动车组概论我国高速动车组辅助供电系统比较与分析

1、2020-4-27 动车组概论7动车组辅助供电系统动车组概论题 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二0一年六月摘要： 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 high sp

2、eed locomotive were illustrated and auxiliary power supply systems of four types of China railway high - 。 speed were systematically intro duced Then structures and implementation of these auxiliary power supply systems were compared and ana lyzed Through the analysis ， the suggestion of establishin

3、g voltage standards and standard structures for auxiliary power supply system are given Key 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CRHI列动车组扮演 了极其重要的角色。CR源列的动车组，最高时 速达到350 kmh以上，因此本文泛称CR源列动 车组为高速动车组

4、。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。

5、 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。牵引变压器械助中间苴辅助辅助绕组 整流器 流环节 逆仪器图1交直交型辅助交流供电系统结构图Fig* 1 Structure of AC 一 DC - AC type auxiliary power supply system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

6、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 2020-4-27动车组概论11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。-/二3匚睡相_t一 m匚更鲜压率引回路 辅助箱助中

7、间直流环节逆变器 变压器也)先逆娈后降压窜引回群 降压辅助中间直流环节折波器 逆变器(b)先降压后逆变图2直交型辅助交流供电系统结构图 Fig. 2 Strudure of DC _ AC type auxiliarypower supply systeni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。从2004#到现在，中国共生产了 4种CR牌速动车 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 CRH3HCRH5下面将逐一 分析介绍这4

8、种高速动车组的辅助供电系统。3.1 CRHl辅助供电系统CRH高速动车组由青岛四方一庞巴迪-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 A疆供 的Regina。图3为CRH编组示意图，图3中乂劭驾 驶动车；M的中间动车；Tp, Tb为拖车。由图3 可见，一列CRH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。列车单元2列车雄元3AfcTI I Tp 11 Ml Pl M3 1 Tb p M2"| pS2 wr-wJ bn an w w bo w bcr ad w图3 CRHl编组示意图Fig.

9、3 Diagram of CRH I marshallingCRH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困4 CRH1动车组辅助供电系统结构图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。CRH辅助供电系统结构图如 图4所示，其

10、M车两餐变就XLCM)K»S 雯花题-*9WLCM)充电机*电施at哀埠一/看电做4=.兄地机“、百JL供atiiov母像ri mi中，25 kV交流高压电经位于T车内的牵引变压器 降压后输入位于怖内的网侧变流器单元（LCM）。 LCM勺直流环节（1 650 V）与辅助逆变器单元（ACM） 的输入侧连接。AC脸出的400匕50 HE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

11、 的各种用电设备供电。AC娓整个辅助供电系 统的核心，包括一个三相两电平IGB优变器、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。ACMI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，ACMI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。2020-4-27 动车组概论23400,±5%10%50,±1. 0%147 tcos y _ 0,88350/410/810go图S CRH1蓄电池充电机电路图Fig. 5 Circuit digram of CRHl battery charger«

12、; 1逆变器技术指标Tab. 1 Lweritr specification输出电压三相）/V输出电压中谐波的最大含量颖率/He单个逆变器的最大输出功率/kW 总体尺寸（高/长/深"mm重量/3CRH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 环此窿波器，输出 110 V直流电压。3. 2 CRH21助供电系统CRH嘉速动车组（包括CRH2-200和CRH2-300）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 E2H-1000。这

13、里以 CRH2-200为例。CRH2-200 全车由8节车组成（4M4T）,编组形式见图6, Mc 为动车，昉拖车。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AP响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。图& CRH2编组示意图 Fig, 6 Chagram of CRH2 marshalling如图7所示，CRH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，APUf起的作用相当于辅助交 流供电系统。APU

14、I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PW逆变器，向列车交流母线供电。 APUCRH辅助供电系统的核心。AP在要由输入 整流器、输入滤波器、辅助整流器、中间直流环节、PWM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勺功率可达227 kV - A。不X 柳药院朝*IW） v 不宏电覆票境人 席的 1（豫足节PWM 9 >Wi , IM _ _,出壮英豁靠iMmiaov不忘空电H餐就ttft* UM迎堂群国7 CRH2辅助供电系统结构图IflllOTV正电理累枇人TRI4视如一rvt 事定电，

15、强疣一LU定电屏系扰一三相4邮炉 餐定中联境；捕随受压界I AD二叔管不整整例号*勘修蠹1CKH2的直族供电第就Fig, 1 Structure of CRH2 auxiliaiy power supply system由于CRH辅助供电系统的负载用电情况较复杂， 本文将CRH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 VB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。殖2 CRH2各类搐助电源系统及其员我Tabt 2 Loflda of

