（电气工程专业论文）350kmh动车组牵引辅助系统的仿真分析与参数研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s i r a c l ： h i g h s p e e dl o c o m o t i v ei sc o m p o s e do fav a r i e t yo fc o m p l e xc o m p o n e n t s a u x i l i a r y p o w e rs u p p l ys y s t e m ( a p s s ) i n f l u e n c e st h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h ew h o l e l o c o m o t i v e i ti so n eo fi t sm o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fh i g h s p e e dl o c o m o t i v e t h i s p a p e ri n t r o d u c e sd o m e s t i cs c h o l a r s r e s e a r c hw o r ka n da c q u i r e dt e c h n i q u e t h em o d e a n dc o m p o n e n t so f a p s sa r ea n a l y z e d t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m ( a p s s ) o fh i g h s p e e dl o c o m o t i v e f o u rt y p e so fa p s so fc h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d a r ei n t r o d u c e d d i f f e r e n tc i r c u i ts t r u c t u r e s ，s c h e m e sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k s a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a l s o ，s i m u l a t i o nm o d e l so ft h ef o u rt y p e so fa p s so fc r h a r eb u i l t d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o rf u t u r e sh o m e m a d ea p s so fh i g l l - s p e e dl o c o m o t i v e a r eg i v e l l a u x i l i a r yi n v e r t e ra n db a t t e r yc h a r g e ra r et h et w ok e yt e c h n i q u e so fa p s s t h i sp a p e r a n a l y z e sa u x i l i a r yi n v e r t e r sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r o p o s e sad o u b l e - c l o s e d - l o o p c o n t r o lm e t h o df o ri n v e r t e r ss t a b l eo p e r a t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h ec o n t r o lm e t h o d ， m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei su s e df o rs i m u l a t i o nw o r k t h es e l e c t i o no f p a r a m e t e r sf o l l o w st h o s ei nt h er e a ls y s t e m t h i sp a p e ra l s oc o n d u c t se x p e r i m e n to nt h e i n v e r t e rs y s t e mf o ri t sc o r r e c t n e s s t h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fb a t t e r yc h a r g e r a r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nm o d e li sa l s