動(dòng)車組概論我國(guó)高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)比較與分析

1、2020-4-27 動(dòng)車組概論7動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)動(dòng)車組概論題 目我國(guó)高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)比較與分析班級(jí)姓名學(xué)號(hào)二0一年六月摘要： 闡述了高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，系統(tǒng)地介紹了目前運(yùn)行在我國(guó)鐵路上的 4種高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)，詳細(xì)地比較并分析了各列車輔助供電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案以及優(yōu)缺點(diǎn)。最后， 通過分析這幾種高速動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)，提出了今后我國(guó)列車輔助供電系統(tǒng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)建議以及確定輔助供電系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的思路。Abstract ： The structure and function of auxiliary power supply system of high sp

2、eed locomotive were illustrated and auxiliary power supply systems of four types of China railway high - 。 speed were systematically intro duced Then structures and implementation of these auxiliary power supply systems were compared and ana lyzed Through the analysis ， the suggestion of establishin

3、g voltage standards and standard structures for auxiliary power supply system are given Key words ： railway high-speed ； auxiliary power supply system ； inverter ； rectifier1 引言2007年 4月 18日，中國(guó)鐵路按照既定計(jì)劃實(shí)施了第6次大面積提速。在這次大提速中，“引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新”的CRHI列動(dòng)車組扮演 了極其重要的角色。CR源列的動(dòng)車組，最高時(shí) 速達(dá)到350 kmh以上，因此本文泛稱CR源列動(dòng) 車組為高速動(dòng)車組

4、。高速動(dòng)車組技術(shù)是各項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)的集合體，而輔助供電系統(tǒng)是高速動(dòng)車組的重要組成部分之一。為了保證高速動(dòng)車組長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行，列車需要穩(wěn)定、高效的輔助供電系統(tǒng)為眾多輔助設(shè)備提供電源，這些設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、冷卻通風(fēng)機(jī)、油泵水泵電機(jī)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、采暖、照明、旅客信息系統(tǒng)等。輔助供電系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到高速動(dòng)車組能否正常行駛。2 高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)綜述高速動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)主要包括2部分： 交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)。交流供電系統(tǒng)主要指從牽引變壓器輔助繞組或牽引回路直流環(huán)節(jié)獲取電能開始，到各種制式交流電壓輸出為止的部分。交流供電系統(tǒng)的任務(wù)是輸出交流電壓，為交流母線提供電源，以及為交流負(fù)載供電。

5、 目前，高速動(dòng)車組的交流供電系統(tǒng)主要有兩種形 式：交直交型與直交型。如圖1所示，交直交型 交流供電系統(tǒng)一般由4部分組成：牽引變壓器輔 助繞組、輔助整流器、中間直流環(huán)節(jié)以及輔助逆 變器。該供電系統(tǒng)由牽引變壓器的輔助繞組提供 電源，經(jīng)過輔助整流器和輔助逆變器的變換， 最 終輸出三相交流電壓，供交流電負(fù)載使用。牽引變壓器械助中間苴輔助輔助繞組 整流器 流環(huán)節(jié) 逆儀器圖1交直交型輔助交流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig* 1 Structure of AC 一 DC - AC type auxiliary power supply system與交直交型交流供電系統(tǒng)相比，直交型交流供電 系統(tǒng)則從機(jī)車牽引回路的直流

6、環(huán)節(jié)取電， 經(jīng)過輔 助逆變器實(shí)現(xiàn)從直流到交流的變換，最終輸出交 流電壓。一般來說，牽引回路的直流環(huán)節(jié)電壓都 較高，直接用該直流電壓進(jìn)行逆變則無法避免因 逆變器占空比過低所帶來的輸出電壓正弦度過 低的問題。因此，為了保證輸出的交流電壓值（大 2020-4-27動(dòng)車組概論11約為400 V)與輸出電壓的正弦度，在直交型電路 中必須有降壓環(huán)節(jié)。圖2為直交型輔助交流供電 系統(tǒng)的兩種常見結(jié)構(gòu)。兩者的區(qū)別在于前一種結(jié) 構(gòu)先經(jīng)過輔助逆變器完成從直流到交流的轉(zhuǎn)變， 后經(jīng)過輔助變壓器降壓；而后一種結(jié)構(gòu)先通過降 壓斬波器降壓，后經(jīng)過輔助逆變器實(shí)現(xiàn)交流電的 輸出。-/二3匚睡相_t一 m匚更鮮壓率引回路 輔助箱助中

