动车组辅助系统工作原理分析和研究

赵磊

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。本文主要阐述动车组辅助系统工作原理分析和研究，详细分析如下。

关键词：动车组；辅助系统；工作原理

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车辆辅助系统主要元件的特征

相比牵引系统而言，辅助系统的结构比较简单，其主要职责是负责城市轨道交通的电流控制，所以其主要功能单元都与电流存在直接关联。首先是由多个单体定压蓄电池构成的蓄电池组，提升蓄电能力的同时充分满足城市轨道交通运行方面的需求，同时也是车辆运行电压和电流的有效控制途径；其次是DC/DC变换器，也将其称之为蓄电池充电器，其根本作用是向城市轨道交通车辆提供其运行所需的直流电。一般而言，各城市轨道交通都会安装2个或者以上的蓄电池充电器；最后是DC/AC逆变器，也可将其称作辅助逆变器，属于城市轨道交通的辅助电源，可通过其将交流电给予城市轨道交通车辆内部的所有电器。

2.2辅助电源技术

2.2.1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。

2.2.2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。

2.2.3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；壓缩级数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。

2.3辅助供电装置

2.3.1PWM整流器

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。

2.3.2PWM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。

2.3.3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。

参考文献

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（作者单位：北京铁路集团天津动车客车段天津动车所）