动车组动力系统集成技术研究

常吕国

摘 要：随着国内动车组的快速发展，动力集成技术在其中得到了广泛的使用，基于此本文针对于，动力分散式内燃动车组集成技术相关的内容做以简单的研究，希望能够为我国动车事业的发展做出些许的贡献。

关键词：动车组；动力系统集成

1 动车组概述

动车组是火车的一种类型，是由至少两节机车或带动力的车厢和若干节不带动力的车厢所组成的列车。动车组起源于机车重联，但与传统重联有所不同。重联一般用于货运列车，主要是解决牵引力不足问题，仅仅是增加机车数量，没有改变车厢车皮的拖车性质。动车组几乎只用于客运列车，主要是解决加速度不足和最高速度受限的问题，驱动装置可以分别安放在多节载客车厢内部，使这些车厢成为动车，而火车头却可能成为只有操纵平台但没有驱动力的拖车，如中国最新的“复兴号”动车组。

而动车组牵引系统是由许多电感、电容性元件所组成的复杂电路。主断路器闭合、断开的瞬间会使牵引系统从一种电磁状态过渡为另一种电磁状态，电磁能与静电能在感性与容性元件中以电路固有频率交替转化，以致使在牵引变压器一次绕组、牵引绕组上均出现过电压，称之为操作过电压。目前动车组牵引系统主要分为两类：一是主辅分离结构，其牵引变压器由牵引绕组、辅助绕组构成；二是主辅一体结构，牵引变压器只有牵引绕组，辅助系统自牵引变流器的中间电容取电。文章主要探讨两种结构牵引系统在主断路器闭合、断开瞬间所产生的操作过电压特性。

2 某研究所动车组动力系统集成技术案例研究

某研究所有限公司是国内铁路行业唯一的内燃机车研究所，在柴油机、液力传动、电传动、冷却换热、电子电控等领域的科学研究均有著悠久的历史，其技术水平居于国内领先地位。基于中国铁路走出国门的发展战略，以及中车企业广泛拓展的内燃动车组海外市场，并于2012年开始内燃动车组动力系统集成技术的研究工作，并已先后为很多动车组公司提供了车下布置电传动动力包，为A公司出口HMU项目批量提供了车下布置电传动动力包。目前正在为国内主机厂进行车下布置液传动力包的设计研制工作。

案例一：小功率电传动力包的研制

2013年某公司开始为长春Q公司CJ5型混合动力动车组研制车下布置电传动力包，采用MAND2876LUE604型柴油机，额定功率375kW，配以永磁同步交流发电机，动力包额定输出电功率330kW，通过两级弹性减振器悬挂于车体下部。

该混合动力动车组采用电网与电池混合或柴油机与电池混合两种牵引模式，两动一拖编组，电力混合牵引时最高运行速度160km/h，内燃混合牵引时最高运行速度120km/h，主要用于支线、城际、市郊、通勤等旅客运输。

在研制过程中，先后进行了柴油发电机组轴系扭振、两级弹性悬挂动力学、安装框架强度等计算分析，开展了包括动力包性能、温升、隔振、噪声、排放、温度场、低温起动、振动冲击等内容的型式试验，以及动力包与牵引电控系统地面联调和车上联调试验，先后通过了集团公司公司和铁路主管部门组织的方案评审、技术评审和试用评审，正准备前往呼和浩特铁路局进行运用考核。

在此基础上，2016年某公司开始为A公司出口HMU混合动力动车组研制车下布置电传动力包，采用MAND2876LUE631柴油机，满足EUⅢB排放要求，额定功率390kW，配以永磁同步交流发电机，动力包额定输出电功率345kW，最大输出电功率360kW，通过两级弹性减振器悬挂于车体下部。

该动车组采用柴油机和超级电容混合牵引模式，两动两拖编组，最高运行速度120km/h。主要用于马来西亚非电气化干线旅客运输。

由于其城市使用的是米轨，其动车组车下可用空间非常狭小，因此为其设计的动力包的外形尺寸小于3200mm×2600mm×740mm，整备重量小于4000kg，其各项性能指标均接近甚至超过国外同类产品的技术水平。

案例二：大功率电传动力包的研制

2015年某公司开始为B公司双动力城际动车组研制大功率车下布置电传动力包，采用MAND2862LE631柴油机，满足EUⅢB排放要求，额定功率735kW，配以永磁同步交流发电机，动力包额定输出电功率660kW，通过两级弹性减振器悬挂于车体下部。