7、間直流環(huán)節(jié)逆變器 變壓器也)先逆孌后降壓竄引回群 降壓輔助中間直流環(huán)節(jié)折波器 逆變器(b)先降壓后逆變圖2直交型輔助交流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig. 2 Strudure of DC _ AC type auxiliarypower supply systeni另外，直流供電系統(tǒng)也是輔助供電系統(tǒng)的重要組 成部分，也有不同的電路結(jié)構(gòu)。它主要包 括：蓄電池充電機(jī)、蓄電池以及相應(yīng)的負(fù)載。直 流供電系統(tǒng)的任務(wù)是給列車內(nèi)的直流用電設(shè)備 供電。從2004#到現(xiàn)在，中國(guó)共生產(chǎn)了 4種CR牌速動(dòng)車 組，即目前運(yùn)行在我國(guó)鐵路上的高速動(dòng)車組， 它 們分別是CRHl CRH2 CRH3HCRH5下面將逐一 分析介紹這4

8、種高速動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)。3.1 CRHl輔助供電系統(tǒng)CRH高速動(dòng)車組由青島四方一龐巴迪-鮑爾鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（BSP）生產(chǎn)，2007年投入正 式運(yùn)營(yíng)，它的原型車是龐巴迪公司為瑞典 A疆供 的Regina。圖3為CRH編組示意圖，圖3中乂劭駕 駛動(dòng)車；M的中間動(dòng)車；Tp, Tb為拖車。由圖3 可見，一列CRH高速動(dòng)車組由8節(jié)車組成（5M3T）, 共有3個(gè)列車單元。受電弓位于Tpl和Tp2車。列車單元2列車雄元3AfcTI I Tp 11 Ml Pl M3 1 Tb p M2"| pS2 wr-wJ bn an w w bo w bcr ad w圖3 CRHl編組示意圖Fig.

9、3 Diagram of CRH I marshallingCRH高速動(dòng)車組的每個(gè)列車單元都有一個(gè)完整 的輔助供電系統(tǒng)，其輔助交流供電系統(tǒng)采用直交 的形式。主要負(fù)載包括：列車采暖設(shè)備、空調(diào)、 通風(fēng)系統(tǒng)、主變流器和牽引變壓器的冷卻風(fēng)機(jī)、 蓄電池充電機(jī)、照明系統(tǒng)、控制用電源系統(tǒng)和旅困4 CRH1動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖客信息及廣播系統(tǒng)等。在每一節(jié)動(dòng)車下均設(shè)有一 個(gè)輔助電源裝置，主要包括一個(gè)額定容量為 144 kVA的輔助逆變器單元(ACM隔離變壓器、蓄 電池充電機(jī)以及蓄電池等。在啟動(dòng)過程中，輔助 供電系統(tǒng)的負(fù)載必須按一定順序啟動(dòng)，以降低系 統(tǒng)擔(dān)負(fù)的啟動(dòng)電流。CRH輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如 圖4所示，其

10、M車兩餐變就XLCM)K»S 雯花題-*9WLCM)充電機(jī)*電施at哀埠一/看電做4=.兄地機(jī)“、百JL供atiiov母像ri mi中，25 kV交流高壓電經(jīng)位于T車內(nèi)的牽引變壓器 降壓后輸入位于怖內(nèi)的網(wǎng)側(cè)變流器單元（LCM）。 LCM勺直流環(huán)節(jié)（1 650 V）與輔助逆變器單元（ACM） 的輸入側(cè)連接。AC臉出的400匕50 HE相交流 電經(jīng)過輸出濾波器濾除諧波后，通過隔離變壓器和接觸器給列車三相交流母線供電。 蓄電池充電機(jī)與交流母線連接，交流電經(jīng)充電機(jī)整流后變?yōu)?10 V直流電壓，一路供給直流母線，另一路接蓄電池。同時(shí)，三相400 V交流母線和110 V直流母線兩路電源也為列車內(nèi)

11、 的各種用電設(shè)備供電。AC娓整個(gè)輔助供電系 統(tǒng)的核心，包括一個(gè)三相兩電平IGB優(yōu)變器、LC 輸出濾波器、門驅(qū)動(dòng)單元、電壓和電流傳感器及控制單元等。ACMI用基于微處理器的控制單元，控制方法是空間矢量調(diào)制法。為了在啟動(dòng)和接上較大負(fù)載時(shí)達(dá)到最好的控制效果，ACMI用恒定的壓頻比控制。表1所示為單個(gè)輔助逆變器的技術(shù)指標(biāo)。2020-4-27 動(dòng)車組概論23400,±5%10%50,±1. 0%147 tcos y _ 0,88350/410/810go圖S CRH1蓄電池充電機(jī)電路圖Fig. 5 Circuit digram of CRHl battery charger«

