動車組輔助系統工作原理分析和研究

李加偉

【摘 要】文章主要對動車組輔助系統進行分析，并探討相應輔助系統工作原理，希望通過文章的論述能夠為相關工作人員提供一些幫助。

【關鍵詞】動車組；輔助系統；供電系統；供電系統

為不斷提高動車組產品的技術含量、產品質量和性能，降低采購及檢修成本，對現有動車組輔助系統進行了擴展選型與國產化，包括動車組輔助系統的集成設計、關鍵零部件設計、改進優化與試驗驗證等多方面內容。

一、動車組輔助供電系統概述

動車組輔助供電系統主要包括：主電路、控制電路、輔助電路三部分。輔助電路是由各種電線路、電氣設備、輔助電源組成，通過分析電路系統的構成可得知，動車組行車必須用電負荷，不僅包括上述主要電路部分，還包含了各個電壓等級電源、電負荷等，以此構成列車輔助電路。供電輔助系統能夠為動車組的高速運行提供保障，為乘客的出行提供便捷，為乘務員的工作提供支持。據相關報道顯示，我國機車輔助電路一般應用的是旋轉劈相機供電形式，但在實際應用中，這類供電方式的弊端較大，比如：噪音大、供電效率不足等，且供電電網的恒定性不足。目前，國內和諧號動車組輔助供電系統類型主要如下。國內和諧號動車組輔助供電系統主要包括：CRH2動車組輔助供電系統、CRH3動車組輔助供電系統、CRH1動車組輔助供電系統、CRH5動車組輔助供電系統。

二、動車組輔助系統工作原理分析

2.1動車組輔助電源系統

高速鐵路因其速度快、能耗低、安全可靠等各種優勢在中國得到了很好的發展。近年來，中國建設的高鐵網將國內各經濟板塊連接在一起，大大降低了經濟活動的時間成本，為中國的經濟發展做出了巨大的貢獻。動車組的輔助電源系統（auxiliarypowerunit，APU）負責向車中各類常規用電設備進行供電，并負責在整流后供給車上各電壓等級的直流設備，同時，車上留給乘客的插座也由APU負責。不同于應用在電網中的絕緣監測設備，APU功能強大且體積龐大，應用于動車組APU的絕緣監測設備功能精簡，絕緣等級不高，且不需要超遠距離的通信方式，同時車體空間狹小，這也要求設備具有更小的體積。動車組APU系統是中性點不接地的三相三線制系統（IT系統）。當IT系統發生單相接地短路時，系統仍然可以帶故障運行一段時間，但其余兩相的對地電壓會增大為原來的槡3倍，增大了導線絕緣部分的壓力；若又有一相線路發生接地短路故障，系統將產生兩相接地短路，造成動車組斷電，中途停車。這不但會阻礙同一線路后續列車的行駛，降低鐵路運輸效率，而且會危及乘客的人身安全，甚至會給我國的經濟造成不良影響[1]。

2.2輔助供電裝置

第一，PWM整流器。為實現整流電路功率因數的提升，一般選擇PWM控制技術。PWM控制技術目前在交流變頻調速、不間斷電源內得到了廣泛應用。單相PWM電壓型整流器，本身屬于升壓型整流器，在實際應用中具有結構簡單、有源逆變的特點，但在運行階段，對直流側電壓的要求較高。單相整流器類型包括：全橋PWM整流器、半橋PWM整流器、降壓式PWM整流器。第二，PWM逆變器逆變器選擇PWM技術，與整流器作用相反，借助直流電，可實現逆變器功率器件開通作用與關斷作用，實現交流電的轉換。一般逆變器實物轉換，具備很多的諧波成分，會產生波形差。只有將其中的諧波成分濾去，才可實現交流低通濾波。第三，直流斬波器。直流斬波器可將直接直流電轉換為另一種直流電，直流斬波調控技術，本身屬于一種性能較高的技術。在直流電壓變換電路內，輸入電源為直流電，就開關元件而言，電流屬于無自然過零點，元器件的切換可借助強迫換流措施實現。

