動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的優(yōu)化

孫敏

摘 要：本文主要通過介紹分析國內(nèi)外多個(gè)動(dòng)車組車型的輔助供電系統(tǒng)，了解我國CRH型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)及構(gòu)成，分析比較優(yōu)劣得出能夠改善我國動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的思路及理念。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;輔助供電系統(tǒng);技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們交通出行需求的不斷增加，高速列車技術(shù)在我國受到很大的歡迎。由于我國的相關(guān)技術(shù)相對于歐美國家來說，起步晚，所以技術(shù)不夠成熟。目前鐵路線上運(yùn)行的主要車型，其來源大多來自引進(jìn)日本川崎公司、法國阿爾斯公司、德國西門子公司等國外的技術(shù)。目前來說，急需一批高水平的鐵路人才，能夠創(chuàng)造出具有自主技術(shù)，自主品牌高速動(dòng)車組。輔助牽引供電系統(tǒng)就是這些復(fù)雜的技術(shù)組成中，一項(xiàng)尤為重要的技術(shù)之一。

1 動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

主電路、輔助電路、控制電路是動(dòng)車組的三大電路構(gòu)成，其中輔助電路的作用是保障高速列車上各個(gè)用電設(shè)備的正常工作，維持車內(nèi)乘客乘坐環(huán)境的用電安全。為了保證供電的效率，降低供電噪音，輸出穩(wěn)定可靠對稱的三相電壓以供負(fù)載使用，我國動(dòng)車組車型采用了變流器整流的方式向輔助系統(tǒng)供電。這種變流器的供電方式一方面降低了供電噪音，提高了乘客舒適度。另一方面使得輸出的三相電壓更加穩(wěn)定和對稱，牽引供電網(wǎng)壓的波動(dòng)比較小，是未來高速列車輔助供電電路發(fā)展的趨勢。

2 國外動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

歷史上投入使用最早的高速鐵路是日本的新干線鐵路，歷經(jīng)50多年的技術(shù)發(fā)展，其列車車速由220km/h提高到了300km/h。以新干線動(dòng)車為例，采用了動(dòng)力分散的供電方式，一方面降低列車的軸重，運(yùn)行時(shí)耗能更少，另一方面取消單獨(dú)機(jī)車牽引，增大客運(yùn)量。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，日本的動(dòng)車組由原來的直流傳動(dòng)方式，改進(jìn)成了交-直-交的牽引模式，提高了傳動(dòng)電壓，同時(shí)采用了大功率電力電子半導(dǎo)體器件以及先進(jìn)的控制技術(shù)。這一系列的技術(shù)改進(jìn)，大大的提高了列車運(yùn)行的安全性，并且逐步發(fā)展到了現(xiàn)在的時(shí)速達(dá)300km/h的動(dòng)車組。

分析新干線動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可以看出，輔助電源裝置由四部分構(gòu)成，分別是高頻恒壓發(fā)生裝置、整流裝置、交流恒壓裝置和變壓裝置。高頻恒壓發(fā)生裝置將供電網(wǎng)的具有波動(dòng)性的交流電壓轉(zhuǎn)換成恒定的高頻交流電壓。該電壓經(jīng)過整流裝置后，轉(zhuǎn)換成100v穩(wěn)定的直流電壓。利用交流恒壓裝置，將直流電逆變，得到60hz電壓為100v的交流電，最后利用變壓裝置，將交流電維持在100v供給負(fù)載。為了提高整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，負(fù)載被分為一個(gè)個(gè)單獨(dú)用電的設(shè)備，便于模塊化的設(shè)計(jì)和維修，降低了對電源的要求。

3 國內(nèi)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

我國鐵路線上使用的動(dòng)車組車型主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5系列。

3.1 CRH1型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

該車型的輔助供電系統(tǒng)采用直-交型的供電方式。通過主變流器輸入直流電壓，到輔助變流器，輸出兩路380v和110v的電壓。供給車上空調(diào)、照明、用水設(shè)備等使用。如圖所示，三相交流電經(jīng)過處理后到達(dá)母線，給輔助供電系統(tǒng)提供400v/50hz三相交流電。為了保證列車運(yùn)行的可靠性和安全性，在一個(gè)單元中設(shè)計(jì)了兩套相同的設(shè)備。

3.2 CRH2型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

CRH2型動(dòng)車組是我國在引進(jìn)了日本新干線動(dòng)車組技術(shù)后，制造生產(chǎn)出來的，包括CRH2-200和CRH2-300兩種系列。該型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)由牽引變壓器輔助繞組取得電源，經(jīng)輸入變壓器、輔助整流器和pwm逆變器、單相變壓器轉(zhuǎn)換，提供不同電壓等級的供電。輔助供電系統(tǒng)的核心是兩套輔助電源裝置APU。APU通過交-直-交的變流方式輸出交流電給輔助設(shè)備使用。

3.3 CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

CRH3型動(dòng)車組是參考德國西門子的ICE3動(dòng)車組制造生產(chǎn)的。其輔助供電系統(tǒng)采用直-交的方式，牽引變流器TRC提供輸入電源，輔助變流器ACU以及雙輔助變流器D-ACU對蓄電池充電機(jī)BC供電，輔助變流器和雙輔助變流器將變流后的電源輸入到三相母線上，每個(gè)車廂都可以通過單相變壓器取用三相交流母線的相電壓。

3.4 CRH5型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)

CRH5型動(dòng)車組技術(shù)來自法國的SM3型列車，其輔助供電系統(tǒng)采用直-交方式向機(jī)車上的負(fù)載提供電源。其供電流程如下：

輔助變流器ACU由斬波器、逆變器和輔助濾波器組成，前級斬波降壓，后級逆變和高頻整流。在無故障時(shí)，列車中有5個(gè)輔助變流器給負(fù)載提供電源。當(dāng)其中一個(gè)變流器出現(xiàn)故障，其他幾個(gè)可以保證負(fù)載的正常運(yùn)行。當(dāng)故障數(shù)量較多時(shí)，變流器會(huì)按照優(yōu)先性原則，對負(fù)載電源進(jìn)行分配。

4 小結(jié)

分析比較國內(nèi)外幾種典型的動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，可以看出在交-直-交的供電方式中，電能的轉(zhuǎn)換效率更高，但是也存在脈動(dòng)和諧波影響電壓的耦合，以及負(fù)載獲取的用電電壓波動(dòng)范圍大，影響用電設(shè)備壽命等缺點(diǎn)。而直-交型供電方式在牽引變壓器的輔助繞組中進(jìn)行了簡化，但在降壓時(shí)，由于電壓較高，導(dǎo)致輔助系統(tǒng)反而更加復(fù)雜。在旅客舒適度和列車運(yùn)行穩(wěn)定方面，直-交式輔助系統(tǒng)在變流器出現(xiàn)故障時(shí)，依然可以維持必須的列車供電系統(tǒng)。所以，提高動(dòng)車組供電技術(shù)的主要任務(wù)還是改進(jìn)變流技術(shù)，提高供電電源的穩(wěn)定性，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

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本文主要內(nèi)容，基于山東職業(yè)學(xué)院2019年度院級科研課題：動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)研究與優(yōu)化。編號KY-XY-201911