12、; 1逆變器技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Lweritr specification輸出電壓三相）/V輸出電壓中諧波的最大含量穎率/He單個(gè)逆變器的最大輸出功率/kW 總體尺寸（高/長(zhǎng)/深"mm重量/3CRH的蓄電池充電機(jī)電路如圖5所示。輔助電源 的三相交流母線電壓經(jīng)過三相半控整流橋、半橋 式直直變換器（由半橋逆變器與帶變壓器中心抽 頭的半波不控整流電路組成 環(huán)此窿波器，輸出 110 V直流電壓。3. 2 CRH21助供電系統(tǒng)CRH嘉速動(dòng)車組（包括CRH2-200和CRH2-300）由中國(guó)南車集團(tuán)四方機(jī)車車輛股份有限公司生 產(chǎn)，2007年投入正式運(yùn)營(yíng)，原型車是日本新干線 E2H-1000。這

13、里以 CRH2-200為例。CRH2-200 全車由8節(jié)車組成（4M4T）,編組形式見圖6, Mc 為動(dòng)車，昉拖車。受電弓位于4號(hào)拖車與6號(hào)動(dòng) 車。全車共有2臺(tái)輔助電源裝置（APU）,分別設(shè)置 在1號(hào)車和8號(hào)車，每一臺(tái)AP響4節(jié)車的輔助用電 設(shè)備提供電源。當(dāng)一臺(tái)輔助電源裝置發(fā)生故障時(shí)，可通過另一臺(tái)輔助電源裝置向全列車提供輔 助電源。圖& CRH2編組示意圖 Fig, 6 Chagram of CRH2 marshalling如圖7所示，CRH動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)主要包 括輔助電源裝置（APU）、輔助整流器（ARf）和各種 用電設(shè)備。其中，APUf起的作用相當(dāng)于輔助交 流供電系統(tǒng)。APU

14、I用交直交的形式，從牽引變 壓器的輔助繞組取電，依次經(jīng)過輸入變壓器、輔 助整流器和PW逆變器，向列車交流母線供電。 APUCRH輔助供電系統(tǒng)的核心。AP在要由輸入 整流器、輸入濾波器、輔助整流器、中間直流環(huán)節(jié)、PWM變器、輸出濾波器、輸出接觸器以及 一些單相變壓器構(gòu)成，完成輸出各種制式交流電 壓的任務(wù)。單個(gè)APU勺功率可達(dá)227 kV - A。不X 柳藥院朝*IW） v 不宏電覆票境人 席的 1（豫足節(jié)PWM 9 >Wi , IM _ _,出壯英豁靠iMmiaov不忘空電H餐就ttft* UM迎堂群國(guó)7 CRH2輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖IflllOTV正電理累枇人TRI4視如一rvt 事定電，

15、強(qiáng)疣一LU定電屏系擾一三相4郵爐 餐定中聯(lián)境；捕隨受壓界I AD二叔管不整整例號(hào)*勘修蠹1CKH2的直族供電第就Fig, 1 Structure of CRH2 auxiliaiy power supply system由于CRH輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載用電情況較復(fù)雜， 本文將CRH列車上的輔助供電系統(tǒng)按供電制式進(jìn)行分類，共可以分為6類（如表2所 示）：?jiǎn)蜗?00 V不穩(wěn)定電源系統(tǒng)，單相100 V不 穩(wěn)定電源系統(tǒng)，三相400 V穩(wěn)定電源系統(tǒng)，單相 100 VB定電源系統(tǒng)，單相220 V穩(wěn)定電源系統(tǒng)和 直流100 V穩(wěn)定電源系統(tǒng)。殖2 CRH2各類搐助電源系統(tǒng)及其員我Tabt 2 Loflda of

16、CRH2 auxiljary power supply sy&rcm理類輔助電源系統(tǒng)單相400 V斥稔金電萩 統(tǒng)* + ” 31% .50 Hz 單相100 V不稚定電源系 統(tǒng).+24 % 41% .50 Hz 三相400 V償定電源系統(tǒng), 十 10%一1。%.50 Hz弟相100 V穩(wěn)定電源系統(tǒng). + 10%10%,50 Hz單相220 V穩(wěn)定電源系統(tǒng). + 10%-10%.50 Hz直流100 V鐐定電源系統(tǒng)t + 10%-一】0%空調(diào)裝置，換氣通風(fēng)裝置等熱水器的加熱器等容許電壓 變動(dòng)的設(shè)番牽引變壓器,奈引變流器.摩受電機(jī)的風(fēng)機(jī)等空調(diào)控制，顯示器.上水裝宣等車廂內(nèi)播座,小奠部設(shè)備、