16、CRH2 auxiljary power supply sy&rcm理类辅助电源系统单相400 V斥稔金电萩 统* + ” 31% .50 Hz 单相100 V不稚定电源系 统.+24 % 41% .50 Hz 三相400 V偿定电源系统, 十 10%一1。%.50 Hz弟相100 V稳定电源系统. + 10%10%,50 Hz单相220 V稳定电源系统. + 10%-10%.50 Hz直流100 V镣定电源系统t + 10%-一】0%空调装置，换气通风装置等热水器的加热器等容许电压 变动的设番牵引变压器,奈引变流器.摩受电机的风机等空调控制，显示器.上水装宣等车厢内播座,小奠部设备、

17、自 动售货机旗水供应播控制等车辆的控制电源，车厢照明. 蓄电池等接下来分别介绍这6类电源系统。首先，单相400V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APUft行整流，经过APU勺输入滤波器、整 流器、中间直流环节、三相PWM变器以及输出 滤波器，得到稳定的400 V/50 HE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急定电源系

18、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。CRH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。输入三相交流400 V/50 Hz辘出DC 100V千千1E 8 CRH2辅助整流器（ARD电路图Fig. & Circuit of CRH2 ARf3. 3 CRH3ffi助供电系统CRH寓速动车组由中国北车集团唐山轨道客车 有限责

19、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CRH由8节车组成（4M4T）,受电弓位于02与07车。CRH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；牵引变流器；ACU；辅助变流器单元； 计 ACU；双辅助变流器单元；BCJ蓄电池充电机； Bat为蓄电池。auxiliary posupply syaterin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

20、有一个额定功率160 kV A勺辅助变流器单元（ACU）, 这两个AC盼别J与01和08车的TRO流环节相连。ACU如图10所示）的结构与CRH的交流供电系统相似，变流器部分采用PWM（制三相两电平IGBT 逆变器。不同的是CRH用漏感较大的变压器代替 了 LC1波器中的电感。同时，在04和05车下各有 一个额定功率320 kV - A勺双辅助变流器单元（D ACU）这2个D-AC出另I与03和06车的TRO流 环节相连。D-ACU勺结构如图11所示，每个 A ACUFB由2个独立的ACIM输入与输出并联而成。 另外，每4节车的ACUf D-AC酶入端都用电缆相 连，以确保2个TR阱的一个失效

21、时辅助供电系统 仍能正常工作。所有ACUK计ACU勺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 V 60 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 V/60 Hz交流电压供给相应负载使 用。输出三相 交流电压 440 V/60Hz奉弓I回貉中辅助 向盘流环节毡变器博波电容图10 ACU结构示意图Fig. 10 Structure of ACU施出三相交流电压440 V，60 Hz辅助逆变器 辅助变压器朦波电容章引向路 辆助逆变器 辅助变乐器涛波电容 中间直流环节植出三相交流电压440 V/60 Hz图LI D-ACU结构示意图

22、Fig. 11 S”ii其口rt of D- ACU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 CRH相似。BCB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 v /50 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。* 3 RH3 辅助供电燎城也如线计Tab. 3 I.oadn of R H3 uuxil i«ry power nvppi y Jiy utem电用制式三粕交流44 0 V/60 Has单相交流230

23、 V/6O HxH 流 1 1 O V用柯交流?30 V/5O 卜壮仇毂情况客至百二一线正室空 M TIE空 F 压幅机电机 奉引隹乐部号却风机，谭引货商行风机.画 风Ft力口热 ”辅 助穿演 器单元符 地风机誓耐际阻缶、水系统加热电缶.麒沙省加热器、 车物咐加料器等列车照明条沅.在捏制挈力电源等第节车的捕注.期房设缶等3. 4 CR邯辅助供电系统CRH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SM艇列车，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。 CRH的辅助交流供电

24、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PW逆变器输出三相400 V/50 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 220V% 50 Hz 交流电。rF 菖渔输入 S1IL 一三相LC滤波器用12 CRH5轴助交流供电系统电路图Fig. 12 Circuit of CRH5 auxiliary power supply systemCRH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 Vt流电压供给直流 母线、蓄电池以及相应的直流负载

25、。4结束语近几年来，我国通过4种CRHW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 V/50 Hz,单相220 M/50 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CRH和CRH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