雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

丁　懿, 鄒檔兵, 鄭　鋼, 章志兵

(株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南株洲 412001)

目前我國京滬線等國內(nèi)線路開行車次已接近飽和，但仍無法滿足日益增長的鐵路客運(yùn)需求。雙層動(dòng)車組能夠滿足人流量較大的運(yùn)輸需求，緩解客運(yùn)高峰時(shí)的交通運(yùn)輸壓力，成為快速解決軌道交通客運(yùn)壓力的首選途徑。

文中介紹了國外雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)，對牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。對雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提出合理化意見，為我國雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)提供借鑒。

1　國外雙層動(dòng)車組介紹

國外雙層鐵路客車自1870年問世以來，經(jīng)過多年的技術(shù)更新，已形成系列化產(chǎn)品。主要代表車型有日本的新干線E4系列雙層動(dòng)車組、Stadler公司Kiss系列雙層動(dòng)車組等。這幾種典型雙層動(dòng)車組基本參數(shù)如表1。

表1　國外雙層動(dòng)車組參數(shù)

1.1　新干線E4系雙層動(dòng)車組

新干線E4系雙層動(dòng)車組最高運(yùn)行速度為240 km/h，編組為4M4T，單電動(dòng)機(jī)功率為420 kW。整車牽引系統(tǒng)由兩個(gè)動(dòng)力單元組成，牽引設(shè)備集中布置于各單元的動(dòng)車上，每個(gè)單元裝有1臺牽引變壓器、4臺牽引變流器、8臺異步牽引電機(jī)。牽引電機(jī)的控制采用架控的方式，1臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺電機(jī)，提高了動(dòng)力冗余性。采用主輔分離結(jié)構(gòu)，輔助變流器設(shè)置在頭車，每列車2臺輔助變流器。牽引變流器采用三電平的主電路結(jié)構(gòu)，牽引系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D1所示。

1.2　西門子Desiro雙層動(dòng)車組

2008年西門子為瑞士SBB提供60列Desiro雙層動(dòng)車組，供電制式為AC 15 kV/16.7 Hz，最高運(yùn)行速度為160 km/h，編組為2M2T。頭車為動(dòng)車，每節(jié)動(dòng)車配置2臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、4臺異步牽引電機(jī)。牽引變壓器和牽引變流器采用1拖1的方式，1臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)1臺轉(zhuǎn)向架上的2臺電機(jī)。采用主輔分離的電路，輔助變流器安裝在中間拖車上。牽引系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1　E4系雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2　Desiro雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.3　Stadler公司Kiss雙層動(dòng)車組

Stadler是一家瑞士公司，目前已經(jīng)成為軌道車輛供應(yīng)行業(yè)的主要制造商，已向歐洲多個(gè)國家提供Kiss系列雙層動(dòng)車組，涵蓋AC 15 kV/16.7 Hz、DC 3 000 V等多種供電制式和160,200 km/h等速度等級。

以Stadler公司2011年為瑞士SBB公司提供的50列Kiss雙層動(dòng)車組為例，供電制式為AC 15 kV/16.7 Hz，最高運(yùn)行速度為160 km/h，編組為2M4T。頭車為動(dòng)車，每節(jié)動(dòng)車配置2臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、4臺異步牽引電機(jī)。牽引變壓器和牽引變流器采用1拖1的方式，1臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)，1臺轉(zhuǎn)向架上的2臺電機(jī)。牽引變流器采用主輔一體設(shè)計(jì)，有2套完全獨(dú)立的單元，單個(gè)單元最大輸出功率為分750 kW。當(dāng)一路故障時(shí)，不影響另外一路輸出，提高了冗余性。其中單元1包含兩路輔變輸出，一路為定頻、一路為變頻。牽引系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3　Kiss雙層動(dòng)車組主電路拓?fù)?/p>

1.4　龐巴迪Regio2N雙層動(dòng)車組

2009年龐巴迪獲得法國SNCF公司860列Regio2N雙層動(dòng)車組訂單，最高運(yùn)行速度分別為160 km/h和200 km/h(對應(yīng)網(wǎng)壓分別為DC 1 500 V和AC 25 kV)。動(dòng)車組采用單雙層混合編組、鉸接式轉(zhuǎn)向架，牽引設(shè)備布置在單層動(dòng)車的車頂，拖車為雙層。牽引系統(tǒng)采用共中間直流母線的雙流制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交流模式和直流模式的靈活切換和配置。牽引變壓器布置在頭車，與牽引變流器共用一套冷卻裝置。頭車的牽引變流器有多重四象限整流器，為其他動(dòng)車的牽引逆變器和輔助變流器提供穩(wěn)定的中間直流電壓。牽引電機(jī)為永磁同步電機(jī)，牽引逆變器采用軸控的方式，并設(shè)有隔離接觸器。牽引系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

