摘要:自经济全球化发展,我国动车组辅助技术得到了较好的发展但也存在着－些问题。动车组的辅助系统主要包括辅助电源系统、辅助空气压缩机装置、主要是因为当前的各类辅助电源是以单机运行的方式,为满足运行需求－般会选择大容量的逆变器进而无法保障逆变器的可靠性。加之未能掌握整流逆变技术的核心原理导致部分零部件造价较高提升了动车使用成本,难以满足国产化需求。本文主要阐述动车组辅助系统工作原理分析和研究,详细分析如下。
关键词:动车组;辅助系统;原理分析
1 引言
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,动车组行车必需用电负载,不仅包括上述主要电路部分,还包含了下级各个电压等级电源负载等,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使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。
2 动车组辅助系统工作原理分析
2.1高速铁路动车组辅助电源系统
由于其速度快、能耗低、安全可靠等诸多优点,在中国得到了很好地发展。近几年来,中国建设的高速铁路网连接了国内各个经济板块,极大地降低了经济活动的时间成本,为中国经济发展作出了巨大贡献。APU(auxiliarypowerunit,APU)动车组的辅助电源系统负责为各种常规用电设备提供电力,并在整流后供应车上各种电压等级的直流设备,与此同时,APU还负责为车上的乘客提供插座。与 APU功能强大、体积庞大的电网绝缘监测设备不同,APU动车组用的 APU绝缘监测设备功能简单化、绝缘等级不高,不需要超远距离的通讯方式,同时车厢空间狭小,要求设备体积小。车辆组 APU系统是一种不接地在中性点的三相三线制系统(IT系统)。如果 IT系统发生单相接地短路,系统仍可故障运行一段时间,但其余两相对地电压将增加到原来的3倍,使导线绝缘部分增加压力;如果另外一相线路发生接地短路故障,系统将产生两相接地短路,导致动车组断电和中途停车。这样不仅会妨碍同一条线路的后续列车运行,降低铁路运输的效率,而且会危害旅客的人身安全,对国家的经济发展也会产生不良影响。
2.2辅助电源设备
2.2.1 PWM整流器
为了提高整流电路的功率因数,一般采用 PWM控制技术。目前,PWM控制技术广泛应用于交流变频调速、不间断电源等领域。单相 PWM电压型整流器,本身就是一种升压型整流器,在实际应用中结构简单,具有逆变功能,但在使用过程中,对直流侧电压要求较高。单相 PWM整流器类型有:全桥型、半桥型、降压型 PWM整流器。
2.2.2 PWM逆变器
采用 PWM技术,与整流器的作用相反,它可以借助直流电,通过逆变器功率器件的开启和关闭来实现交流电的转换。普通的逆变器实物转换,有许多谐波成分,会产生波形差。只需滤去谐波成分,就可以实现交流低通滤波。
2.2.3直流断路器
DC斩波器可以将直流直接转换成另一种直流电源,DC斩波调节技术本身就是一种高性能技术。当输入电源为直流电的直流电压转换电路中,从开关元件来看,电流是无自然过零的,通过强迫换流,可以实现元器件的切换。
2.3辅助空气压缩机装置
辅助空气压缩机装置(以下简称装置)适用于CRH2/CRH380A动车组,并将其吊挂在车底,主要用于受电弓的供风控制,高压设备箱内真空断路器(VCB)的动作控制和接地保护开关(EGS)的通断控制。当车辆运行准备阶段主风箱(MR)中的压缩空气压力不足时,它作为一个气源提供压缩空气,用于提升受弓形和连接真空断路器(VCB)。设备分为两大部分:控制模块和风源模块。当车辆的风源模块下降,而车辆的总风压未达到 VCB关闭条件(一般在出库之前),风源模块通过蓄电池供电(DC70V~125 V),运行装置风源模块的无油压气机送风,将受电弓升起来,为整车提供电力。控制模块监测设备升弓风缸内的气压,控制辅助压缩机的启动和停止,同时输出信号作为 VCB关闭或关闭条件;车辆行驶时,接收控制信号,通过电磁阀向受电弓升弓、接地保护开关断合提供压缩空气;在需要进行试验操作时,通过手动操作,使受电弓、接地保护开关供风,以及接地保护开关状态确认;在检修操作前,通过操作钥匙箱实现连锁功能,防止受电弓上升和接地保护开关断开,确保操作者的安全。通过委托第三方进行相关型式试验,以验证该装置是否满足推广选型的技术要求。测试结果表明,该装置比原车产品轻得多,装置逻辑和气动性能均满足技术条件要求。该设备已顺利通过高低温试验、冲击振动试验、防护等级试验、电磁兼容试验、噪声试验、压缩空气质量试验等多个试验项目,各项指标均达到标准和技术条件要求。
2.4辅助变流系统
采用从牵引变流器中间直流侧取电,并经三相逆变器和高阻抗工频变压器降压,滤波后输出的主辅一体化结构,比较了主辅分离式在运行过程中存在的过无电区短时失电以及不利于与牵引变流器集成的缺点,已成为动车组与电力机车辅助供电的主流方案。轻型化、小型化是辅助电源系统技术发展的主旨和综合性体现。目前,主辅一体式均采用体积较大的工频变压器,重量占辅机30%~40%。若把变压器的工作频率提高到几十kHz,就可以大大减少重量和体积,再结合高频 DC/DC变换和软开关技术,就可以得到稳定的低压直流电压,实现逆变输出,实现辅助系统的变流、降压和隔离三大基本功能。在DC750/1500 V供电的地铁、轻轨车辆中,三菱电机、Siemens、SMA、Knorr-Bremse等设备制造商已有相应的产品投入安装运行,在动车和上已成熟应用。另外,列车或机车的辅助动力较大,中间直流侧电压较高,考虑到固有的二倍频波动,其中间直流电压最高可达4 kV,因此,两种主电路拓扑也有一定差别。为了实现辅助系统高压直流与低压交流的高频隔离变换,可行的主电路基本结构,应包括前级斩波稳压、中间级高频隔离、后级逆变滤波三个环节,其中直流稳压环节和直流高频隔离环节分别降至DC800V左右,后级逆变滤波器分别降至AC380V/50 Hz和AC440V/60 Hz,供全车辅机输出。
3 总结
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。
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