om a d ef o ri t t h i sp a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do fa p s s sp a r a m e t e r so fd c - a ct y p e l o a d si na p s sa r ec l a s s i f i e da n dt h em e a s u r e sf o rd i s t r i b u t i n gl o a d sw h e ni n v e r t e r s b r e a kd o w na r ep r o p o s e d s u g g e s t i o n sf o rh o m e m a d ea p s sa r eg i v e n k e y w o r d s ：c h i n ar a i l w a yh i g h - s p e e d ；a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m ；i n v e r t e r ； b a t t e r yc h a r g e r ；m a t l a bs i m u l a t i o n ；p a r a m e t e rr e s e a r c h c l a s s n o ：u 2 6 6 2 北京交通人学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢备华马 签字日期：2 问7 年6 且z 和 导师 签字日 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 系统方案的设计、实验问题的解决等方面都凝聚着郑老师的心血。导师严谨的治 学态度和峰韧不拨的工作作风让我受益匪浅，在此谨向导师表示衷心的感谢。郑 老师渊博的知识、正直的人品、严谨的科学态度以及力求完美的做事风格为我树 立了科学工作者的榜样。 在实验室工作及撰写论文期间，得到了游小杰教授、林飞副教授、郝瑞祥老 师、孙湖老师的指导及热情帮助，为论文的完成提供了很多宝贵的意见，在此向 他们表示诚挚的谢意。 另外，特别要感谢高吉磊博士，在整个课题的研究过程中，高吉磊博士指导 我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 并时常与我并肩攻关，一起度过多少个充满汗水的同夜，并最终顺利完成课题的 研究工作，其不屈不挠的钻研精神与乐观的态度都很值得我学习。 同时我还曾得到了已经毕业的王磊师兄、张慧涛师兄、訾振宁师兄、李建旭 师兄，还有在读的时智勇、万磊、郭超勇、王丹、李志军、黄泳均、郑惠超、刘 玉洁、张雅静等同学在生活学习工作方面的鼎力相助。在此向他们表达谢意。 最后，我要感谢我的父母和家人，是他们的理解和支持，使我能够专心完成 我的研究生学业。 引言 1 1 选题背景及意义 1 引言 针对我国的国情，要缓解铁路运输的压力，提高铁路运输的速度和质量，必 然要大力地发展铁路运输交通系统。因此，高速铁路列车的研制就成为必然的需 求。目前运行在我国铁路线上的c r h 系列动车组，最高时速达到3 5 0 k m 以上，因 此本文泛称c r h 系列动车组为高速动车组。高速动车组具有行驶速度快、运行过 程平稳、车内环境优雅、旅客乘坐感好等优势，得到了广大旅客的喜爱，成为人 们出行的首选。在国外，高速列车的研制与实际商业运营已经有了四十多年的历 史：1 9 6 4 年世界高速列车的先驱叫系新干线列车在日本诞生了。欧洲、闩本 的高速列车技术经过四十多年的发展已经很成熟，达到了很高的水平，给人们的 生活带来了极大的便利。但是，高速列车技术在我国还处于刚刚起步的阶段。从 2 0 0 7 年1 月2 8 同和谐号列车c r h 2 的首发以来，现今共有4 种高速动车组运行在 中华大地上，他们分别是：c r h l 、c r h 2 、c r h 3 与c r h 5 。这四种动车组基本上 为国外引进技术，其中，c r h l 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( b s p ) 生产，2 0 0 7 年投入正式运营；c r h 2 高速动车组( 包括c r h 2 2 0 0 和c r h 2 3 0 0 ) 由中国南车集团四方机车车辆股份有限公司生产，2 0 0 7 年投入正式 运营；c r h 3 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，2 0 0 8 年投入正式运营；c r h 5 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，2 0 0 7 年投入正式运营。目前我国的高速动车组技术正处于对国外技术的引进 和吸收消化阶段，如何充分利用现有的有利资源与良好的外界条件发展我国高速 动车组技术，成为摆在我国机车研究者与“铁路人 面前的一道难题。我们迫切 需要在短期内消化吸收国外的先进技术，以便为将来研制开发拥有1 0 0 自主知识 产权的高速动车组做好充分的准备。 