動車組無火回送發(fā)電功能的原理分析

摘 要：動車組在無火回送途中要求受電弓降下，主斷路器斷開，此時動車組無法從接觸網(wǎng)采集電能，動車組的空調(diào)、室內(nèi)照明等輔助供電系統(tǒng)無法正常工作，為解決這一問題，需要通過無火回送單元來為列車供電。本文就無火回送發(fā)電功能的原理進行分析，為動車組無火回送發(fā)電的實現(xiàn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動車組；無火回送發(fā)電；組成；原理；理念分析

1 引言

動車組在運營過程中難免會出現(xiàn)一些故障導(dǎo)致動車組無動力輸出，此時需要最大限度提高旅客舒適度，滿足旅客要求，減少經(jīng)濟損失。無火回送發(fā)電裝置是一種全新的車載設(shè)備，能夠滿足動車組無動力回送過程中輔助供電系統(tǒng)的用電需求。

無火回送是鐵路行業(yè)的專業(yè)術(shù)語，其產(chǎn)生的背景是：鐵路動車組或機車運行到規(guī)定的里程后要回到主機廠進行大修，按規(guī)定是由機車牽引運行到目的地，這就產(chǎn)生了跨局運輸?shù)膯栴}，由于各鐵路局是單獨核算的，無火回送就要對機車編制票據(jù)，按普通車輛辦理，沿途各鐵路局要對機車所屬局收取相關(guān)的運輸費用。因為過去的蒸汽機車正常運行時是生火的，而回送入廠時是需要熄火的，所以叫做無火回送，一直沿用到現(xiàn)在?，F(xiàn)在中國鐵路運行的都是內(nèi)燃機車、電力機車和高速列車，無火回送時內(nèi)燃機車不啟動柴油機，電力機車和高速列車不升弓，也就是說車輛處于無動力輸出狀態(tài)。

為了解決動車組在無火回送途中輔助供電系統(tǒng)的用電需求，通過無火回送裝置將蓄電池提供的110V直流電進行升壓、逆變，為牽引電機提供預(yù)勵磁電壓，控制牽引電機工作在發(fā)電狀態(tài)，維持牽引變流器中間直流回路電壓的恒定，為輔助供電系統(tǒng)提供所需要的電量。

2 無火回送發(fā)電單元的組成

動車組牽引變流器中的PRCHK和DC/DC模塊構(gòu)成了無火回送發(fā)電單元。無火回送發(fā)電單元中的DC/DC是一個升壓斬波器，他能夠?qū)?10V的蓄電池電壓升壓為400V；圖中的單向二極管設(shè)置在牽引變流器中間回路與DC/DC模塊之間，可以起到防止?fàn)恳兞髌髦虚g回路的電流反向流入DC/DC模塊的作用。

3 無火回送發(fā)電原理

目前主輔一體牽引變流器通過增加專用的無火回送單元給中間直流回路進行充電后再對電機進行勵磁，實現(xiàn)無火回送發(fā)電功能。在無火回送過程中當(dāng)列車到達一定速度時，無火回送單元中的升壓斬波器將蓄電池提供的110V直流電升壓至直流400V，給牽引變流器的中間直流回路進行預(yù)充電，牽引逆變器對牽引電機進行預(yù)勵磁。能量從蓄電池經(jīng)過無火回送單元進行升壓，進入中間直流回路，被牽引電機預(yù)勵磁產(chǎn)生的磁滯損耗和銅耗消耗掉。當(dāng)牽引電機建立預(yù)勵磁磁場后，關(guān)閉回送發(fā)電電源，牽引逆變器工作在中間電壓保持模式，通過控制牽引電機的轉(zhuǎn)矩電流，維持中間直流電壓的恒定。牽引電機工作在電制狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，為輔助變流器提供直流電壓。能量從牽引電機經(jīng)過牽引逆變器變?yōu)橹绷麟姡诮?jīng)過三相輔助逆變器流向輔助負載。

4 無火回送發(fā)電裝置進入速度及退出速度的設(shè)置理念分析

4.1 速度設(shè)置的理念

無火回送發(fā)電功能的進入和退出主要依賴于列車的實際速度，為此如何確定進入和退出時刻的速度門檻值顯得尤為重要。

4.2 進入速度設(shè)置的門檻值

無火回送單元給牽引變流器的中間直流回路進行充電，牽引變流器控制利用該中間電壓（400V）儲存的能量對牽引電機進行勵磁，勵磁成功以后牽引電機轉(zhuǎn)入再生制動發(fā)電的工況，再生制動產(chǎn)生的能量為中間直流回路提供能量，確保輔助變流器正常工作。由于在牽引電機勵磁的時候需要中間直流回路為其提供能量，因此會導(dǎo)致中間直流回路的400V電壓產(chǎn)生跌落現(xiàn)象，勵磁成功后的牽引電機向中間直流回路反饋能量抬升中間直流電壓。根據(jù)公式 ，速度越低，牽引電機的功率越低，向中間直流回路反饋的能量越少，無法抬升中間電壓，導(dǎo)致無火回送的失敗。

根據(jù)地面試驗情況的總結(jié)，為確保各車的牽引電機都能在勵磁成功后順利轉(zhuǎn)為發(fā)電模式，維持住中間直流電壓的穩(wěn)定，保證輔助供電設(shè)備的正常運行，設(shè)置無火回送進入的速度為55km/h。

4.3 退出速度設(shè)置的門檻值

無火回送的退出速度是根據(jù)整車最大再生制動力和輔助功率來進行計算的，公式如下： 。式中P為整車所需輔助功率，F(xiàn)為再生制動力，v為整車速度，η為系統(tǒng)效率（包括電機效率、齒輪箱效率、變流器效率等）。由公式可知，當(dāng)整車的輔助功率一定的情況下，速度越低，再生制動力越大。根據(jù)對無火回送時所需輔助功率和整車再生制動力曲線的研究，當(dāng)速度低于35km/h時，再生制動力超過再生制動曲線，即電機無法發(fā)揮所需制動力來維持輔助變流器的運行，需退出無火回送模式。

5 結(jié)束語

無火回送發(fā)電單元使列車在被牽引達到一定的速度且無網(wǎng)側(cè)輸入時投入，它利用車載蓄電池提供的能量，對直流母線做快速且水平有限的預(yù)充電，保證牽引逆變器能啟動，并對電機進行預(yù)磁化后退出工作，電機馬上轉(zhuǎn)入制動狀態(tài)，利用列車被拖動時產(chǎn)生的機械能，將直流母線持續(xù)充電至正常水平，啟動輔助逆變器，給輔助設(shè)備供電。

通過對動車組無火回送發(fā)電功能的原理分析，為動車組無火回送過程中自發(fā)電功能的實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。確保了動車組在無火回送途中空調(diào)、室內(nèi)照明等輔助供電系統(tǒng)的正常工作。

參考文獻：

[1] 劉錦波，張承慧.電機與拖動[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 羅昭強，尚大為，亢磊. 無火回送裝置在動車組上的應(yīng)用[J].《鐵道技術(shù)監(jiān)督》，2017年第11期：42-44.

[3] 高吉磊.高速動車組牽引系統(tǒng)無動力回送發(fā)電功能的研究[J].《機車電傳動》，2017年第1期：46-50.

作者簡介：

李曉棟（1989-）男，漢族，山西省晉中市平遙縣岳壁鄉(xiāng)閻良村，檢修服務(wù)事業(yè)部技術(shù)部診斷工程師/初級職稱，大學(xué)本科，中車青島四方機車車輛股份有限公司，CRH2/380A型動車組檢修。