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动车组辅助系统工作原理分析和研究

李加伟
【摘 要】文章主要对动车组辅助系统进行分析，并探讨相应辅助系统工作原理，希望通过文章的论述能够为相关工作人员提供一些帮助。
【关键词】动车组；辅助系统；供电系统；供电系统
为不断提高动车组产品的技术含量、产品质量和性能，降低采购及检修成本，对现有动车组辅助系统进行了扩展选型与国产化，包括动车组辅助系统的集成设计、关键零部件设计、改进优化与试验验证等多方面内容。
一、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。
二、动车组辅助系统工作原理分析
2.1动车组辅助电源系统
高速铁路因其速度快、能耗低、安全可靠等各种优势在中国得到了很好的发展。近年来，中国建设的高铁网将国内各经济板块连接在一起，大大降低了经济活动的时间成本，为中国的经济发展做出了巨大的贡献。动车组的辅助电源系统（auxiliarypowerunit，APU）负责向车中各类常规用电设备进行供电，并负责在整流后供给车上各电压等级的直流设备，同时，车上留给乘客的插座也由APU负责。不同于应用在电网中的绝缘监测设备，APU功能强大且体积庞大，应用于动车组APU的绝缘监测设备功能精简，绝缘等级不高，且不需要超远距离的通信方式，同时车体空间狭小，这也要求设备具有更小的体积。动车组APU系统是中性点不接地的三相三线制系统（IT系统）。当IT系统发生单相接地短路时，系统仍然可以带故障运行一段时间，但其余两相的对地电压会增大为原来的槡3倍，增大了导线绝缘部分的压力；若又有一相线路发生接地短路故障，系统将产生两相接地短路，造成动车组断电，中途停车。这不但会阻碍同一线路后续列车的行驶，降低铁路运输效率，而且会危及乘客的人身安全，甚至会给我国的经济造成不良影响[1]。
2.2辅助供电装置
第一，PWM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。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。第二，PWM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。第三，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。
2.3辅助空压机装置
辅助空压机装置（以下简称装置）适用于CRH2/CRH380A型动车组，装置吊装于车底，主要用于受电弓的供风控制、高压设备箱内真空断路器（VCB）动作控制及接地保护开关（EGS）的通断控制。它在车辆运行准备时主储风缸（MR）内压缩空气压力不足的情况下，作为提升受电弓和接通真空断路器（VCB）而提供压缩空气的气源。装置由控制模块和风源模块两大部分组成。风源模块在车辆受电弓降下、总风压力未达到VCB闭合条件时（一般在车辆出库前），通过蓄电池供电（DC70V～125V），运行装置风源模块的无油压缩机供风，将受电弓升起，为整车提供动力电。控制模块监测装置升弓风缸内的气压压力，控制辅助压缩机启停，同时输出信号作为VCB闭合或断开条件；在车辆运行过程中，接收控制信號，通过电磁阀为受电弓升弓、接地保护开关断合提供压缩空气；在需要进行试验操作时，可通过手动操作实现受电弓、接地保护开关供风及接地保护开关状态确认；在检修操作前，可通过操作钥匙箱实现连锁功能，防止受电弓上升及接地保护开关断开，保障操作人员安全。为验证装置是否满足扩展选型技术要求，委托第三方进行相关型式试验。试验结果表明，装置重量明显较原车产品轻，装置的逻辑、气动性能满足技术条件要求。装置顺利通过了高低温试验、冲击振动试验、防护等级试验、电磁兼容试验、噪音测试、压缩空气质量测试等试验项点，均满足标准及技术条件要求[2]。
2.4高频化辅助变流系统
以CRH1、CRH3、CRH5、HXD1、HXD2为代表的主辅一体结构，从牵引变流器中间直流侧取电，经三相逆变器和高阻抗工频变压器降压、滤波后输出，相比较主辅分离式存在过无电区短时失电以及不利于与牵引变流器集成等缺陷，已成为动车组与电力机车辅助供电主流方案。轻量化、小型化是辅助供电系统技术发展主题和综合水平的体现。现有的主辅一体式均采用体积庞大的工频变压器，占辅助整机重量的30%～40%。如果将变压器工作频率提高至几十kHz，可极大减小重量与体积，再结合高频DC/DC变换及软开关技术得到稳定低压直流，进行逆变输出，实现辅助系统变流、降压、隔离三大基本功能。辅助高频化技术在直流DC750/1500V供电的地铁、轻轨车辆上，三菱电机、Siemens、SMA、Knorr-Bremse等设备厂家均有相应产品已装车运行，但在动车与机车上还尚未有成熟应用。Knorr-Bremse公司的城轨辅助变流系统整机功率密度和体积密度可分别达到0.29kW/kg、188kW/m3，相比于此，动车或机车的工频辅助系统目前功率密度仅约0.19kW/kg，未来还有很大的提升空间。此外，动车或机车的辅助功率较大，中间直流侧电压较高，考虑固有的二倍频波动，中间直流电压最高可达4kV，因此，两者主电路拓扑也存在一定差异性。要实现辅助系统高压直流至低压交流的高频隔离变换，可行的主电路基本结构，应依次包括前级斩波稳压、中间高频隔离、后级逆变滤波三个环节，其中，斩波稳压和高频隔离环节将高压直流隔离降压至DC800V左右供给后级逆变环节，实现AC380V/50Hz或AC440V/60Hz交流输出，供给全车辅机。
三、结语
综上所述，通过对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，有助于列车的稳定运行。
【参考文献】
[1]李向超，冯继营.CRH380A型动车组辅助电源供电分析[J].物联网技术，2013（10）：54-56.
[2]刘建强，郭怀龙，杜会谦，等.CRH3型动车组辅助供电系统可靠性研究[J].铁道学报，2015，37（11）：44-51.

-全文完-