高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，而牵引辅助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 效的牵引辅助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。牵引辅助 系统的优劣直接关系到高速动车组能否正常行驶【l 】。【4 1 。 虽然我国的高速动车组技术较落后， 变电源的研发经验，如铁道科学研究院、 但是国内多家科研单位已有车辆辅助逆 株洲电力机车研究所。1 9 9 9 年初株洲电 北京交通大学硕十学位论文 力机车研究所研制出t g f 5 型辅助变流器，装于d d j 型2 0 0 k m h 直流传动车，实 现了机车辅助变流器的国内自主设计制造。2 0 0 0 年，1 0 0 k v a 的t g f 9 型辅助变流 器研制成功并应用于交流传动电力机车“蓝箭，采用晶闸管半控桥式整流和电压 型逆变的“一整两逆”形式，次年t g f 9 a 型在“奥星”装车。2 0 0 1 年1 2 月，含 有四象限整流器的t g f l l 型辅助变流器由株洲电力机车研究所研制成功，各自独 立的整流和逆变模块构成两套1 0 0 k v a 变流器置于同一柜内，输入取自同一变压器 二次绕组，使我国辅助变流器技术水平又向前迈进一步。2 0 0 0 年，香港地铁进行 辅助电源改造，同样采用了株洲电力机车研究所研制的两个二点式三相逆变器串 联结构，输出端分别采用d y 和d z 型变压器进行耦合，消除低次谐波。但这些辅 助电源大多为单机运行，逆变器容量较大，可靠性不高。因此，为了适应高速动 车组复杂的牵引辅助系统负载的要求，提高牵引辅助供电系统的供电可靠性，还 需要进行更多的研究、探求与试验。 本论文是国家科技支撑计划课题“3 5 0 k m h 动车组牵引传动及辅助系统技术研 究、试制及试验”的一个子课题，重点分析研究高速动车组的牵引辅助系统，针 对整体结构与供电方案进行比较分析，对其关键技术进行仿真分析并开展参数研 究。 1 2 高速动车组牵引辅助系统综述 高速动车组的牵引辅助系统主要为机车主电路提供冷却，为空气制动系统提 供风源，保证空调、采暖、通风设备的供电，车载蓄电池的充电，插座的供电， 照明等供电。辅助系统电路能否j 下常工作直接影响到主电路的工作状态，是机车 稳定，安全运行的关键。 早期的牵引辅助系统采用电动一发电机组供电方式。目前，我国国产的电力 机车牵引辅助电路有两种供电模式：劈相机供电模式与辅助变流器供电模式。劈 相机供电模式主要用于交直型直流传动电力机车，例如s s 3 、s s 4 、s s 7 、s s s 、s s 9 等。采用劈相机供电模式的牵引辅助系统，辅机全电压起动，起动电流大且不平 衡，起动时间短，且电压随电网波动而波动；为了满足低压下电机起动的要求， 容量必须加大，起动转矩大。但其电压波形为标准正弦波，阻抗电压低，短路电 流大【5 】- 【9 1 。 辅助变流器也称为静止式变流器，主要用于交直交型交流传动机车和部分交 直型机车，例如s s 7 e 、模块化s s 7 e 型直流传动机车，以及“熊猫 、“蓝箭、“奥 星 、“天梭”、“中华之星、d j l 、h x d l 、h x d 2 、c r h 系列等交流传动机车。对 于辅助变流器供电的辅助系统来说，电源品质为p w m 波或s p w m 波。其优点为 引言 供电品质高，可靠性加强，有效降低起动电流( 为额定电流2 3 倍) ；节能降噪 效果明显，使用效率高；并且还能省去繁琐的系统控制装置。缺点是峰值电压较 高( 近1 0 0 0 v ) ，谐波含量较高。辅助变流器供电模式的大范围应用是近年电力电 子器件与电力电子控制技术蓬勃发展的结果。国外大部分的电力机车( 包括高速 列车) 均采用辅助变流器供电模式，而我国的高速动车组也都使用辅助变流器供 电模式。 采用辅助变流器供电模式的牵引辅助系统主电路拥有多种拓扑和控制方法， 如果按照输入侧电压制式分类可以将其分为两类：交流输入的辅助系统与直流输 入的辅助系统。交流输入的辅助系统通常从牵引变压器的辅助绕组取电，它有独 立的整流器模块，该模块常采用相控桥式整流电路或四象限整流电路；整流器输 出的直流电经过直流滤波环节滤波后直接进入逆变环节，最终输出交流电压。直 流输入的辅助系统则没有整流环节，它从牵引回路的直流环节获取直流电，经过 逆变环节输出交流电压。而牵引辅助系统必不可少的逆变环节也可以有两种实现 形式：先降压后逆变与先逆变后降压。前者先进行直直降压再输入到逆变器；而 后者在逆变器输出加入降压变压器实现降压。 在采用辅助变流器供电模式的牵引辅助系统中，辅助逆变器是辅助系统的最 重要组成部分，同时也是牵引辅助系统的电能直接提供者。辅助逆变器模块一般 为独立的一个或多个三相桥模块，采用电压型逆变。它的主要特征如下【l o 】【l i 】： ( 1 ) 在恶劣的铁路机车运营环境中有很高的可靠性； ( 2 ) 较轻的重量和较小的安装体积； ( 3 ) 使用模块化结构，以方便维修保养； ( 4 ) 耐短路的i g b t 变流器电路； ( 5 ) 对电网友好的输入端变流器； ( 6 ) 极高的效率。 