动车组辅助供电系统.doc

132019-11-14动车组概论动车组概论题 目 我国高速动车组辅助供电系统比较与分析 班 级 姓 名 学 号 二一一年六月摘要：阐述了高速动车组辅助供电系统的结构与功能，系统地介绍了目前运行在我国铁路上的4种高速动车组辅助供电系统，详细地比较并分析了各列车辅助供电系统的电路结构、实现方案以及优缺点。最后，通过分析这几种高速动车组的辅助供电系统，提出了今后我国列车辅助供电系统的电压标准建议以及确定辅助供电系统标准结构的思路。Abstract：The structure and function of auxiliary power supply system of highspeed locomotive were illustrated and auxiliary power supply systems of four types of China railway high。speed were systematically introducedThen structures and implementation of these auxiliary power supply systems were compared and analyzedThrough the analysis，the suggestion of establishing voltage standards and standard structures for auxiliary power supply system are givenKey words：railway high-speed；auxiliary power supply system；inverter；rectifier1 引言2007年4月18日，中国铁路按照既定计划实施了第6次大面积提速。在这次大提速中，“引进、消化、吸收再创新”的CRH系列动车组扮演了极其重要的角色。CRH系列的动车组，最高时速达到350 kmh以上，因此本文泛称CRH系列动车组为高速动车组。高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，而辅助供电系统是高速动车组的重要组成部分之一。为了保证高速动车组长时间的正常运行，列车需要稳定、高效的辅助供电系统为众多辅助设备提供电源，这些设备包括空气压缩机、冷却通风机、油泵水泵电机、空气调节系统、采暖、照明、旅客信息系统等。辅助供电系统的优劣直接关系到高速动车组能否正常行驶。2 高速动车组辅助供电系统综述高速动车组的辅助供电系统主要包括2部分：交流供电系统和直流供电系统。交流供电系统主要指从牵引变压器辅助绕组或牵引回路直流环节获取电能开始，到各种制式交流电压输出为止的部分。交流供电系统的任务是输出交流电压，为交流母线提供电源，以及为交流负载供电。目前，高速动车组的交流供电系统主要有两种形式：交直交型与直交型。如图1所示，交直交型交流供电系统一般由4部分组成：牵引变压器辅助绕组、辅助整流器、中间直流环节以及辅助逆变器。该供电系统由牵引变压器的辅助绕组提供电源，经过辅助整流器和辅助逆变器的变换，最终输出三相交流电压，供交流电负载使用。与交直交型交流供电系统相比，直交型交流供电系统则从机车牵引回路的直流环节取电，经过辅助逆变器实现从直流到交流的变换，最终输出交流电压。一般来说，牵引回路的直流环节电压都较高，直接用该直流电压进行逆变则无法避免因逆变器占空比过低所带来的输出电压正弦度过低的问题。因此，为了保证输出的交流电压值(大约为400 V)与输出电压的正弦度，在直交型电路中必须有降压环节。图2为直交型辅助交流供电系统的两种常见结构。两者的区别在于前一种结构先经过辅助逆变器完成从直流到交流的转变，后经过辅助变压器降压；而后一种结构先通过降压斩波器降压，后经过辅助逆变器实现交流电的输出。另外，直流供电系统也是辅助供电系统的重要组成部分，也有不同的电路结构。它主要包括：蓄电池充电机、蓄电池以及相应的负载。直流供电系统的任务是给列车内的直流用电设备供电。3 高速动车组辅助供电系统从2004年到现在，中国共生产了4种CRH高速动车组，即目前运行在我国铁路上的高速动车组，它们分别是CRHl，CRH2，CRH3和CRH5。下面将逐一分析介绍这4种高速动车组的辅助供电系统。