动车组辅助系统工作原理分析和研究

动车组辅助系统工作原理分析和研究

田元

武汉高速铁路职业技能训练段 湖北 武汉 430000

摘要：自经济全球化发展,我国动车组辅助技术得到了较好的发展,但也存在着一些问题,主要是因为当前的各类辅助电源,是以单机运行的方式,为满足运行需求一般会选择大容量的逆变器,进而无法保障逆变器的可靠性。加之未能掌握整流逆变技术的核心原理,导致部分零部件造价较高,提升了动车使用成本,难以满足国产化需求。

关键词：动车组；辅助系统；工作原理

对动车组进行分析可知，其类型为动力分散交流传动动车组，动车组在CRH2C型平台支持下，在列车速度与性能方面均得到了大幅提升。其中，作为动车组的重要组成部分，辅助供电系统不仅关系着乘客乘坐列车的舒适程度，而且对于列车的正常运行也具有重要影响。因此，为确保动车组能够长时间稳定运行，加强对其辅助供电系统的研究已成为当前铁路运输部门和相关技术部门需要着重开展的关键工作。

1国内和谐号动车组辅助供电系统概述

动车组辅助供电系统主要包括:主电路、控制电路、辅助电路三部分。辅助电路是由各种电线路、电气设备、辅助电源组成,通过分析电路系统的构成可得知,动车组行车必须用电负荷,不仅包括上述主要电路部分,还包含了各个电压等级电源、电负荷等,以此构成列车辅助电路。供电辅助系统能够为动车组的高速运行提供保障,为乘客的出行提供便捷,为乘务员的工作提供支持。据相关报道显示,我国机车辅助电路一般应用的是旋转劈相机供电形式,但在实际应用中,这类供电方式的弊端较大,比如:噪音大、供电效率不足等,且供电电网的恒定性不足。目前,国内和谐号动车组辅助供电系统类型主要如下。国内和谐号动车组辅助供电系统主要包括:CRH2动车组辅助供电系统、CRH3动车组辅助供电系统、CRH1动车组辅助供电系统、CRH5动车组辅助供电系统。

2动车组辅助系统工作原理分析和研究

2.1辅助电源技术

2.1.1辅助供电系统

本文按照CRH系列动车组常见的两个单元、八辆编组的形式,编组形式与CRH3相似,供电系统与CRH2动车组相似。引用的技术标准与规范主要包括:IEC77-68电力牵引设备规则;GB-3317-82电力机车通用技术;IEC146-2半导体自动转向变流器;UIC550客车供电装置;IEC571-2机车电子设备;GB1461-83标准铁轨、铁路机车车辆界限;IEC1287-1机车车辆电力变流器;UIC555客车电气照明;IEC850牵引系统供电电压;TB1126-87机车控制与照明电路电压。

2.1.2电力结构设计

为保障动车组动力均匀分布、动车组配重均匀,实现电路结构的简化,需要综合考虑各项因素。应用某动车组编组形式,拟定设计的动车组为八辆车、两个单元组成,每个单元均设置有两个动车与两个拖车,某一单元设置为M-T-M-T,另一个单元则设置为T-M-T-M。

动车组上每个单元均设置1台主变压器辅助绕组,将其作为本单元的辅助供电系统。为保障动车组机械设备的稳定运行,在每个单元内设置有2套逆变器、110V供电电源、2套辅助整流器。辅助整流器、逆变器选择一动一拖的供电形式,在其中一套整流器与逆变器故障时,另一套依旧可承担电力供应。

2.1.3辅助系统参数

为保障制造成本,辅助系统零部件,一般选择国产部件,设置对应的供电形式。若辅助机选择三相400V供电形式,控制系统与照明系统选择DC110V供电形式。为满足通用化需求,一般列车电茶炉、插座选择单相220V供电。

辅助系统负载容量确定:

牵引电机坑却风电机容量:

P风压代表的是全压,单位:Pa,牵引电机要求为2000Pa;Q属于风量,单位:m3/h,两台牵引机风量为3000m3/h,风量(Q)为3600/s;K属于容量储备,一般取值1.20;η属于全压效率,取值0.70;η1属于机械效率,取值1.0。本文大气压取值102kPa,重力加速度取值9.8N/kg。因此,Pw=2.86kW。在设置阶段,需要综合考虑逆变器对冷却风机电机供电产生的损耗,功率最大取值为4kW,在Mc车与M车上设置2台冷却风机,则电机容量为8kW。

空压机电动机:排气量参数V,取值1.5m3/min;压缩级数Z,取值为1.0;吸气压力P1,取值为1.01bar;绝热压缩指数K,取值1.40;排气压力P2,取值为10bar。1bar/min=1.667kPa/s。

辅助系统包括:4台辅助系统整流装置;4套110V供电电源及蓄电池组;4台辅助系统逆变器;辅助系统电缆母排、辅助系统电气配电柜。辅助系统选择交-直-交的供电形式,沿用了CRH2系统动车组的低成本、高效率特点,可吸取各个类型动车组的优点。

2.2辅助供电装置

2.2.1PWM整流器

整流本身是将交流电转换为直流电,如下图1所示。

图1整流系统结构示意图

为实现整流电路功率因数的提升,一般选择PWM控制技术。PWM控制技术目前在交流变频调速、不间断电源内得到了广泛应用。整流电路由PWM控制,促使输入电流与电流相位、电压相位相等,功率因数值为1。

单相变换器电路一般选择的是单相交流电源、直流负载、储能器、变换器组成,其中储能器不仅可与直流负载并联运行、还可与直流负载串联运行。无能量的损耗与储存,经变后的能量全部输出:

输出直流负载电流:

由此可见,频率是电网频率的2倍。

单相PWM电压型整流器,本身属于升压型整流器,在实际应用中具有结构简单、有源逆变的特点,但在运行阶段,对直流侧电压的要求较高。单相整流器类型包括:全桥PWM整流器、半桥PWM整流器、降压式PWM整流器。

2.2.2PWM逆变器

逆变器选择PWM技术,与整流器作用相反,借助直流电,可实现逆变器功率器件开通作用与关断作用,实现交流电的转换。一般逆变器实物转换,具备很多的谐波成分,会产生波形差。只有将其中的谐波成分滤去,才可实现交流低通滤波。

逆变器电能转换功率最为理想的运行为不存在脉动,且运行阶段直流电压波形与直流电流波形是不会产生脉动。在实际的电路运行中,由于逆变器的数量有限,其功率P属于脉动,期间直流电压为恒电源。

2.2.3直流斩波器

直流斩波器可将直接直流电转换为另一种直流电,直流斩波调控技术,本身属于一种性能较高的技术。在直流电压变换电路内,输入电源为直流电,就开关元件而言,电流属于无自然过零点,元器件的切换可借助强迫换流措施实现。

结论

综上所述,本文就各种类型的动车组辅助供电系统开展了分析,在原本的设计基础上,提出了全新改进方案,在详细计算中获得了整流器参数与逆变器参数,可实现系统运行效率的提升,保障列车稳定运行。

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作者简介：田元 男 1987 汉 四川省成都市 本科 技师 武汉高速铁路职业技能训练段驻段培训师