動車組供電系統(tǒng)構(gòu)成及原理探究

（山東職業(yè)學(xué)院,濟(jì)南 250104）

0 引言

接觸網(wǎng)作為動車組的供電電源，一般采用25 kV/50 Hz的單相交流電。利用受電弓將電流傳遞到動車組牽引系統(tǒng)之后，經(jīng)過整流器將單相交流電變換成不同制式的電壓，為動車組提供動力，并為輔助供電系統(tǒng)供電?，F(xiàn)代高速動車組技術(shù)重要的組成部分之一是輔助供電系統(tǒng)，它可以為列車內(nèi)的各負(fù)載提供交流或直流電源，比如空調(diào)、采暖、通風(fēng)、照明、制動、牽引系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、控制單元等部件，從而保證列車安全運(yùn)行，同時提供舒適的乘坐環(huán)境[3]。輔助電源系統(tǒng)、電源分配系統(tǒng)、輔助用電設(shè)備是動車組輔助供電系統(tǒng)的主要組成。

1 CRH系列動車組輔助供電系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 供電電壓

采用兩種制式的供電電壓，即交流380 V/50 Hz、220 V/50 Hz和直流110 V。

1.2 供電模式

輔助變流器是交流供電的電源設(shè)備，供電結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 交流供電結(jié)構(gòu)圖

動車組具有兩個獨(dú)立的牽引單元，每個牽引單元的兩個主變流器同時與本單元的兩個輔助變流器連接，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，保證供電穩(wěn)定性。輔助變流器通過供電母線向整列車輸出AC400 V/50 Hz交流電，聯(lián)網(wǎng)供電。

DC110 V直流供電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

動車組的2個牽引單元各設(shè)1套DC110 V直流供電電源裝置，包括充電機(jī)和蓄電池。其中，蓄電池和充電機(jī)互為冗余設(shè)計(jì)。

直流供電等級分為不間斷供電干線和為母線供電兩級。BD為不間斷供電干線，它與蓄電池直接連接，一般掛接供電要求較高的直流負(fù)荷。L1、L2母線供電則利用接觸器與充電機(jī)和蓄電池連接。

圖2 直流供電結(jié)構(gòu)圖

2 整流和逆變電路分析

圖3 單相橋式逆變電路

整流電路的主要任務(wù)是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。由于動車組供電系統(tǒng)需要的功率一般比較大，所以常采用半橋或者全橋整流電路。橋式整流電路又分為相控整流和PWM脈沖整流兩類。目前較常用的是PWM脈寬調(diào)制技術(shù)整流方式。如圖3所示，電壓型PWM整流器直流側(cè)用電容儲能，工作時，輸入正弦波的正半部分通過兩只電子管，得到正輸出；換到正弦波的負(fù)半部分時，導(dǎo)通另外兩只管，由于兩只管反接，輸出仍是正弦波的正半部分[5]。這種整流技術(shù)具有“雙向傳輸能量”功能，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)切換牽引和再生制動工況。并且具有“低諧波，輕污染”“穩(wěn)定中間直流電路電壓輸出”“單位功率因數(shù)高”等優(yōu)點(diǎn)。

逆變電路利用不同電子器件的組合，通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的通斷，使得輸出交流電。逆變器有多種分類方法，根據(jù)輸出端電源的特點(diǎn)，逆變器分為有源逆變和無源逆變兩種。根據(jù)輸入端電源的特點(diǎn)，可分為電流型和電壓型逆變器等。其工作原理如圖4所示，四個橋臂中每一組橋臂的開關(guān)器件分別同步連通或關(guān)斷，兩組橋臂交替導(dǎo)通180°。這樣電阻R上就可以獲得含有諧波的交流電壓，濾波后即可得到正弦波電壓。

圖4 電壓型單相全橋逆變電路

3 不同車型動車組輔助供電系統(tǒng)構(gòu)成探究

我國現(xiàn)有的動車組車型主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等，由于這幾種車型的主要技術(shù)大多來自不同的國外廠家引進(jìn)，所以其輔助供電系統(tǒng)的構(gòu)成也存在著諸多差異。