该动车组分别采用电力或内燃两种牵引模式，两动两拖编组，电力牵引时最高运行速度160km/h，内燃牵引时最高运行速度140km/h，主要用于城际旅客运输。

该动力包的外形尺寸小于4800mm×2700mm×900mm，整备重量小于6600kg，其各项性能指标均接近国外同类产品的技术水平。

该动力包是目前国际上能够用于内燃动车组车下布置的功率最大的动力包，采用的额定功率735kW的D2862LE631型柴油机是MAN公司全球该功率等级的首台产品。

在研制过程中，先后进行了柴油发电机组轴系扭振、两级弹性悬挂动力学、安装框架强度等计算分析，先后通过了四方股份公司和中车股份公司组织的方案和技术设计评审，目前已完成动力包样机的研制，正在进行型式试验，预计年底前完成与牵引电控系统的地面联调试验。

通过B公司动力包的研制，某公司已基本掌握了内燃动车组大功率电传动动力系统集成技术，建立了大功率电传动力包的标准化、模块化产品平台，可根据项目的具体要求，略作局部调整即可提供满足不同客户个性化要求的设计方案和产品。

案例三：永磁同步电机牵引系统概况

国内，株洲H公司对永磁同步电机牵引系统的研究始于2003年，其研究的内容主要集中在：永磁同步电机牵引系统的设计方法、永磁同步电机的设计方法及对其制造工艺的研究以及永磁同步电机控制策略研究，并在此基础上建立了永磁同步电机半实物仿真平台o

2008年，该公司完成了“铁道车辆传动系统用永磁同步电机控制技术研究”，针对额定功率100 kW/峰值功率150 kW永磁同步牵引电机完成了功能性试验研究，并搭载在纯电动大巴上进行考核运行，运行情况良好。在此基础上，针对并联混合动力客车用40 kW/90 kW永磁同步牵引电机进行了研制并已投入商业运营。2009年，针对地铁额定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牵引系统，完成了系统方案设计、永磁同步电机样机生产和试验平台的搭建工作。2010年，对额定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牵引系统进行试验研究，该试验平台完成了全速度范围内的试验，试制了多种转子结构的永磁同步电机，成功解决了电机温升高、高速带速重投、矢量控制下的同步调制等技术，掌握了永磁同步牵引系统系统设计方案、电机设计方法和控制方法。2011年，在前期研究基础上对沈阳地铁二号线装车试验用永磁同步牵引系统进行了定型，完成了装车样机的生产、地面组合试验及相关可靠性试验，并在沈阳地铁二号线完成了7000 km的AWO空载和AW3负载的现场装车试验，试验结果表明该系统运行良好。沈阳地铁二号线车辆永磁同步牵引系统是国内轨道交通领域的首次尝试及应用，地铁车辆永磁同步牵引系统集成技术、永磁同步牵引电动机设计技术和控制技术等关键技术得到验证，为永磁同步牵引系统技术在轨道交通领域的发展奠定了良好的基础。2014年11月6日我国第一辆永磁高铁下线，标志着我国己经掌握永磁牵引技术，试验证明在装备了永磁电机后，一辆原来需要6动2拖的列车，只需要采用4动4拖就可以，其节省的2辆动车的牵引系统成本会使得安装永磁电机的整列车牵引系统成本降低20%，同时由于永磁电机高效率的特点，不仅提高了列车的牵引效率，节省大量电能，而且能够降低列车的全寿命周期成本。但是我国永磁同步牵引系统的研究距离商业化仍有一段时间，因此，加大对永磁同步电机牵引系统的研究，实现我国永磁同步电机牵引技术的跨越式大发展，对我国轨道交通行业有一定的经济和社会意义。

3，总结

总的来讲，目前国内外动车组均以电力牵引为发展方向，但内燃牵引永远是不可或缺的重要补充，无论是在新建和维护成本方面，还是在运用环境条件方面，以及灾害抢救、战备运输等诸多领域均有着无可替代的优越性。因此，在欧洲和日本的城际铁路、区域客运、市郊通勤等领域，动力分散式内燃动车组 都是主力军，德、法、英和日本均有上千列的 动力分散式内燃动车组 保有量，并仍在不断更新换代，蓬勃发展。近年来，随着发展中国家经济的崛起，东欧、南美、东南亚、甚至非洲的 动力分散式内燃动车组 需求量都在迅猛增加。虽然当前国内动力分散式内燃动车组还处在起步阶段，只有中车长客股份公司和中车四方股份公司在进行混合动力和双动力城际动车组的尝试，但中车作为“一带一路”的主力军，已先后有中车唐山、浦镇、株机公司分别向孟加拉、阿根廷、突尼斯、马其顿、马来西亚等国家批量出口了 DMU，未来国外潜在的目标市场众多，动力分散式内燃动车组 的国际市场潜力巨大。

参考文献：

[1] 尹华.混合动力动车组需求分析及关键技术研究[J].山东工业技术，2014（24）：19+86.

[2] 金哲铭.混合动力动车组动力系统能量流控制策略研究[D].北京交通大学，2015.

[3] 赵薇.我国高铁动车组技术创新机制研究[D].北京交通大学，2016.