某新型城際動車組牽引系統(tǒng)設計研究

趙正虎 丁朝奉

摘要：為了打造標準化、綠色智能化、經(jīng)濟適用型的某新型城際動車組，為國內(nèi)、國際的城際和市域交通市場提供標準化車輛平臺，從分析該新型城際動車組頂層指標出發(fā)，對該車型牽引系統(tǒng)特性、關鍵技術及平臺方案進行了具體的設計研究。

關鍵詞：城際動車;牽引系統(tǒng);獨立架控;主輔一體化

中圖分類號：U266.2? 文獻標志碼：A? 文章編號：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)濟的快速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設步伐的加快，行程在1 h左右的都市圈和區(qū)域經(jīng)濟圈應運而生[1]。而城際動車組以其安全可靠、經(jīng)濟適用、節(jié)能環(huán)保以及便捷舒適等特點，成為城際、市域交通解決方案的最佳選擇。城際動車組能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路與城市軌道交通的駁接，構建軌道交通綜合立體網(wǎng)，促進城市群與區(qū)域經(jīng)濟的健康、持續(xù)發(fā)展。

文獻[2]重點分析了城際動車組牽引的能力、要素，并對CRH6系列城際動車組牽引系統(tǒng)平臺方案進行了對比說明。文獻[3]從總體頂層設計角度分析了速度為140 km/h的4編組城際市域動車組設計方案。本文在上述研究的基礎上，打造了一個標準化、平臺化、部件模塊化、通用化，能減少產(chǎn)品種類，實現(xiàn)不同技術平臺車輛統(tǒng)型的城際、市域車輛平臺，具有重要的現(xiàn)實意義和成本優(yōu)勢。

1? ? 總體設計指標

城際動車組具有大載客量、長線路持續(xù)高速運行、短站間距快啟快停、頻繁啟停、大坡道啟動5個方面的特點[2]。本文以時速160 km、編組方式為Tc+Mp+Mp+Tc的4編組列車為研究對象，根據(jù)城際線路的特點，通過分析調(diào)研確定該城際列車設計的頂層指標，具體如表1所示。

2? ? 牽引系統(tǒng)設備

2.1? ? 牽引系統(tǒng)方案

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

2.2? ? 牽引系統(tǒng)性能

根據(jù)列車總體頂層設計指標中的牽引性能需求，在確保可用軌道粘著系數(shù)、轉(zhuǎn)向架安裝空間及牽引電機轉(zhuǎn)速的情況下，計算確定齒輪傳動比為4.316，牽引電機啟動扭矩為2 520 N·m，單電機最大輸出功率為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)有復興號高速動車組高壓系統(tǒng)（AC25 kV）供電電路，車頂上設有兩架電弓，運行時采用單弓受流，在接觸網(wǎng)供電時，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，高壓貫通母線設置電流互感器，用于故障檢測。高壓電路圖如圖3所示。

3? ? 主輔一體化變流器

文獻[4]重點討論了城際動車組主輔一體化變流器的電路原理、主要技術特點及核心關鍵技術，本文所設計的城際動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，但完全采用獨立架空設計，兩個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、充電機與強迫水冷循環(huán)風冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了模塊化、輕量化、集成化、通用化及方便維護的設計要求。

3.1? ? 主電路形式

主輔一體化變流器通過牽引變壓器二次側(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)構簡單，所需開關器件數(shù)量少，控制難度小，是目前國內(nèi)外動車組技術主流的電路結(jié)構[4]。經(jīng)過綜合考慮，主輔一體化變流器主電路采用技術成熟的兩電平電路設計，主電路結(jié)構如圖4所示。

變流器采用主輔一體化設計，牽引部分由兩個完全獨立的供電單元組成，每個供電單元包含一組四象限PWM整流器和VVVF逆變器，并設置了充電短接回路、斬波回路、固定放電回路、接地檢測電路。每個供電單元向一個轉(zhuǎn)向架的兩臺牽引電機供電。兩重四象限互相錯開一定的相位角度，減小對電網(wǎng)的諧波污染。牽引變流器采用無二次諧振回路設計，控制方式為獨立架控（非共中間直流回路架控）。由一個供電單元的直流環(huán)節(jié)給輔助逆變器供電，經(jīng)過逆變、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充電機供電，充電機輸出穩(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

經(jīng)仿真計算可知，該新型城際動車組啟動加速度（0→40 km/h）為0.8 m/s2，平均加速度（0→140 km/h）為0.36 m/s2，滿足列車頂層設計指標要求。牽引變流器采用主輔一體化、獨立架控結(jié)構以及高冗余性、模塊化的設計理念，方便各部件單元在線更換、檢修和維護工作的開展，為城際、市域列車標準化車輛平臺的打造提供了關鍵系統(tǒng)通用化設計方案，節(jié)約了研發(fā)、采購成本，降低了運營風險。

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

[3] 李智國，王學亮.速度140 km/h 4編組城際市域動車組[J].鐵道機車與動車，2017（12）：17-19.

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

收稿日期：2021-11-30

作者簡介：趙正虎（1986—），男，甘肅會寧人，高級工程師，研究方向：牽引輔助系統(tǒng)及車載儲能。