3.1 CRH1型動車組輔助供電系統(tǒng)

CRH1型動車組分為3個列車基本單元，簡稱TBU，每個單元包括兩動一拖或者一動一拖，結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。該車型上共安裝了5組輔助變流器，運(yùn)行時，同時將三相交流電輸送給母線。

圖5 CRH1型動車組結(jié)構(gòu)供電系統(tǒng)

該車型的輔助供電系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 CRH1型動車組輔助供電系統(tǒng)

該車型利用交-直-交的供電方式，將受電弓上的25 kV交流電整流為DC1 650 V，然后再經(jīng)過輔助變流器ACM逆變?yōu)?76 V，頻率為50 Hz的交流電，最后經(jīng)過濾波器和輔助變壓器將電壓降至400 V，供給交流母線[1]。三相交流母線和輔助變壓器之間設(shè)計(jì)了三相分離接觸器，防止當(dāng)ACM不工作時，對交流母線和輔助變壓器之間進(jìn)行分離。

3.2 CRH2型動車組輔助供電系統(tǒng)

該車型設(shè)計(jì)了兩套輔助電源裝置，分別裝設(shè)在1號和8號車，任意一套供電設(shè)備出現(xiàn)問題，列車都可以通過另外一套設(shè)備給全列車供電。其供電系統(tǒng)原理框圖如圖7所示。

圖7 CRH2型動車組輔助供電系統(tǒng)

CRH2型車的輔助供電系統(tǒng)能夠輸出多種電壓制式的電能，該系統(tǒng)通過主牽引變壓器將25 kV的電網(wǎng)電壓變換為AC400 V，然后經(jīng)過整流器變換成DC850 V的中間值，再繼續(xù)逆變?yōu)榭煽氐?00 V/50 Hz三相交流電傳送至三相母線上，利用變壓器還可以繼續(xù)轉(zhuǎn)換為AC100 V和AC200 V。其中單相400 V給空調(diào)裝置供電，三相400 V供給空氣壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等大功率器件，DC100 V供給照明、蓄電池等直流器件[2]。

3.3 CRH3型動車組輔助供電系統(tǒng)

CRH3型車采用了直-交的模式進(jìn)行供電，其供電原理如圖8所示。

圖8 CRH3型動車組輔助供電系統(tǒng)

該車型的供電系統(tǒng)最大特點(diǎn)是每節(jié)車廂自帶逆變器，可以將蓄電池中的DC110 V逆變?yōu)锳C220 V，給車廂內(nèi)的照明、插座等提供電能。整體車型設(shè)計(jì)成四動四拖的形式，第2、4、5、7號車為動車，其中2、7號車廂設(shè)計(jì)了160 kV的輔助逆變系統(tǒng)，第4、5號車廂安裝了由兩臺功率為160 kV并聯(lián)而成的雙逆變單元。類似壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等大功率器件的用電直接來源于三相交流母線[4]。

3.4 CRH5型動車組輔助供電系統(tǒng)

該型車的輔助供電系統(tǒng)主要由蓄電池，逆變器、充電機(jī)等組成。和以上幾種車型的輔助供電系統(tǒng)變電方式不同的是，他沒有直接逆變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o交流母線輸出使用。供電系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 CRH5型動車組輔助供電系統(tǒng)

比較CRH3型車，CRH5型車輸出的電壓制式簡單，其中AC400 V主要供給壓縮機(jī)等大功率器件，DC24給低壓直流負(fù)載供電。由于中間的直流電壓過高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，采用了半橋作為前端電路，通過隔離變壓器后，利用全橋輸出直流[6]。

4 小結(jié)

動車組作為高速旅客列車，其行駛的安全性和穩(wěn)定性對于人民生命財(cái)產(chǎn)安全極為重要。通過對幾種常見車型的輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，利用整流和逆變的原理，深入淺出的探究了幾種不同的動車組車型輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，對于改進(jìn)和提升未來高速列車整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，奠定了一定的理論基礎(chǔ)。