随着电力电子技术的不断发展，i g b t 逆变器逐渐以不可抗拒的优势取代了 g t o 逆变器。采用i g b t 技术，可使变流器开关装置的尺寸减小，复杂性降低， 功率损耗减少、开关频率提高、具备多种保护能力【1 2 】_ 【1 4 】。 在逆变器的控制方面，模块化、集成化的趋势不可避免。随着数字处理器 ( d s p ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 技术的日益成熟，新型的控制系统不断出 现，性能更加优良的控制方法。如上所提的s i b e s t 辅助电源系统就使用全数字化 处理信号；另外欧洲许多机车例如阿尔斯通开发的p r i m a 3 u 1 5 型，奥地利联邦铁 路的1 2 1 6 系列，欧洲b r l 8 9 型，瑞士联邦铁路货运公司r e 4 8 4 机车等等全部使 用数字处理系统。使用数字化控制方式有着分立器件控制不可比拟的优点。首先 数字信号处理速度远远超过模拟电路；其次数字处理电路简单，使用器件少，一 北京交通大学硕士学位论文 旦出现问题检修方便；另外数字处理系统保护动作更加迅速，并且很容易实现人 机交互以及微机之间的通信。 除了辅助逆变器，辅助系统的重要组成部分还有蓄电池充电机、蓄电池以及 各种辅助负载。充电机是直流用电负载与蓄电池供电电源，正常工作时充电机给 直流负载供电，并给蓄电池浮充电；当充电机的输入电源断开时，蓄电池负责给 直流负载供电。充电机的结构也是多种多样的，各公司都将自己研究成熟的电路 结构应用到充电机上。 1 3 本论文的主要工作及结构安排 本文的主要内容分为五个部分，各部分内容如下： 第一章为绪论，主要介绍本论文的选题背景、研究意义，简要地介绍目前国 内外高速动车组的发展状况以及高速动车组牵引辅助系统的基本情况。 第二章至第四章为文章主体部分。 第二章介绍了高速动车组牵引辅助系统两部分( 交流供电系统和直流供电系 统) 的结构特点与功能，具体分析了目前运行在我国铁路线上的四种高速动车组 的牵引辅助系统，使用仿真软件对四种牵引辅助系统进行了建模仿真，并比较了 它们的交流供电系统与直流供电系统的异同点。经过对比阐明了各种结构的优缺 点，总结了牵引辅助系统国产化时应该考虑的几个方面。 第三章针对高速动车组辅助牵引系统两大关键技术( 辅助逆变器与蓄电池充 电机) 进行分析研究。对辅助逆变器的研究从分析其数学模型开始，提出了对辅 助逆变器采用电压电流双闭环的控制方法，并使用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件 对c r h 3 动车组辅助系统的逆变器以及提出的控制策略进行仿真分析，同时也搭 建以d s p 为控制核心的实验平台进行实验验证。本章还分析了蓄电池充电机的电 路结构与控制系统，并使用了仿真软件进行仿真分析。 第四章针对直交型牵引辅助系统，研究了逆变器电路各部分参数的选择与计 算方法，对开关器件的选择、i g b t 的缓冲电路、l c 滤波器的选择等问题进行了 分析；提出了辅助逆变器出现故障时的负载匹配措施与牵引辅助系统国产化的建 议。 第五章对全文进行了总结，并对今后高速动车组辅助供电系统的分析研究工 作进行了展望。 4 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 2 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 高速动车组的牵引辅助系统需要为全车所有的辅助负载提供电能，这些负载 的工作电压、工作频率都不相同，采用何种供电结构与方案为负载供电是一个首 先要研究的问题。 2 1 高速动车组牵引辅助系统的结构分析 高速动车组的牵引辅助系统主要包括两部分：交流供电系统和直流供电系统。 本节主要分析运行在我国高速铁路上的各型动车组的辅助系统结构。 2 1 1 交流供电系统结构分析 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2 1 所示，交直交型交流供电系统一般由以下四部分组成：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，供给各交流负载使用。 ， 广7 1 卜 3 y 晕引变压器辅助整流器中同直流环节辅助逆变器 辅助绕组 图2 - 1 交直交型辅助交流供电系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f a c d c - a ct y p ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m 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 北京交通大学硕士学位论文 出的交流电压值( 大约为4 0 0 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 2 ( a ) ( b ) 所示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。 