2　雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

雙層動(dòng)車組與傳統(tǒng)分散動(dòng)力、牽引設(shè)備底部安裝的動(dòng)車組存在較大不同，牽引系統(tǒng)設(shè)備一般都安裝在車內(nèi)或車頂，對牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的需求。下面針對上述國外雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1　牽引系統(tǒng)動(dòng)力配置

雙層動(dòng)車組車輛質(zhì)量較單層動(dòng)車組大、動(dòng)車數(shù)量較少，為提高故障工況下動(dòng)力冗余性，國外雙層動(dòng)車組牽引變流器均采用架控的方式，1臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)1臺轉(zhuǎn)向架上的兩臺牽引電機(jī)。其中Kiss系列雙層動(dòng)車組和Regio2N雙層動(dòng)車組均采用軸控的方式，1臺逆變器驅(qū)動(dòng)1臺電機(jī)，動(dòng)力冗余度更高；Desiro雙層動(dòng)車組和Kiss雙層動(dòng)車組的牽引變壓器與牽引變流器采用1拖1的方式，1輛動(dòng)車有兩個(gè)完全獨(dú)立的基本動(dòng)力單元。上述設(shè)計(jì)均有效提高了雙層動(dòng)車組的動(dòng)力冗余性，但設(shè)備數(shù)量、體積和質(zhì)量也有一定增加。

圖4　Regio2N雙層動(dòng)車組主電路拓?fù)?/p>

2.2　牽引變流器主電路拓?fù)?/h3>

雙層動(dòng)車組牽引變流器的結(jié)構(gòu)主要有主輔分離和主輔一體化兩種模式。E4系雙層動(dòng)車組和Desiro雙層動(dòng)車組采用主輔分離的模式，牽引變壓器設(shè)置有單獨(dú)的牽引繞組和輔助繞組。牽引變流器和輔助變流器在電氣結(jié)構(gòu)上完全獨(dú)立、互不影響。但主輔分離模式下，主變流器和輔助變流器單獨(dú)成柜，冷卻系統(tǒng)分開，設(shè)備總體積和總質(zhì)量等顯著增加。

Kiss系列雙層動(dòng)車組和Regio2N雙層動(dòng)車組采用主輔一體模式，輔助變流器集成在牽引變流器柜體中，輔助逆變模塊從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電。主輔一體化模式的牽引系統(tǒng)，輔助變流設(shè)備可以與主變流器共用冷卻、散熱等；同時(shí)輔助變流器不需要設(shè)置單獨(dú)的輔助繞組，也不需要單獨(dú)設(shè)置四象限變流器，設(shè)備的體積、質(zhì)量等大幅降低。

目前牽引變流器主電路拓?fù)鋺?yīng)用最廣泛的兩種結(jié)構(gòu)主要是兩電平和三電平，E4系列雙層動(dòng)車組采用三電平結(jié)構(gòu)，Desiro雙層動(dòng)車組、Kiss系列雙層動(dòng)車組和Regio2N雙層動(dòng)車組采用兩電平結(jié)構(gòu)。兩電平模式下，單個(gè)橋臂的主電路由2個(gè)開關(guān)器件和2個(gè)續(xù)流二極管組成；三電平模式下，單個(gè)橋臂需要的開關(guān)器件數(shù)量翻倍，同時(shí)還需要增加中點(diǎn)鉗位二極管。從控制性能看，三電平模式的主電路輸出電壓、輸出電流的諧波性能更優(yōu)，但開關(guān)器件增多使得控制策略更加復(fù)雜，同時(shí)模塊集成和保護(hù)的難度也加大。因此兩電平模式的主電路應(yīng)用更為廣泛。

E4系雙層動(dòng)車組和Kiss系列雙層動(dòng)車組均采用無二次諧振回路的設(shè)計(jì)，取消二次濾波回路中的電抗器和電容器，減少牽引變流器內(nèi)部器件。同時(shí)通過優(yōu)化四象限整流器和三相逆變器的控制策略，消除直流環(huán)節(jié)二次諧波的影響。

2.3　輕量化設(shè)計(jì)

輕量化的牽引系統(tǒng)有利于降低動(dòng)車組整車質(zhì)量，提升牽引和制動(dòng)性能、降低能耗。雙層動(dòng)車組對車輛質(zhì)量要求更為嚴(yán)格，牽引系統(tǒng)設(shè)備需要盡可能采用輕量化設(shè)計(jì)。目前主要通過主輔一體高度集成設(shè)計(jì)、取消二次諧振回路、優(yōu)化柜體設(shè)計(jì)和新型柜體材料應(yīng)用等途徑來實(shí)現(xiàn)輕量化。

Kiss系列雙層動(dòng)車組牽引變流器采用主輔一體設(shè)計(jì)，主電路無二次諧振回路，采用鋁合金骨架和其他輕量化設(shè)計(jì)，牽引變流器功率密度達(dá)到1.5 MW/t(不含水冷裝置)。1997年即上線運(yùn)營的E4系雙層動(dòng)車組采用主輔分離設(shè)計(jì)，牽引變流器采用三電平、無二次諧振回路的主電路，牽引變流器功率密度為0.7 MW/t(含冷卻系統(tǒng))。