31 CRHl辅助供电系统CRHl高速动车组由青岛四方一庞巴迪一鲍尔铁路运输设备有限公司(BSP)生产，2007年投入正式运营，它的原型车是庞巴迪公司为瑞典AB提供的Regina。图3为CRHl编组示意图，图3中Mc为驾驶动车；M为中间动车；Tp，Tb为拖车。由图3可见，一列CRHl高速动车组由8节车组成(5M3T)，共有3个列车单元。受电弓位于Tpl和Tp2车。CRHl高速动车组的每个列车单元都有一个完整的辅助供电系统，其辅助交流供电系统采用直交的形式。主要负载包括：列车采暖设备、空调、通风系统、主变流器和牵引变压器的冷却风机、蓄电池充电机、照明系统、控制用电源系统和旅客信息及广播系统等。在每一节动车下均设有一个辅助电源装置，主要包括一个额定容量为144 kVA的辅助逆变器单元(ACM)、隔离变压器、蓄电池充电机以及蓄电池等。在启动过程中，辅助供电系统的负载必须按一定顺序启动，以降低系统担负的启动电流。CRHl辅助供电系统结构图如图4所示，其中，25 kV交流高压电经位于T车内的牵引变压器降压后输入位于M车内的网侧变流器单元(LCM)。LCM的直流环节(1 650 V)与辅助逆变器单元(ACM)的输入侧连接。ACM输出的400V50 Hz三相交流电经过输出滤波器滤除谐波后，通过隔离变压器和接触器给列车三相交流母线供电。蓄电池充电机与交流母线连接，交流电经充电机整流后变为110 V直流电压，一路供给直流母线，另一路接蓄电池。同时，三相400 V交流母线和110 V直流母线两路电源也为列车内的各种用电设备供电。ACM是整个辅助供电系统的核心，包括一个三相两电平IGBT逆变器、LC输出滤波器、门驱动单元、电压和电流传感器及控制单元等。ACM采用基于微处理器的控制单元，控制方法是空间矢量调制法。为了在启动和接上较大负载时达到最好的控制效果，ACM采用恒定的压频比控制。表1所示为单个辅助逆变器的技术指标。CRHl的蓄电池充电机电路如图5所示。辅助电源的三相交流母线电压经过三相半控整流桥、半桥式直直变换器(由半桥逆变器与带变压器中心抽头的半波不控整流电路组成)和LC滤波器，输出110 V直流电压。32 CRH2辅助供电系统CRH2高速动车组(包括CRH2200和CRH2300)由中国南车集团四方机车车辆股份有限公司生产，2007年投入正式运营，原型车是日本新干线E2一1000。这里以CRH2200为例。CRH2200全车由8节车组成(4M4T)，编组形式见图6，Mc为动车，R为拖车。受电弓位于4号拖车与6号动车。全车共有2台辅助电源装置(APU)，分别设置在1号车和8号车，每一台APU向4节车的辅助用电设备提供电源。当一台辅助电源装置发生故障时，可通过另一台辅助电源装置向全列车提供辅助电源。如图7所示，CRH2动车组的辅助供电系统主要包括辅助电源装置(APU)、辅助整流器(ARf)和各种用电设备。其中，APU所起的作用相当于辅助交流供电系统。APU采用交直交的形式，从牵引变压器的辅助绕组取电，依次经过输入变压器、辅助整流器和PWM逆变器，向列车交流母线供电。APU是CRH2辅助供电系统的核心。APU主要由输入整流器、输入滤波器、辅助整流器、中间直流环节、PWM逆变器、输出滤波器、输出接触器以及一些单相变压器构成，完成输出各种制式交流电压的任务。单个APU的功率可达227 kVA。由于CRH2辅助供电系统的负载用电情况较复杂，本文将CRH2列车上的辅助供电系统按供电制式进行分类，共可以分为6类(如表2所示)：单相400 V不稳定电源系统，单相100 V不稳定电源系统，三相400 V稳定电源系统，单相100 V稳定电源系统，单相220 V稳定电源系统和直流100 V稳定电源系统。接下来分别介绍这6类电源系统。首先，单相400 V不稳定电源系统直接从牵引变压器的辅助绕组取电，给空调装置、换气通风装置等负载供电。单相100 V不稳定电源系统也从牵引变压器的辅助绕组取电，通过输入变压器与辅助变压器降压，给热水器的加热器等容许电压变动的设备供电。同时，辅助绕组输出的单相400 V交流电供给APU进行整流，经过APU的输入滤波器、整流器、中间直流环节、三相PWM逆变器以及输出滤波器，得到稳定的400 V50 Hz三相交流电源系统。该三相交流电源系统还分别通过2个单相变压器输出单相100 V稳定电源系统与单相220 V稳定电源系统。