陷，已成為動(dòng)車組與電力機(jī)車輔助供電主流方案。輕量化、小型化是輔助供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展主題和綜合水平的體現(xiàn)?，F(xiàn)有的主輔一體式均采用體積龐大的工頻變壓器，占輔助整機(jī)重量的30%～40%。如果將變壓器工作頻率提高至幾十kHz，可極大減小重量與體積，再結(jié)合高頻DC/DC變換及軟開關(guān)技術(shù)得到穩(wěn)定低壓直流，進(jìn)行逆變輸出，實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)變流、降壓、隔離三大基本功能。輔助高頻化技術(shù)在直流DC750/1500V供電的地鐵、輕軌車輛上，三菱電機(jī)、Siemens、SMA、Knorr-Bremse等設(shè)備廠家均有相應(yīng)產(chǎn)品已裝車運(yùn)行，但在動(dòng)車與機(jī)車上還尚未有成熟應(yīng)用。Knorr-Bremse公司的城軌輔助變流系統(tǒng)整機(jī)功率密度和體積密度可分別達(dá)到0.29kW/kg、188kW/m3，相比于此，動(dòng)車或機(jī)車的工頻輔助系統(tǒng)目前功率密度僅約0.19kW/kg，未來還有很大的提升空間。此外，動(dòng)車或機(jī)車的輔助功率較大，中間直流側(cè)電壓較高，考慮固有的二倍頻波動(dòng)，中間直流電壓最高可達(dá)4kV，因此，兩者主電路拓?fù)湟泊嬖谝欢ú町愋浴Ｒ獙?shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)高壓直流至低壓交流的高頻隔離變換，可行的主電路基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)依次包括前級(jí)斬波穩(wěn)壓、中間高頻隔離、后級(jí)逆變?yōu)V波三個(gè)環(huán)節(jié)，其中，斬波穩(wěn)壓和高頻隔離環(huán)節(jié)將高壓直流隔離降壓至DC800V左右供給后級(jí)逆變環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)AC380V/50Hz或AC440V/60Hz交流輸出，供給全車輔機(jī)。

三、結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)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，有助于列車的穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李向超，馮繼營(yíng).CRH380A型動(dòng)車組輔助電源供電分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（10）：54-56.

[2]劉建強(qiáng)，郭懷龍，杜會(huì)謙，等.CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015，37（11）：44-51.