2.4　冷卻系統(tǒng)

雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的緊湊化和集成化要求冷卻裝置具有緊湊性、可靠性、高散熱效率、維護(hù)簡便等特點(diǎn)，需根據(jù)系統(tǒng)散熱需求合理選擇冷卻方式和冷卻系統(tǒng)容量。E4系列雙層動(dòng)車組牽引變流器冷卻采用風(fēng)冷技術(shù)，冷卻風(fēng)從動(dòng)車組車輛端部頂端吸入經(jīng)散熱器從車底排出。Desiro雙層動(dòng)車組和Kiss系列雙層動(dòng)車組牽引變流器采用水冷技術(shù)，冷卻系統(tǒng)單獨(dú)成柜，布置在車內(nèi)機(jī)械室內(nèi)，冷卻風(fēng)從車頂側(cè)部吸入經(jīng)冷卻裝置后從車底排出。Regio2N雙層動(dòng)車組牽引變壓器與牽引變流器共用一套冷卻裝置，有效降低了冷卻裝置的質(zhì)量和體積。

2.5　安裝及可維護(hù)性

雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)設(shè)備安裝在車內(nèi)或車頂，對設(shè)備的安裝和可維護(hù)性設(shè)計(jì)有較高要求。E4系列雙層動(dòng)車組在車體外部設(shè)有安裝門，牽引變壓器和牽引變流器通過安裝門車外安裝；Desiro雙層動(dòng)車組和Kiss系列雙層動(dòng)車組牽引變壓器和牽引變流器從車頂進(jìn)行吊裝；Regio2N雙層動(dòng)車組牽引設(shè)備安裝在車頂，安裝簡單方便。

為方便后期維護(hù)，Desiro雙層動(dòng)車組和Kiss系列雙層動(dòng)車組在安裝牽引設(shè)備的機(jī)械室均設(shè)計(jì)了檢修門，牽引變流器模塊和其他器件可以通過檢修門進(jìn)行維修和更換。

2.6　噪聲和EMC等問題

雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)設(shè)備大多布置在車內(nèi)，對相關(guān)設(shè)備的噪聲控制、EMC指標(biāo)有更嚴(yán)格要求。在采取車體隔聲、降噪措施的同時(shí)，牽引系統(tǒng)在設(shè)計(jì)需考慮通過優(yōu)化電機(jī)控制策略、變流器冷卻方式等方法降低設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。此外針對ECM問題合理選擇整車接地方式和屏蔽抑制措施，如動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，屏蔽層確保可靠雙端接地或多端接地。

Kiss系列雙層動(dòng)車組的輔助變流器有一路變頻輸出用于冷卻風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。此外Kiss系列雙層動(dòng)車組的牽引變流器采用低電壓等級的IGBT，最高開關(guān)頻率可達(dá)2 kHz，輸出波形正弦度較高，能夠提高電機(jī)工作效率、降低噪聲。

3　雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路推薦

綜合比較上面幾種雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)特點(diǎn)，同時(shí)考慮到輕量化、高集成度、高可靠性、安裝維護(hù)方便、技術(shù)成熟度等多種因素，推薦雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路圖

整車采用4M4T的編組型式，整車牽引系統(tǒng)總共包含兩個(gè)動(dòng)力單元，每個(gè)動(dòng)力單元包含1臺牽引變壓器、4臺牽引變流器、8臺異步牽引電機(jī)組成。每臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺電機(jī)。當(dāng)1臺牽引變流器發(fā)生故障時(shí)只損失1/8的動(dòng)力。

牽引變流器采用主輔一體設(shè)計(jì)，主電路采用兩電平模式，取消二次諧振回路。輔助變流器采用高頻化設(shè)計(jì)，用高頻隔離變壓器取代傳統(tǒng)的工頻隔離變壓器。牽引變流器通過車端安裝在車內(nèi)機(jī)械室內(nèi)，柜體采用鋁合金結(jié)構(gòu)。冷卻方式為強(qiáng)迫水冷循環(huán)，冷卻裝置單獨(dú)成柜。冷卻風(fēng)機(jī)為兩級調(diào)速，冷卻風(fēng)從車體側(cè)部吸入經(jīng)冷卻裝置后從車體側(cè)部排出。

4　結(jié)束語

雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可根據(jù)整車性能、可靠性、舒適度、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求進(jìn)行綜合考慮，選擇一種合理的牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是動(dòng)車組成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。隨著新型電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展、鋁合金和碳纖維等新材料應(yīng)用、永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)的成熟、新型牽引變流器的開發(fā)，牽引系統(tǒng)將向高性能、高集成度、高功率密度、高效化等方向發(fā)展。文中對國外雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路進(jìn)行了理論分析和對比，同時(shí)也對牽引系統(tǒng)的主電路進(jìn)行了推薦，對我國雙層動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。