j ，r j ， j3 ? ， 厂一广一一 广 输出三相 厂f _ 交流电压 一一一 牵引回路 辅助逆变器辅助变压器 中间直流环节 ( a ) 先逆变后降压 ( a ) f i r s ti n v e r tt h e ns t e p - d o w n 7 7 7 7 ， 37 广、 牵引回路 降压斩波器辅助逆变器 中间直流环节 ( b ) 先降压后逆变 ( b ) f i r s ts t e p d o w nt h e ni n v e r t 图2 - 2 直交型辅助交流供电系统结构图 f i g 2 2s t r u c t u r eo fd c a ct y p ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m 为了得到品质优良的三相j 下弦电压，无论是交直交型还是直交型，交流供电 系统的逆变器输出端都需要增加滤波环节。这个滤波环节通常有两种形式：一是 直接加滤波电容电感构成滤波电路；另一种则采用大漏感变压器取代电感，与电 容构成滤波电路。 2 1 2 直流供电系统结构分析 直流供电系统也是牵引辅助系统的重要组成部分，其任务是给列车内的直流 用电设备供电，系统结构图如图2 3 所示。其中，输入侧通常接辅助系统交流母线， 输入端整流器一般都采用二极管不控整流或晶闸管半控整流电路；输出的电压等 级常为d c l l 0 v 。 6 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 一 37 7 、 辅助系统整流器直直变换器 交流母线 输出 流电压 图2 3 直流供电系统结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo fd cp o w e rs u p p l ys y s t e m 直流供电系统主要包括：蓄电池充电机、蓄电池以及相应的负载。正常工作 时，蓄电池充电机为辅助系统的直流负载供电，并给蓄电池浮充电；当电网断电 时，蓄电池则负责继续供电给直流负载。 2 2 我国高速动车组牵引辅助系统分析与建模仿真 从2 0 0 4 年到现在，中国共生产了四种c r h 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c r h l 、c r h 2 、c r h 3 和c r h 5 。下面将逐一 分析这四种高速动车组的牵引辅助系统。 2 2 1c r h l 牵引辅助系统分析与仿真 c r h l 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( b s p ) 生产，2 0 0 7 年投入正式运营，它的原型车是庞巴迪公司为瑞典a b 提供的r e g i n a 。 列车单元i列车单元2列车单元3 甸面 m c ： 回i 圈固i 回 驾驶动车；m - 中间动车；t 。p 、t b ： 自一 拖车 f i g 2 - 4d i a g r a mo fc r h 1m a r s h a l l i n g 图2 4 为c r h l 编组示意图，图中车轴实心的为动车( m 车) ，空心的为拖车 ( t 车) 。由图2 4 可见，一列c r h l 高速动车组由8 节车组成( 5 m 3 t ) ，共有3 个列车单元。受电弓位于t p l 和t p 2 车。 c r h l 高速动车组的每个列车单元都有一个完整的牵引辅助系统，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 北京交通大学硕士学位论文 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1 4 4 k v a 的辅助逆变器单元( a c m ) 、隔离变压器、蓄电池充电机以 及蓄电池等。在启动过程中，牵引辅助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。 萎蛊弄关m 车i t 车 i m 车 图2 5c r i - 1 1 动车组牵引辅助系统结构图 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo fc r h 1a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m 图2 5 是c r h l 牵引辅助系统结构图。如图所示，2 5 k v 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( l c m ) 。l c m 的直 流环节( 1 6 5 0 v ) 与辅助逆变器单元( a c m ) 的输入侧连接。a c m 输出的4 0 0 v 5 0 h z 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 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 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1 1 0 v 直 流电压，一路供给直流母线，另一路接蓄电池。