某新型城際動(dòng)車組牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙正虎 丁朝奉

摘要：為了打造標(biāo)準(zhǔn)化、綠色智能化、經(jīng)濟(jì)適用型的某新型城際動(dòng)車組，為國(guó)內(nèi)、國(guó)際的城際和市域交通市場(chǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)化車輛平臺(tái)，從分析該新型城際動(dòng)車組頂層指標(biāo)出發(fā)，對(duì)該車型牽引系統(tǒng)特性、關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)方案進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車;牽引系統(tǒng);獨(dú)立架控;主輔一體化

中圖分類號(hào)：U266.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0038-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.011

0? ? 引言

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，行程在1 h左右的都市圈和區(qū)域經(jīng)濟(jì)圈應(yīng)運(yùn)而生[1]。而城際動(dòng)車組以其安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保以及便捷舒適等特點(diǎn)，成為城際、市域交通解決方案的最佳選擇。城際動(dòng)車組能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路與城市軌道交通的駁接，構(gòu)建軌道交通綜合立體網(wǎng)，促進(jìn)城市群與區(qū)域經(jīng)濟(jì)的健康、持續(xù)發(fā)展。

文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)分析了城際動(dòng)車組牽引的能力、要素，并對(duì)CRH6系列城際動(dòng)車組牽引系統(tǒng)平臺(tái)方案進(jìn)行了對(duì)比說(shuō)明。文獻(xiàn)[3]從總體頂層設(shè)計(jì)角度分析了速度為140 km/h的4編組城際市域動(dòng)車組設(shè)計(jì)方案。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，打造了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化、部件模塊化、通用化，能減少產(chǎn)品種類，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)平臺(tái)車輛統(tǒng)型的城際、市域車輛平臺(tái)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和成本優(yōu)勢(shì)。

1? ? 總體設(shè)計(jì)指標(biāo)

城際動(dòng)車組具有大載客量、長(zhǎng)線路持續(xù)高速運(yùn)行、短站間距快啟快停、頻繁啟停、大坡道啟動(dòng)5個(gè)方面的特點(diǎn)[2]。本文以時(shí)速160 km、編組方式為Tc+Mp+Mp+Tc的4編組列車為研究對(duì)象，根據(jù)城際線路的特點(diǎn)，通過(guò)分析調(diào)研確定該城際列車設(shè)計(jì)的頂層指標(biāo)，具體如表1所示。

2? ? 牽引系統(tǒng)設(shè)備

2.1? ? 牽引系統(tǒng)方案

列車采用4編組、2動(dòng)2拖型式，為動(dòng)力分散型交流傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引系統(tǒng)采用獨(dú)立架控方式，主要由牽引變壓器、主輔一體化變流器、牽引電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，整車配置2臺(tái)牽引變壓器、2臺(tái)牽引輔助一體化變流器、8臺(tái)牽引電機(jī)，具體如圖1所示。

2.2? ? 牽引系統(tǒng)性能

根據(jù)列車總體頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)中的牽引性能需求，在確?？捎密壍勒持禂?shù)、轉(zhuǎn)向架安裝空間及牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，計(jì)算確定齒輪傳動(dòng)比為4.316，牽引電機(jī)啟動(dòng)扭矩為2 520 N·m，單電機(jī)最大輸出功率為321 kW，整車最大牽引輸出功率為2 520 kW。依據(jù)上述計(jì)算參數(shù)繪制的牽引特性曲線如圖2所示。

2.3? ? 高壓系統(tǒng)

高壓系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有復(fù)興號(hào)高速動(dòng)車組高壓系統(tǒng)（AC25 kV）供電電路，車頂上設(shè)有兩架電弓，運(yùn)行時(shí)采用單弓受流，在接觸網(wǎng)供電時(shí)，一架受電弓升起給牽引回路供電，另一架受電弓則折疊備用，高壓貫通母線設(shè)置電流互感器，用于故障檢測(cè)。高壓電路圖如圖3所示。

3? ? 主輔一體化變流器

文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)討論了城際動(dòng)車組主輔一體化變流器的電路原理、主要技術(shù)特點(diǎn)及核心關(guān)鍵技術(shù)，本文所設(shè)計(jì)的城際動(dòng)車組變流器同樣采用主輔一體化變流器，主電路為AC-DC-AC形式，但完全采用獨(dú)立架空設(shè)計(jì)，兩個(gè)逆變器單元互不影響，箱體集成了四象限整流模塊、中間電路、主變模塊、輔變模塊、充電機(jī)與強(qiáng)迫水冷循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模塊化、輕量化、集成化、通用化及方便維護(hù)的設(shè)計(jì)要求。

3.1? ? 主電路形式

主輔一體化變流器通過(guò)牽引變壓器二次側(cè)輸出的三相AC950 V供電，主電路采用AC-DC-AC形式。兩電平電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需開關(guān)器件數(shù)量少，控制難度小，是目前國(guó)內(nèi)外動(dòng)車組技術(shù)主流的電路結(jié)構(gòu)[4]。經(jīng)過(guò)綜合考慮，主輔一體化變流器主電路采用技術(shù)成熟的兩電平電路設(shè)計(jì)，主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

變流器采用主輔一體化設(shè)計(jì)，牽引部分由兩個(gè)完全獨(dú)立的供電單元組成，每個(gè)供電單元包含一組四象限PWM整流器和VVVF逆變器，并設(shè)置了充電短接回路、斬波回路、固定放電回路、接地檢測(cè)電路。每個(gè)供電單元向一個(gè)轉(zhuǎn)向架的兩臺(tái)牽引電機(jī)供電。兩重四象限互相錯(cuò)開一定的相位角度，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。牽引變流器采用無(wú)二次諧振回路設(shè)計(jì)，控制方式為獨(dú)立架控（非共中間直流回路架控）。由一個(gè)供電單元的直流環(huán)節(jié)給輔助逆變器供電，經(jīng)過(guò)逆變、降壓和濾波后輸出三相AC380 V。從輔助逆變電路輸出的穩(wěn)定的三相AC380 V電壓經(jīng)三相電抗器、EMC濾波器給DC110 V充電機(jī)供電，充電機(jī)輸出穩(wěn)定的DC110 V電源作為列車控制電源并給蓄電池充電。

3.2? ? 主輔一體化變流器主要參數(shù)

主輔一體化變流器主要參數(shù)如表2所示。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)仿真計(jì)算可知，該新型城際動(dòng)車組啟動(dòng)加速度（0→40 km/h）為0.8 m/s2，平均加速度（0→140 km/h）為0.36 m/s2，滿足列車頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。牽引變流器采用主輔一體化、獨(dú)立架控結(jié)構(gòu)以及高冗余性、模塊化的設(shè)計(jì)理念，方便各部件單元在線更換、檢修和維護(hù)工作的開展，為城際、市域列車標(biāo)準(zhǔn)化車輛平臺(tái)的打造提供了關(guān)鍵系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了研發(fā)、采購(gòu)成本，降低了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

[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] 焦京海，曹江，劉江濤，等.城際動(dòng)車組牽引系統(tǒng)研制[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（3）：5-9.

[3] 李智國(guó)，王學(xué)亮.速度140 km/h 4編組城際市域動(dòng)車組[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2017（12）：17-19.

[4] 李華，榮智林，忻力，等.城際動(dòng)車組主輔一體變流器的開發(fā)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（6）：15-17.

收稿日期：2021-11-30

作者簡(jiǎn)介：趙正虎（1986—），男，甘肅會(huì)寧人，高級(jí)工程師，研究方向：牽引輔助系統(tǒng)及車載儲(chǔ)能。