2.3輔助空壓機裝置

輔助空壓機裝置（以下簡稱裝置）適用于CRH2/CRH380A型動車組，裝置吊裝于車底，主要用于受電弓的供風控制、高壓設備箱內真空斷路器（VCB）動作控制及接地保護開關（EGS）的通斷控制。它在車輛運行準備時主儲風缸（MR）內壓縮空氣壓力不足的情況下，作為提升受電弓和接通真空斷路器（VCB）而提供壓縮空氣的氣源。裝置由控制模塊和風源模塊兩大部分組成。風源模塊在車輛受電弓降下、總風壓力未達到VCB閉合條件時（一般在車輛出庫前），通過蓄電池供電（DC70V～125V），運行裝置風源模塊的無油壓縮機供風，將受電弓升起，為整車提供動力電。控制模塊監測裝置升弓風缸內的氣壓壓力，控制輔助壓縮機啟停，同時輸出信號作為VCB閉合或斷開條件；在車輛運行過程中，接收控制信號，通過電磁閥為受電弓升弓、接地保護開關斷合提供壓縮空氣；在需要進行試驗操作時，可通過手動操作實現受電弓、接地保護開關供風及接地保護開關狀態確認；在檢修操作前，可通過操作鑰匙箱實現連鎖功能，防止受電弓上升及接地保護開關斷開，保障操作人員安全。為驗證裝置是否滿足擴展選型技術要求，委托第三方進行相關型式試驗。試驗結果表明，裝置重量明顯較原車產品輕，裝置的邏輯、氣動性能滿足技術條件要求。裝置順利通過了高低溫試驗、沖擊振動試驗、防護等級試驗、電磁兼容試驗、噪音測試、壓縮空氣質量測試等試驗項點，均滿足標準及技術條件要求[2]。

2.4高頻化輔助變流系統

以CRH1、CRH3、CRH5、HXD1、HXD2為代表的主輔一體結構，從牽引變流器中間直流側取電，經三相逆變器和高阻抗工頻變壓器降壓、濾波后輸出，相比較主輔分離式存在過無電區短時失電以及不利于與牽引變流器集成等缺陷，已成為動車組與電力機車輔助供電主流方案。輕量化、小型化是輔助供電系統技術發展主題和綜合水平的體現。現有的主輔一體式均采用體積龐大的工頻變壓器，占輔助整機重量的30%～40%。如果將變壓器工作頻率提高至幾十kHz，可極大減小重量與體積，再結合高頻DC/DC變換及軟開關技術得到穩定低壓直流，進行逆變輸出，實現輔助系統變流、降壓、隔離三大基本功能。輔助高頻化技術在直流DC750/1500V供電的地鐵、輕軌車輛上，三菱電機、Siemens、SMA、Knorr-Bremse等設備廠家均有相應產品已裝車運行，但在動車與機車上還尚未有成熟應用。Knorr-Bremse公司的城軌輔助變流系統整機功率密度和體積密度可分別達到0.29kW/kg、188kW/m3，相比于此，動車或機車的工頻輔助系統目前功率密度僅約0.19kW/kg，未來還有很大的提升空間。此外，動車或機車的輔助功率較大，中間直流側電壓較高，考慮固有的二倍頻波動，中間直流電壓最高可達4kV，因此，兩者主電路拓撲也存在一定差異性。要實現輔助系統高壓直流至低壓交流的高頻隔離變換，可行的主電路基本結構，應依次包括前級斬波穩壓、中間高頻隔離、后級逆變濾波三個環節，其中，斬波穩壓和高頻隔離環節將高壓直流隔離降壓至DC800V左右供給后級逆變環節，實現AC380V/50Hz或AC440V/60Hz交流輸出，供給全車輔機。

三、結語

綜上所述，通過對各種類型的動車組輔助供電系統開展了分析，在原本的設計基礎上，提出了全新改進方案，在詳細計算中獲得了整流器參數與逆變器參數，可實現系統運行效率的提升，有助于列車的穩定運行。

【參考文獻】

[1]李向超，馮繼營.CRH380A型動車組輔助電源供電分析[J].物聯網技術，2013（10）：54-56.

[2]劉建強，郭懷龍，杜會謙，等.CRH3型動車組輔助供電系統可靠性研究[J].鐵道學報，2015，37（11）：44-51.