同时，三相4 0 0 v 交流母线和1 1 0 v 直流母线两路电源也为列车内的各种用电设备供电。 a c m 是整个牵引辅助系统的核心，包括一个三相两电平i g b t 逆变器、l c 输 出滤波器、门驱动单元、电压和电流传感器及控制单元等。a c m 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。为了在起动和接上较大负载时达到 最好的控制效果，a c m 采用恒定的压频比控制。表2 1 所示为单个辅助逆变器的 技术指标。 表2 1 单个辅助逆变器技术指标 t a b 2 - 1 i n v e r t e rs p e c i f i c a t i o n 输出电压三相4 0 0 v ，士5 输出电压中谐波的最大含量1 0 频率5 0 h z ，士1 0 单个逆变器的最大输出功率 1 4 4 k v a ，c o s ( d = 0 8 8 总体尺寸( 高k 深) 3 5 0 4 1 0 81 0 r a m 重量 9 0 k g c r h l 的蓄电池充电机电路如图2 - 6 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l c 滤波器，输出1 1 0 v 直流电压。 f_ _ 二j k 输入三相了 么z _ _ 交流电压。 广r r 、r 、 一 r r m 么 厂y 、 _ _ 二j k 3 么 么 。 输出直流电压 1 1 0 v 图2 - 6c r h l 蓄电池充电机电路图 f i g 2 - 6c i r c u i td i a g r a mo fc r h1b a t t e r yc h a r g e r 采用m a t l a b s i m u l i m k 仿真软件对c r h l 的牵引辅助系统进行建模仿真， 仿真模型见图2 7 。其中，变压器原边为三角形接法，副边为星型接法；负载由三 部分构成：单相1 2 k w 阻性负载、蓄电池充电机( 输出电压1 i o v d c ，功率2 2 k w ) 与三相交流阻感性负载( 总功率为1 4 0 k v a ，功率因数为0 8 8 ) 。其它仿真参数选 9 北京交通大学硕十学位论文 取如下：逆变器的开关频率为1 9 5 0 h z ：输入电压为直流1 6 5 0 v ，输出电雎为三相 网线交流4 0 0 v 5 0 h z 。输出线电压波形见图2 - 8 。 f 删卜 ， r 瑚| 。 o 图2 - 8 c k h l 辅助供电系统输出电压波形 f i g2 - 8 0 u t p u t w a v e f o r m o f s i m u l a t i o n m o d e lo f a u x i l i a r y p o w e rs u p p l ys y s t e mo f c r h 2 2 2c r h 2 牵引辅助系统分析与仿真 c r h 2 高速动车组( 包括c r h 2 - 2 0 0 和c r h 2 3 0 0 ) 由中国南车集团四方机车 车辆股份有限公司生产，2 0 0 7 年投入正式运营，原型车是日本新干线e 2 1 0 0 0 。 这里以c r h 2 - 2 0 0 为例。c r h 2 2 0 0 全车由8 节车组成( 4 m 4 t ) ，编组形式见图2 - 9 所示。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( a p u ) ，分 别设置在1 号车和8 号车，每一台a p u 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。 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 佣圈圈自围由圆脯 m c ：动车；t c ：拖车 图2 - 9c r h 2 编组示意图 f i g 2 - 9d i a g r a mo fc r h 2m a r s h a l l i n g 如图2 1 0 所示，c r h 2 动车组的牵引辅助系统主要包括辅助电源装置( a p u ) 、 辅助整流器( a r f ) 和各种用电设备【1 5 】【1 6 1 。其中，a p u 所起的作用相当于辅助交 流供电系统。a p u 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p w m 逆变器，向列车交流母线供电。a p u 是c r h 2 牵引辅助系统的核心。a p u 主要由输入整流器、输入滤波器、辅助整流器、中间 直流环节、p w m 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a p u 的功率可达2 2 7 k v a 。 