我国动车组各型车辅助供电分析与比较

1、随着高速铁路技术在我国的迅速发展，高速铁路动车组技术的消化吸收是我国铁路建设急需要解决的问题，其中高速铁路动车的辅助供电系统是其重要组成部分。高速动车组辅助供电系统的设计需要考虑很多实际的问题，需要能适应经常启动和停止运行。动车组的辅助供电系统的负载比传统电力机车要更加繁多，不仅仅担负着牵引辅助风机等牵引辅助系统，同时也担负着车内供暖，照明等旅客用电系统。各种不同的负载会经常的启动和停止，所以，高速动车组助供电系统比传统电力机车要复杂的多，对其技术要求也更高。我国现有高速铁路动车组辅助供电系统的方案CRH1型动车组的辅助供电系统CRH1的辅助系统包括辅助电源系统和辅助用电设备。辅助用电设备包括

2、HVAC（采暖、通风、空调）系统、空压机、风机、电池充电模块及车辆控制、照明等装置。辅助系统是一个连接在各车箱之间的电源的供电源配电系统，提供：（1） 三相四线制50HZ、400V交流电源；（2） 110V直流电源。供列车辅助交流和直流设备使用。CRH1的辅助电源系统从主变流器的直流侧接受DC1650V的电能，通过辅助变流器逆变为三相交流电，再通过辅助变压器和交流滤波器输出给电源母线AC400V/50Hz交流电最后经供电母线分配给不同的负载，如下图所示辅助供电系统框图CRH1采用的是动力分散的设计，每列车有8辆编组，其中5辆为装载了牵引电机的动力车，其他3辆为无动力的拖车(即5动3拖设计)。由

3、于涉及辅助供电系统各辅机负载的分配和辅助变流器个数，位置的具体信息，需要详细介绍下该动车的结构。由于动车为双向对称结构，因此需要从左向右对动车的车厢进行命名和标记，通常，将此列车分为3个列车基本单元(TBU)，每单元由两动一拖或一动一拖组成。每节动车车厢上都设置主变流器和辅助变流器，每列拖车上都设有主变压器。因此，在CRH1型动车上，共有5组辅助变流器并联工作。在正常情况下，这5台辅助变流器同时工作，将逆变出的三相交流电输送到交流母线上。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 kV·A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

4、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。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。辅助变压器和3相交流母线之间设置一个三相分离接触器，当ACM不工作的时候，交流母线和辅助变压器之间要采用分离接触器进行隔离。系统的各用电负载均从这个交流母线上获取电能。由于需要从主变流器的DC环节取电，因此在安装时每个辅助变流器都安装在主整流器箱内。CRH1型动车组可分

5、为3个独立的列车单元，每个单元都可以独立工作。其辅助供电系统也是分单元配置的。每个供电单元都有专门的接触器来负责将此单元接入或断开母线。当其中某个辅助变流器出现故障时，可以将此变流器从交流供电母线上切除，将负载功率分配到其他辅助变流器。但是，这时5辆车的客车高压交流负载比正常情况要减载一半。但不是同时将所有负载都关掉一半，而是保持有3台车的负载全功能运行，整车负载轮流供电。CRH2型动车组的辅助供电系统CRH2型动车共有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向其所在的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

6、电源。CRH2的辅助供电系统由牵引变压器辅助绕组、辅助电源装置、蓄电池、辅助及控制用电设备、地面电源等几部分组成。辅助电源装置由APU和ARF两部分组成。其辅助系统的供电模式时由主牵引变压器抽出一个辅助绕组，将网压变到交流400V，然后从辅助绕组取电，经脉冲整流器整流至850V的中间值流后，再逆变成可控的400V， 50Hz的三相交流电提供到辅助电源母线上，原理图下图所示。CRH2型动车辅助供电系统原理框图CRH2型动车的输出电压制式繁多，种类复杂，其实按照负载种类的不同来提供不同的电能。其中的单相400V不控交流直接从牵引变压器的副边辅助绕组上取电，不经过控制直接给空调和换气装置提供电能。因