辅助整流器(ARf)也与三相400 V稳定电源系统相连，经过整流得到直流100 V稳定电源系统，给车辆的控制电源、车厢照明、蓄电池等设备供电。CRH2的辅助整流器(ARf)电路如图8所示，它主要由变压器和三相不控整流电路组成。变压器原副边分别接成星形和三角形；三相不控整流电路将输入的交流电压变换为直流电压输出。33 CRH3辅助供电系统CRH3高速动车组由中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司生产，原型是德国西门子公司生产的ICE3；2008年投入正式运营。如图9所示，每列CRH3由8节车组成(4M4T)，受电弓位于02与07车。CRH3的辅助交流供电系统采用直交形式，由牵引回路的直流环节(3 000 V)给辅助供电系统提供电源。图9中，Ec为车头；Tc为变压器车；Ic为中间车；Fc为头等车；Bc为餐车；TRC为牵引变流器；ACU为辅助变流器单元；DACU为双辅助变流器单元；BC为蓄电池充电机；Bat为蓄电池。由图9可见，在01，03，06，08车的车下各有一个牵引变流器(TRC)，在02和07车下各有一个额定功率160 kVA的辅助变流器单元(ACU)，这两个ACU分别与01和08车的TRC直流环节相连。ACU(如图10所示)的结构与CRHl的交流供电系统相似，变流器部分采用PWM调制三相两电平IGBT逆变器。不同的是CRH3用漏感较大的变压器代替了LC滤波器中的电感。同时，在04和05车下各有一个额定功率320 kVA的双辅助变流器单元(DACU)，这2个DACU分别与03和06车的TRC直流环节相连。DACU的结构如图11所示，每个DACU都由2个独立的ACU将输入与输出并联而成。另外，每4节车的ACU与DACU输入端都用电缆相连，以确保2个TRC中的一个失效时辅助供电系统仍能正常工作。所有ACU或DACU的输出都直接连接贯穿全车的辅助供电系统交流母线(三相440 V60 Hz)。同时，每节车厢都有独立的单相变压器，从三相交流母线的其中两相取电，变换成单相230 V60 Hz交流电压供给相应负载使用。在04和05车内各有一套额定功率60 kw的蓄电池充电机(BC)和蓄电池(Bat)，充电机的结构与CRHl相似。BC通过辅助三相交流母线获得供电，整流后输出110 V直流电压，供给贯穿全车的直流母线。另外，每节车厢都各有一个单相逆变器，输出230 v50 Hz交流电压供负载使用。CRH3辅助供电系统的负载情况如表3所示。34 CR邯辅助供电系统CRH5高速动车组由中国北车集团长春轨道客车股份有限公司生产，原型是法国阿尔斯通公司为芬兰国铁提供的SM3型列车，2007年投入正式运营。该车也是采用8辆编组方式(3M+1T)+(2M+2T)，受电弓位于03号车和06号车。CRH5的辅助交流供电系统采用直交型。如图12所示，辅助交流供电系统从牵引回路的直流环节(3 600 V)取电，经过直交直降压电路降压，再经过三相PWM逆变器输出三相400 V50 Hz交流电，为辅助交流母线供电。同时，取三相交流母线的相电压经过单相降压变压器输出单相220V50 Hz交流电。CRH5的每节车都设有一个蓄电池充电机，充电机以交流母线为输入，输出24 V直流电压供给直流母线、蓄电池以及相应的直流负载。4 结束语近几年来，我国通过4种CRH高速动车组技术的“引进、吸收、消化再创新”，已经取得了不小的成果。但是，由于各车型辅助供电系统的交流输出电压、频率以及直流输出电压都不同，不利于今后备件的标准化。因此，建议我国再创新后生产的国产高速动车组辅助供电系统将输出电压各项指标规范统一起来，并建立我国统一的标准：交流三相380 V50 Hz，单相220 V50 Hz，直流110 V。限于目前的技术条件，我国采用交直交型辅助供电系统的高速动车组还没有解决过分相区辅助系统断电的问题，因此，采用直交型辅助供电系统的高速动车组有一定的优势。同为直交型的CRHl和CRH5两种结构，在保证辅助供电质量的前提下，前者的结构和控制较为简单，在维护过程中更方便操作；而后者由于省去了工频变压器，更有利于车内空间的节约与列车自重的降低。因此，若要求辅助供电系统的结构与控制较简单，CRHl的方案较有优势；若对列车空间、载客数量或者列车自重要求较高，则CRH5的方案更可取。此外，若CRH2辅助供电系统过分相区断电的问题得到了解决，成功实现了自动过分相，则针对CRHl，CRH2和CRH5的3种方案