i 变压器1输 j 绕组l变曰 t i 单相4 0 0 v 不稳定电源系统 相4 0 0 v ： 电源系绕 a t r 单棚o o v 一 一一 稳定电源系统- 一 辅助整流单元( a p u ) ，r i i c r h 2 的交流供电系统 直流i o o v 一 稳定电源系统 二极管不控整流器 i 辅助整流器( a r f ) ，即c r h 2 的直流供电系统 图2 1 0c r h 2 牵引辅助系统结构图 f i g 2 一l0s t l l l c t u r eo fc r h 2a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y s y s t e m 由于c r h 2 牵引辅助系统的负载用电情况较复杂，按供电制式进行分类，共 可以分为六类( 如表2 2 所示) ：单相4 0 0 v 不稳定电源系统，单相i o o v 不稳定电 源系统，三相4 0 0 v 稳定电源系统，单相1 0 0 v 稳定电源系统，单相2 2 0 v 稳定电 源系统和直流1 0 0 v 稳定电源系统。 北京交通大学硕士学位论文 表2 2c r h 2 各类辅助电源系统及其负载 t a b 2 - 2l o a d so fc r h 2 a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y s y s t e m 各类辅助电源系统负载 单相4 0 0 v 不稳定电源系统，+ 2 4 3 1 ，5 0 h z空调装置、换气通风装置等 单相1 0 0 v 不稳定电源系统，+ 2 4 - 4 1 ，5 0 h z 热水器的加热器等容许电压变动的设备 三相4 0 0 v 稳定电源系统，+ 1 0 - - 1 0 ，5 0 h z牵引变压器、牵引变流器、牵引电机的风机等 单相1 0 0 v 稳定电源系统，+ 1 0 一1 0 ，5 0 h z空调控制、显示器、上水装置等 单相2 2 0 v 稳定电源系统，+ 1 0 1 0 ，5 0 h z车厢内插座、小卖部设备、自动售货机、热水 供应器控制等 直流1 0 0 v 稳定电源系统，+ 1 0 1 0 车辆的控制电源、车厢照明、蓄电池等 如图2 1 0 所示，单相4 0 0 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1 0 0 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4 0 0 v 交流电供给a p u 进行整流，经过a p u 的输入滤波器、整流器、中间直流环节、三相p w m 逆变器 以及输出滤波器，得到稳定的4 0 0 v 5 0 h z 三相交流电源系统。该三相交流电源系 统还分别通过两个单相变压器输出单相1 0 0 v 稳定电源系统与单相2 2 0 v 稳定电源 系统。辅助整流器( a r f ) 也与三相4 0 0 v 稳定电源系统相连，经过整流得到直流 1 0 0 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。 输入三相交流 4 0 0 v ，5 0 h z 么么j 广_ 广m r 、n 1 1 l _ _ = 输出 r r ml d c l 0 0 v 么么 么 图2 - 1 1c r h 2 辅助整流器( a r f ) 电路图 f i g 2 - 11c i r c u i to f c r h 2 a r f c r h 2 的辅助整流器( a r f ) 电路如图2 1 1 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。 采用m a t l a b s i m u l i m k 仿真软件对c r h 2 牵引辅助系统进行建模仿真， 1 2 高速动车组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 仿真模型见图2 1 2 。其中，p w m 整流器的控制方法采用预测电流控制法；负载由 两部分构成：蓄电池充电机( 输出电压为1 0 0 v d c ，功率5 8 k w ) 与三相交流阻感 性负载( 总功率为2 0 5 k v a ，功率因数为o8 5 ) 。其它主要仿真参数选取如下：p w m 整流器开关频率为5 0 0 0 h z ，逆变器的开关频率为2 0 0 0 h z ：输入电压为单相交流 4 0 0 v 5 0 h z ，输出电压为三相三线交流4 0 0 v 5 0 h z 。输出线电压波形见图2 - 1 3 。 耐 ， “? i j，、f，i j i 啪 i 。 1 i 。 栅 。 、 ， j j 2 23c r f t 3 牵引辅助系统分析与仿真 c r h 3 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i c e 3 ；2 0 0 8 年投入正式运营。如图2 1 4 所示，每列c r h 3 由8 节车组成( 4 m 4 t ) ，受电弓位于0 2 与0 7 车。c r i - 1 3 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 0 0 0 v ) 给牵引辅助系统提供电源。由图2 1 4 北京交通人学硕十学位论文 可见，在0 1 、0 3 、0 6 、0 8 车的车下各有一个牵引变流器( t r c ) ，在0 2 和0 7 车 下各有一个额定功率1 6 0 k v a 的辅助变流器单元( a c u ) ，这两个a c u 分别与o l 和0 8 车的t r c 直流环节相连。