17、自 動(dòng)售貨機(jī)旗水供應(yīng)播控制等車輛的控制電源，車廂照明. 蓄電池等接下來分別介紹這6類電源系統(tǒng)。首先，單相400V不穩(wěn)定電源系統(tǒng)直接從牽引變壓器的輔助繞組取電，給空調(diào)裝置、換氣通風(fēng)裝置等負(fù)載 供電。單相100 V不穩(wěn)定電源系統(tǒng)也從牽引變壓 器的輔助繞組取電，通過輸入變壓器與輔助變壓 器降壓，給熱水器的加熱器等容許電壓變動(dòng)的設(shè) 備供電。同時(shí)，輔助繞組輸出的單相400 V交流 電供給APUft行整流，經(jīng)過APU勺輸入濾波器、整 流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相PWM變器以及輸出 濾波器，得到穩(wěn)定的400 V/50 HE相交流電源 系統(tǒng)。該三相交流電源系統(tǒng)還分別通過 2個(gè)單相變壓器輸出單相100 V急定電源系

18、統(tǒng)與單相220 V穩(wěn)定電源系統(tǒng)。輔助整流器（ARf）也與三相400 V 穩(wěn)定電源系統(tǒng)相連，經(jīng)過整流得到直流 100 V穩(wěn) 定電源系統(tǒng)，給車輛的控制電源、車廂照明、蓄 電池等設(shè)備供電。CRH的輔助整流器（ARf）電路如圖8所示，它主要 由變壓器和三相不控整流電路組成。 變壓器原副 邊分別接成星形和三角形；三相不控整流電路將 輸入的交流電壓變換為直流電壓輸出。輸入三相交流400 V/50 Hz轆出DC 100V千千1E 8 CRH2輔助整流器（ARD電路圖Fig. & Circuit of CRH2 ARf3. 3 CRH3ffi助供電系統(tǒng)CRH寓速動(dòng)車組由中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車 有限責(zé)

19、任公司生產(chǎn)，原型是德國(guó)西門子公司生產(chǎn) 的ICE3; 2008年投入正式運(yùn)營(yíng)。如圖9所示，每 列CRH由8節(jié)車組成（4M4T）,受電弓位于02與07車。CRH的輔助交流供電系統(tǒng)采用直交 形式，由牽引回路的直流環(huán)節(jié)（3 000 V）給輔助 供電系統(tǒng)提供電源。圖9中，Ec為車頭；Tc為變 壓器車；Ic為中間車；Fc為頭等車；Bc為餐車； TRC；牽引變流器；ACU；輔助變流器單元； 計(jì) ACU；雙輔助變流器單元；BCJ蓄電池充電機(jī)； Bat為蓄電池。auxiliary posupply syaterin由圖9可見，在01, 03, 06, 08車的車下各有一個(gè)牽引變流器（TRC）,在02和07車下各

20、有一個(gè)額定功率160 kV A勺輔助變流器單元（ACU）, 這兩個(gè)AC盼別J與01和08車的TRO流環(huán)節(jié)相連。ACU如圖10所示）的結(jié)構(gòu)與CRH的交流供電系統(tǒng)相似，變流器部分采用PWM（制三相兩電平IGBT 逆變器。不同的是CRH用漏感較大的變壓器代替 了 LC1波器中的電感。同時(shí)，在04和05車下各有 一個(gè)額定功率320 kV - A勺雙輔助變流器單元（D ACU）這2個(gè)D-AC出另I與03和06車的TRO流 環(huán)節(jié)相連。D-ACU勺結(jié)構(gòu)如圖11所示，每個(gè) A ACUFB由2個(gè)獨(dú)立的ACIM輸入與輸出并聯(lián)而成。 另外，每4節(jié)車的ACUf D-AC酶入端都用電纜相 連，以確保2個(gè)TR阱的一個(gè)失效

21、時(shí)輔助供電系統(tǒng) 仍能正常工作。所有ACUK計(jì)ACU勺輸出都直接連接貫穿全車的輔助供電系統(tǒng)交流母線（ 三相440 V 60 Hz） 。同時(shí)，每節(jié)車廂都有獨(dú)立的單相變壓器，從三相交流母線的其中兩相取電，變換成單相230 V/60 Hz交流電壓供給相應(yīng)負(fù)載使 用。輸出三相 交流電壓 440 V/60Hz奉弓I回貉中輔助 向盤流環(huán)節(jié)氈變器博波電容圖10 ACU結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 10 Structure of ACU施出三相交流電壓440 V，60 Hz輔助逆變器 輔助變壓器朦波電容章引向路 輛助逆變器 輔助變樂器濤波電容 中間直流環(huán)節(jié)植出三相交流電壓440 V/60 Hz圖LI D-ACU結(jié)構(gòu)示意圖