7、此，CRH2的空调装置需要自己配置变流器，否则有可能不能适应大范围的电压波动。而且，CRH2的稳压400V电源不是直接对负载供电，而是通过隔离变压器将三相交流电压分别转化为AC200V和 AC100V的两个单相交流电输出，其输出的两个电压幅值不相等但功率相等，因此有可能造成三相的不平衡供电。CRH2的ARF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。CRH3型动车组的辅助供电系统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(3000V)给辅助供电系统提供电源。与CRH1型车相比，CRH3型动车组的辅助

8、供电系统虽然也是采用直一交模式对辅助设备进行供电，但其在设计时充分考虑了乘坐的舒适性和作为客运列车的需要，客车车体内的照明，插座等旅客用电均是由每节车厢自带的逆变器将直流蓄电池总线上的110V直流逆变为交流220V分别提供。其辅助供电系统的供电原理图如下图所示。CRH3型动车组辅助供电系统原理框图CRH3共设有4个辅助逆变单元，其中两个为功率为160KV，分别位于车辆的第2和第7节。另外两个逆变单元分别是由两个单台功率为160KV并联而组成的双逆变单元，这两个双逆变单元别位于动车组的第4和第5节车上。其中通风机、压缩机等大功率用电器直接从三相交流母线上取电。在辅助逆变器逆变出440V/60Hz

9、的三相交流电经传输到交流母线后，在每节车厢都设有一个变压器，从三相交流母线上取两相通过变压器变为单相230V/60Hz的单相交流电供给本节车厢的相应设备供电。CRH5型动车组的辅助供电系统CRH5的动车辅助供电系统由辅助变流器，蓄电池，充电机等组件组成。每列车有5台辅助变流器，都设置在每个动车车厢内，与牵引变流器设置在一起。CRH5的辅助供电系统也是由牵引变流器的中间直流处取电。和其他两种从中间直流处取电所不同的是，其没有直接逆变成三相交流电提供到交流母线作为主要的辅助供电系统的输出，而是经过一个斩波电路将其降为DC600V之后再逆变为三相交流电为辅机供电。其供电方式及各级电压制式参数如下图所

10、示。CRH5型动车组的辅助供电系统原理框图由上图可知，CRH5型车的辅助供电系统的输出电压制式比较简单，只有AC400V/50Hz和DC24V两种，其中压负载(AC400V)主要是压缩机、牵引电机及变压器的冷却风机、空调、采暖等较大功率的设备；低压直流负载主要是照明系统、客车车门系统、辅助升弓装置、紧急通风等小功率负载或在无外电源输入下的紧急情况使用的负载。CRH5型车的辅助变流器是由降压斩波器和PWM脉冲整流器构成的辅助逆变器组成。由于中间直流电压太高，所以采用了两个串联的半桥电路作为前端，通过隔离变压器后用一个全桥的二极管整理输出直流，这样做的好处是可以将管压降降低一半。然后经过IGBT和

11、电容组成的谐振滤波器进行滤波。其主电路的原理图如下图所示。CRH5辅助逆变器原理图在正常情况下，CRH5型动车组的5个辅助变流器同时给辅助系统供电，但在故障模式下，供电模式比较复杂。因为其主要是依靠接触器切换来控制不同的负载轮流供电，所以当发生两台以上辅助变流器故障时，就需要复杂的接触器切换算法来实现。高速动车组辅助供电系统比较分析下表粗略地归纳了CRH1，CRH2，CRH3和CRH5的辅助供电系统情况高速动车组辅助供电系统概况车型辅助供电系统结构辅助供电系统总功率/kV·A辅助供电系统输入电压交流母线电压直流母线电压/V蓄电池充电机结构CRH1直交型 (逆变器+LC滤波器+降压变压

12、器）740取自牵引回路直流环节DC1650V三相四线400V/50Hz110三相半控桥整流+半桥式直直变换器CRH2交直交型 (PWM整流器+逆变器)410取自牵引变压器辅助绕组单相AC400V/50Hz有多种制式100变压器+三相二极管不控整流CRH3直交型 (逆变器+降压变压器+滤波电容)960取自牵引回路直流环节DC3000V三相三线400V/60Hz110同CRH1的蓄电池充电机结构相似CRH5直交型 (直交直降压电路+逆变器+LC滤波器)1500取自牵引回路直流环节DC3600V三相三线440V/50Hz24同CRH1的蓄电池充电机结构相似辅助供电系统输出电压制式的比较CRH5和CR

