新型動車組牽引集成單元

沈晟+衛鋼+連蓉

摘 要：文中介紹了新型動車組牽引集成單元的結構、原理及主要技術參數，重點講述了牽引集成單元的參數仿真驗證，分析了牽引集成單元的特點及創新性。

關鍵詞：軌道交通；高速列車；牽引裝置；技術參數

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0048-03

0 引 言

鐵路總公司重視專線長交路、夕發朝至、高舒適性的臥鋪動車開行方案。臥鋪動車適合中長途旅客出行需要，是鐵路客運強有力的競爭模式。京滬、京津等鐵路干線繁忙區間和重要短途鐵路的開行車次已經飽和，在不增加開行車次、不消耗過多人力、不增加額外費用的前提下，急需通過開行雙層動車組來提高運能。

客流量最大、覆蓋經濟最發達地區的京滬、京津高速列車，其檢修、維護費用占年運營總費用的70%以上，并且動車組一次性采購費用高，致使運營單位虧損嚴重，目前這個問題困擾著各鐵路局。節假日、春運等短期客流高峰造成的運量不平衡問題可通過靈活擴編列車來解決。既有動車組定點修和故障修需占用整列車，檢修周期長、檢備率高。急需實現故障列車快捷換修，降低列車檢備率。

基于以上原因，十分有必要研制出一種可改變編組、便捷換掛拖車、動力單元完全互換、明顯提高定員的新型動車組。而牽引集成單元是該動車組能否實現以上功能的關鍵[1，2]。

1 牽引集成單元的結構

牽引集成單元將所有牽引動力設備以集成單元的形式集中裝配在一個動力車底部，即將牽引變壓器、牽引輔助變流器、冷卻系統集成為一體化的動車組牽引裝置。牽引集成單元外形示意圖如圖1所示。

1.1 牽引輔助變流器

牽引變流器主要由兩個四象限整流器和兩個逆變器組成。兩個整流器分別由牽引變壓器的兩個二次繞組供電，每臺逆變器為兩臺并聯的牽引電機供電[3]。

輔助變流器從中間回路取電，輸出3相AC 380 V，50 Hz電壓。

1.2 冷卻系統

冷卻系統為牽引輔助變流器和牽引變壓器共用的冷卻裝置，為它們提供溫度、壓力適宜的循環冷卻介質，為牽引變壓器、牽引輔助變流器安全可靠運行提供工作條件。

1.3 牽引變壓器

牽引變壓器為牽引集成單元的供電裝置，根據電磁感應原理實現降壓并傳輸電能，將25 kV網壓降至所需的輸出電壓1 430 V給牽引集成單元供電。

2 牽引集成單元的基本工作原理

動車組受電弓從25 kV的接觸網獲得電能，通過牽引變壓器降壓后供給四象限整流器，四象限整流器將牽引變壓器二次側單相交流電轉變成系統要求的中間環節直流電。中間直流環節的直流電通過牽引逆變器，在牽引控制單元的控制下向牽引電動機提供電壓、頻率可調的電源，實現動車組的牽引制動和速度調節。輔助變流器從牽引變流器的中間直流回路取電，經逆變器、LC濾波、變壓器降壓后輸出3 相AC 380 V/50 Hz交流電，輔助變流器并聯運行為車上的輔助負載供電[4]。牽引集成單元原理圖如圖2所示。

3 牽引集成單元主要技術參數

牽引部分的額定輸入電壓為25 kV，額定輸入電流為81.4 A，額定頻率為50 Hz，額定輸出容量為1 905 kVA，輸出電壓為3相AC 0～2 150 V，輸出頻率范圍為0～230 Hz，冷卻方式為水冷。

輔助部分的額定輸出容量為230 kVA，額定輸入電壓為DC2 800 V，額定輸出電壓為3相AC 380 V，輸出頻率為50Hz，總諧波畸變<5%，冷卻方式為水冷。

控制電源的額定電壓為DC 110 V，電壓范圍為77V～137.5 V。

外形尺寸為7 000 mm×3 068 mm×720 mm，重量約為7000 kg，車底安裝。

整車的總體指標要求：牽引變流器應能夠保證動車組的每一個牽引單元在額定功率時的電流畸變率小于6.5%；單個牽引集成單元發揮額定功率時的等效干擾電流（Jp）<2.5 A。

經試驗，牽引變壓器一次側電流的THD為1.08%，符合整車指標要求。基于以上數據，計算得到等效干擾電流Jp=0.665 7 A，符合指標要求。

5 牽引集成單元的特點及創新性

5.1 牽引裝置高度集成

所有牽引動力裝置采用集成化設計思想，采用一體化的整體頂部框架將各設備集成在一起，整體進行管路設計、電氣、機械連接。整體拆卸、整體維護。

5.2 使動車組靈活編組成為可能

既有動力組均為動力分散性動車組，編組順序是固定的，各牽引動力設備零散的分布在各動力車底部，不能靈活編組。

與動力分散性動車組不同，裝配有牽引集成單元的新型動車組頭部動力車配受電弓，可單車運行。所有中間動力車的形式完全一樣，可單車互換。具備互換性的動力車和拖車可任意編組，使動車組具備靈活編組的特點。

5.3 提高動車組運能及舒適性

新型動車組拖車下不掛任何設備，為雙層座椅客車，雙層臥鋪客車節省了大量空間，使雙層客車的設計成為可能，不僅明顯提高了運能且增加了雙層客車的舒適性。

5.4 降低檢修成本

配備有牽引集成單元的新型動車組能夠方便摘解、換掛，因此縮短了臨修時間，通過備用少量動力車能夠壓縮高級修周期，提高固定資產利用率。

6 結 語

動車組牽引集成單元的研制在國內沒有先例，目前已知國外西門子公司做過樣機。本文提出的概念、原理、技術參數以及仿真驗證在原理設計上是可行的。但要真正轉化為工程化產品依然存在著不小的難度。車下空間有限，留給牽引集成單元的設計目標尺寸非常苛刻，在如此狹小的空間內，結構設計、散熱設計、走線設計以及工藝保證都存在不小的難度。盡管如此，我們也應該在動車組牽引電傳動系統集成化領域進行有益嘗試，為搶占技術制高點提供先機。

參考文獻

[1]丁叁叁，張忠敏，何丹爐，等.城際動車組總體技術設計[J].機車電傳動，2014（6）：10-15.

[2]梁建英，王松文，丁叁叁，等.我國城際軌道交通及發展[J].機車電傳動，2014（6）：65-68.

[3]章志兵，張志學，姚中紅.CRH2型動車組網側變流器諧波研究機電感設計[J].機車電傳動，2012（2）：65-69.

[4]劉建強.高速列車電氣系統技術講座第二講高速列車牽引傳動系統[J].電力電子，2011（3）：56-62.