電動(dòng)車(chē)組輔助供電工作方式研究

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常見(jiàn)國(guó)外電動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)的布局與工作方式

1ReginaC2008型電動(dòng)車(chē)組

ReginaC2008型電動(dòng)車(chē)組采用的是動(dòng)力分散的設(shè)計(jì)，每列車(chē)為3輛編組，其中2輛為裝載牽引電機(jī)的動(dòng)力車(chē)，其他車(chē)輛為無(wú)動(dòng)力的拖車(chē)（即2M1T）。每節(jié)動(dòng)車(chē)車(chē)廂上都設(shè)有主變流器和輔助變流器，每列拖車(chē)上都設(shè)有主變壓器。因此，在ReginaC2008型電動(dòng)車(chē)組上共有2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作。在正常情況下，這2臺(tái)輔助變流器同時(shí)工作，將逆變的三相交流電輸送到交流母線(xiàn)上。在每一輛動(dòng)車(chē)上均設(shè)有一個(gè)輔助電源裝置，主要包括輔助逆變器單元（AC）、隔離變壓器、蓄電池充電機(jī)以及蓄電池等。在啟動(dòng)過(guò)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。

2E2－1000型電動(dòng)車(chē)組

E2－1000型電動(dòng)車(chē)組共有2臺(tái)輔助電源裝置（APU），分別設(shè)置在1號(hào)車(chē)和8號(hào)車(chē)，每一臺(tái)APU向其所在的4輛車(chē)的輔助用電設(shè)備提供電源。當(dāng)1臺(tái)輔助電源裝置發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)另1臺(tái)輔助電源裝置向全列車(chē)提供輔助電源。E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的輔助供電系統(tǒng)由牽引變壓器輔助繞組、輔助電源裝置、蓄電池、輔助及控制用電設(shè)備、地面電源等幾部分組成。E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的輸出用電制式繁多，種類(lèi)復(fù)雜，其按照負(fù)載種類(lèi)的不同來(lái)提供不同的電能：從牽引變壓器的副邊輔助繞組取電，不經(jīng)過(guò)控制直接給空調(diào)和換氣裝置提供電能。因此，E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的空調(diào)裝置需要自己配置變流器，否則有可能不能適應(yīng)大范圍的電壓波動(dòng)。而且E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的穩(wěn)壓400V電源不是直接供給負(fù)載的，而是通過(guò)隔離變壓器將三相交流電壓分別轉(zhuǎn)化為AC220V和AC100V的兩個(gè)單相交流電輸出，其輸出的兩個(gè)電壓幅位不相等但容量相等，因此，有可能造成三相的不平衡供電。E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的直流供電系統(tǒng)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。

3ICE3型電動(dòng)車(chē)組

ICE3型電動(dòng)車(chē)組整列車(chē)共有4個(gè)輔助逆變單元，其中2個(gè)功率為160kV，分別位于列車(chē)的2號(hào)車(chē)和7號(hào)車(chē)。另外2個(gè)逆變單元分別是由2個(gè)單臺(tái)功率為160kV并聯(lián)而組成的雙逆變單元，這2個(gè)雙逆變單元分別位于電動(dòng)車(chē)組的4號(hào)車(chē)和5號(hào)車(chē)上。其中通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等大功率用電器直接從三相交流母線(xiàn)上取電。在輔助逆變器逆變出440V60Hz的三相交流電經(jīng)傳輸?shù)浇涣髂妇€(xiàn)后，在每節(jié)車(chē)廂都設(shè)有1個(gè)變壓器，從三相交流母線(xiàn)上取兩相通過(guò)變壓器變?yōu)閱蜗?30V60Hz的單相交流電，供給每節(jié)車(chē)廂的相應(yīng)交流供電插座。在4號(hào)車(chē)和5號(hào)車(chē)上分別裝備2臺(tái)60kW蓄電池充電機(jī)和兩組2×160Ah的蓄電池供整車(chē)直流用電。