13、H1的供电制式比较单一，交流和直流各只有一种。而CRH2的供电制式非常复杂。但是供电制式单一和复杂各有其优缺点。对于供电制式复杂的系统，供电种类多，增加了车内布线的难度，对维护和保养都增加了难度。但是正因为供电制式多，说明其对辅助系统内不同的负载都分别进行按需供电，对于需要稳压的负载进行稳压供电；对电压要求不敏感的负载采用波动较大的不控电源，直接用变压器输出。这样做能够提高整个系统的效率，减小辅助变流器的功率，从而对资源进行合理优化配置，使得整个系统的设计最优。对于单一供电制式的系统，其输出只有一种电压制式，做到了全车负载统一供电。这样做能够极大的简化车内供电系统的配电。而且在辅助变流器出现故

14、障的时容易处理，可以方便的在交流母线上设计接触器进行相互负载切换，在故障模式的下可以通过巧妙的接触器切换算法来保障整车全负载或者降载运行。但是其缺点是所有用电设备都接到了由辅助变流器精确控制输出的交流母线上，增加了辅助变流器的设计容量，也就增加了制造成本。辅助供电系统运行效率的比较由于辅助供电系统实际运行中输出功率较大，因此其运行效率问题就应得到充分重视。在以上的四种车型中，直-交型机车的辅助供电系统虽然是经过一次变换得到交流电为主要负载供电，但是其直流也是经过主整流器从主变压器上经过交-直变换而来，因此总的来说，主要负载经过的电力变换的次数是相同的。而CRH2型机车并不是所有辅助供电负载都是

15、经过交-直-交变换后向辅助系统供电，而是由一部分直接提供给了负载，因此在各级转换效率相同的情况下，其电力转换过程中的能耗最低。CRH1型和CRH5型车的主要负载都是从交流母线上直接取电，其它的直流负载经蓄电池充电机整流后提供，转换效率也相对较高。在以上车型中，尤其是CRH3型动车的辅助供电系统的电力转换次数最多，系统设计相对复杂。其它3种车型交流负载均直接由辅助变流器的逆变输出或通过变压器得到，而CRH3型车的车内一部分交流负载还由蓄电池的110V直流输出再进行逆变得到。而且每个车厢内均设置了一个交流逆变器，用以车内插座和部分紧急用电设备的供电。这样做的好处是在接触网失电的情况下也能保证车内的

16、乘客用电，提高了乘坐的舒适度，但这样得到的电能己经是经过了5次变换得到，即使每次变换的效率都在90%，其效率也只有l×(90%)5，也就是59%的效率，相当低下。不过这也很有可能是由于车内辅助供电系统的交流制式是60Hz，与我国50Hz的交流电标准不同，如果专为出口我国而更改其它所有辅助负载又成本太高，因此做了这样的设计。如果是这样，由于标准制式不同带来的能源和设备成本的浪费是相当大的。由此也可以看出将引进技术国产化是一项非常紧迫的任务，而且在以后我国的辅助供电系统的研究设计，应尽量避免此类能耗高的设计。辅助供电系统在受电弓失电时的工作模式比较下表粗略地归纳了CRH1，CRH2，CRH3和CRH5的辅助供电系统在受电弓失电时的供电情况。在受电弓失电时各车型辅助供电系统的供电情况列车型号辅助供电系统取电处受电工失电类型短时缺电长时失电有车速无车速CRH1主整流器中间直流满负荷工作满负荷工作仅直流负载供电CRH2主变压器辅助绕组仅直流负载供 电仅直流负载供电仅直流负载供电CRH3主整流器中间直流满负荷工作满负荷工作直流及车内220V/50Hz交流供电CRH5主整流器中间直流满负荷工作满负荷工作仅直流负载供电由以上的分析可知，采用直-交式供电的辅助供电系统在受电弓失电的情况下要比采用交-直-交式供电的动车在系统稳定性和乘坐舒适性方面要高得多