22、Fig. 11 S”ii其口rt of D- ACU在04和05車內(nèi)各有一套額定功率60 kw的蓄電池 充電機(jī)(BC)和蓄電池(Bat),充電機(jī)的結(jié)構(gòu)與 CRH相似。BCB過輔助三相交流母線獲得供電， 整流后輸出110 V直流電壓，供給貫穿全車的直 流母線。另外，每節(jié)車廂都各有一個(gè)單相逆變器， 輸出230 v /50 Hz交流電壓供負(fù)載使用。CRH3 輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載情況如表3所示。* 3 RH3 輔助供電燎城也如線計(jì)Tab. 3 I.oadn of R H3 uuxil i«ry power nvppi y Jiy utem電用制式三粕交流44 0 V/60 Has單相交流230

23、 V/6O HxH 流 1 1 O V用柯交流?30 V/5O 卜壯仇轂情況客至百二一線正室空 M TIE空 F 壓幅機(jī)電機(jī) 奉引隹樂部號(hào)卻風(fēng)機(jī)，譚引貨商行風(fēng)機(jī).畫 風(fēng)Ft力口熱 ”輔 助穿演 器單元符 地風(fēng)機(jī)誓耐際阻缶、水系統(tǒng)加熱電缶.麒沙省加熱器、 車物咐加料器等列車照明條沅.在捏制挈力電源等第節(jié)車的捕注.期房設(shè)缶等3. 4 CR邯輔助供電系統(tǒng)CRH高速動(dòng)車組由中國(guó)北車集團(tuán)長(zhǎng)春軌道客車 股份有限公司生產(chǎn)，原型是法國(guó)阿爾斯通公司為 芬蘭國(guó)鐵提供的SM艇列車，2007年投入正式運(yùn) 營(yíng)。該車也是采用8輛編組方式(3M+ 1T)+(2M+2T),受電弓位于03號(hào)車和06號(hào)車。 CRH的輔助交流供電

24、系統(tǒng)采用直交型。如圖12 所示，輔助交流供電系統(tǒng)從牽引回路的直流環(huán)節(jié) (3 600 V)取電，經(jīng)過直交直降壓電路降壓， 再經(jīng)過三相PW逆變器輸出三相400 V/50 Hz交 流電，為輔助交流母線供電。同時(shí)，取三相交流 母線的相電壓經(jīng)過單相降壓變壓器輸出單相 220V% 50 Hz 交流電。rF 菖漁輸入 S1IL 一三相LC濾波器用12 CRH5軸助交流供電系統(tǒng)電路圖Fig. 12 Circuit of CRH5 auxiliary power supply systemCRH的每節(jié)車都設(shè)有一個(gè)蓄電池充電機(jī)，充電機(jī) 以交流母線為輸入，輸出24 Vt流電壓供給直流 母線、蓄電池以及相應(yīng)的直流負(fù)載

25、。4結(jié)束語近幾年來，我國(guó)通過4種CRHW速動(dòng)車組技術(shù)的 “引進(jìn)、吸收、消化再創(chuàng)新”，已經(jīng)取得了不小的成果。但是，由于各車型輔助供電系統(tǒng)的交流 輸出電壓、頻率以及直流輸出電壓都不同，不利于今后備件的標(biāo)準(zhǔn)化。因此，建議我國(guó)再創(chuàng)新后 生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)將輸出電 壓各項(xiàng)指標(biāo)規(guī)范統(tǒng)一起來，并建立我國(guó)統(tǒng)一的標(biāo) 準(zhǔn)：交流三相380 V/50 Hz,單相220 M/50 Hz,直流110 V。限于目前的技術(shù)條件，我國(guó)采用交直交型輔助供電系統(tǒng)的高速動(dòng)車組還沒有解決過分相區(qū)輔助系統(tǒng)斷電的問題，因此， 采用直交型輔助供電系統(tǒng)的高速動(dòng)車組有一定的優(yōu)勢(shì)。同為直交型的CRH和CRH兩種結(jié)構(gòu)，在保證輔助供電質(zhì)量的前提下，前者的結(jié)構(gòu)和控制