a c u ( 如图2 1 5 所示) 的结构与c r h l 的交流供 电系统相似，变流器部分采用p w m 调制三相两电平i g b t 逆变器。不同的是c r h 3 用漏感较大的变压器代替了l c 滤波器中的电感。在0 4 和0 5 车下各有一个额定功 率3 2 0 k v a 的双辅助变流器单元( d a c u ) ，这两个d a c u 分别与0 3 和0 6 车的 t r c 直流环节相连。d a c u 的结构如图2 1 6 所示，每个d a c u 都由两个独立的 a c u 将输入与输出并联而成。每四节车的a c u 与d a c u 输入端都用电缆相连， 以确保两个t r c 中的一个失效时牵引辅助系统仍能f 常工作。所有a c u 或d a c u 的输出都直接连接贯穿全车的牵引辅助系统交流母线( 三相4 4 0 v 6 0 h z ) 。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 2 3 0 v 6 0 h z 交流电压供给相应负载使用。 e c 0 8 t c 0 7- c 0 6 8 砌5l b c 明i c 0 3t c 。z ie c o ，、 w w 面 一i i 酉i 一 酉 囝 ii i l l o ! i | if u i i r ：ih i i t a c u ii r l i a c u ：卜a c u i ii a c u i i i il i i 4 4 0 v 0 a z l t 2i 自l 6 0 研h i t 2 4 4 0 v 4 4 0 v 6 0 h z6 0 h z j ：涮簿 ii 4 蠹占i4 4 n 0 v 苦；4 赫智 i x i ii6 0 h zm6 0 h zml6 0 h zm 2 3 0 vo2 3 0 v2 3 0 vo2 3 i 、，| 2 3 0 v2 3 i o vi2 3 0 v i2 3 ；v 6 0 h z 6 0 h zl6 0 h z6 0 1 t z l6 0 h z ，3 ii i1 1 厂 习 ： 压l i d c l l 0 v ii d c l l 0 v 们 i 1i 凹il 旺i i i li 阂；，；阂； 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z i 5 0 h z e c ：头车；t c ：变压器车；l c ：中间车；f c ：头等车：b e ：餐车 t r c ：牵引变流器；a c u ：辅助变流器单元：d a c u ：双辅助变流器单元 b c ：蓄电池充电机：b a t ：蓄电池 图2 1 4c r h 3 编组与牵引辅助系统示意图 f i g 2 14d i a g r a mo fc r h 3m a r s h a l l i n ga n da u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m 1 4 高速动乍组牵引辅助系统结构与方案的比较研究 r 一 厂 一rt 一 1 i - 1 r je j 上上j l 1 牵引回路 辅助逆变器辅助变压器滤波电容 中间直流环节 图2 1 5 a c u 结构示意图 f i g 2 - 15s t r u c t u r eo f a c u 输 h 三相 交流电压 4 4 0 v 6 0 h z z 辽 弓 j i 上， i 辅助塑一 一辅助变压i 滤波电窄 上 z jf t 牵引回路 辅助逆变器辅助变压器滤波电容 中问直流环节 图2 1 6d a c u 结构示意图 f i g 2 - 16s t r u c t u r eo fd - a c u 输出三相 交流电压 4 4 0 v 1 6 0 h z 输出三相 交流电压 4 4 0 v 6 0 l t z 在0 4 和0 5 车内各有一套额定功率6 0 k w 的蓄电池充电机( b c ) 和蓄电池( b a t ) ， 充电机的结构与c r h l 相似。b c 通过辅助三相交流母线获得供电，整流后输出 1 1 0 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 表2 - 3c r h 3 牵引辅助系统负载统计 t a b 2 - 3l o a d so fc r h 3a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m 电压制式负载情况 三相交流4 4 0 v 6 0 h z客室空调，驾驶室空调，主空气压缩机电机，牵引变压 器冷却风机，牵引变流器风机，前风挡加热，辅助变流 器单元冷却风机等 单相交流2 3 0 v 6 0 h z厨房设备，水系统加热设备，撒沙管加热器，车钩端加 热器等 直流1 1 0 v 列车照明系统，各控制单元电源等 单相交流2 3 0 v 5 0 h z 每节车的插座，厨房设备等 1 5 北京交通大学硕士学位论文 器，输出2 3 0 w 5 0 h z 交流电压供负载使用。c r h 3 牵引辅助系统的负载情况如表 2 - 3 所示。 采用m a t l a b s i