4SM3型電動(dòng)車(chē)組

SM3型電動(dòng)車(chē)組為6輛編組，其中4輛為裝載了牽引電機(jī)的動(dòng)力車(chē)，其他2輛為無(wú)動(dòng)力的拖車(chē)（即4M2T）。SM3型電動(dòng)車(chē)組的輔助供電系統(tǒng)的輸出電壓制式比較簡(jiǎn)單，只有AC400V50Hz和DC110V或DC24V兩種，其中壓負(fù)載（AC400V）主要是壓縮機(jī)、牽引電機(jī)及變壓器的冷卻風(fēng)機(jī)、空調(diào)、采暖等較大功率的設(shè)備。低壓直流負(fù)載主要是照明系統(tǒng)、客車(chē)車(chē)門(mén)系統(tǒng)、輔助升弓裝置、緊急通風(fēng)等小功率負(fù)載，或在無(wú)外電源輸入下的緊急情況使用的負(fù)載。SM3型電動(dòng)車(chē)組的輔助變流器是由降壓斬波器和PWM脈沖整流器構(gòu)成的輔助逆變器組成。由于中間直流電壓太高，所以采用了兩個(gè)串聯(lián)的半橋電路作為前端，通過(guò)隔離變壓器后用一個(gè)全橋的二極管整流輸出直流，這樣做的好處是可以將管壓降低一半。然后經(jīng)過(guò)IGBT和電容組成的諧振濾波器進(jìn)行濾波。

常見(jiàn)的國(guó)外電動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)的比較

歐系電動(dòng)車(chē)組中的供電制式比較單一，而日系電動(dòng)車(chē)組的供電制式種類(lèi)繁多比較復(fù)雜，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。ReginaC2008型、ICE3型和SM3型電動(dòng)車(chē)組的輔助交流供電系統(tǒng)都是直交型的。與交－直－交型相比，直交型的優(yōu)點(diǎn)在于省去了牽引變壓器的輔助繞組，簡(jiǎn)化了牽引變壓器的設(shè)計(jì)與制造工作，并且在過(guò)分相區(qū)的時(shí)候可以使用牽引電動(dòng)機(jī)能量回饋，維持牽引回路直流側(cè)的電壓，從而保證輔助系統(tǒng)不斷電。對(duì)于單一供電制式的系統(tǒng)，其輸出只有一種電壓制式，做到了全車(chē)負(fù)載統(tǒng)一供電。這樣做能夠極大地簡(jiǎn)化車(chē)內(nèi)供電系統(tǒng)的配電，而且在輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)容易處理，可以方便地在交流母線(xiàn)上設(shè)計(jì)接觸器進(jìn)行相互切換，在故障模式下可以通過(guò)巧妙的接觸器切換算法，來(lái)保障整車(chē)全負(fù)載或者降載運(yùn)行。缺點(diǎn)是無(wú)法避免降壓環(huán)節(jié)，在一定程度上增加了牽引輔助系統(tǒng)的復(fù)雜度。由于用電設(shè)備都接到了由輔助變流器精確控制輸出的交流母線(xiàn)，增加了輔助變流器的設(shè)計(jì)容量，也就增加了制造成本。E2－1000型電動(dòng)車(chē)組的輔助交流供電系統(tǒng)是4種高速電動(dòng)車(chē)組中唯一使用交－直－交型式的，這種型式的輔助交流供電系統(tǒng)較為傳統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，由于供電制式多，其對(duì)輔助系統(tǒng)內(nèi)不同的負(fù)載都分別進(jìn)行按需供電，對(duì)于需要穩(wěn)壓的負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)壓供電。對(duì)電壓波動(dòng)要求不敏感的負(fù)載采用不控電源，直接用變壓器輸出。這樣做能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，減小輔助變流器的功率，從而對(duì)資源進(jìn)行合理優(yōu)化配置，使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。缺點(diǎn)是這種供電系統(tǒng)需要帶有輔助繞組的牽引變壓器，在運(yùn)行時(shí)由于牽引變壓器2個(gè)二次繞組之間存在著耦合，牽引變流器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)會(huì)影響到輔助繞組的輸出電壓，因而對(duì)輔助變流器及其負(fù)載造成直接的影響。由于這些負(fù)載的供電電壓變化范圍較大，而且在每次經(jīng)過(guò)分相區(qū)的時(shí)候，受電弓都會(huì)斷電，這些情況都會(huì)對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行以及壽命產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于供電制式復(fù)雜的系統(tǒng)，供電種類(lèi)多，增加了車(chē)內(nèi)布線(xiàn)的難度，并增加了維護(hù)和保養(yǎng)的成本。

結(jié)論

未來(lái)高速電動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、布局合理、供電品質(zhì)優(yōu)、可靠性高、乘坐舒適度好等方面，因此，對(duì)于ReginaC2008型、E2－1000型、ICE3型、SM3型為代表的國(guó)外電動(dòng)車(chē)組在其設(shè)計(jì)上還存在有待改進(jìn)的地方，希望可以通過(guò)本文的探討，對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型電動(dòng)車(chē)組的輔助供電系統(tǒng)提供一些幫助。（本文作者：程林、張海峰、范洪偉 單位：長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司）