淺析動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)

張文斌,宮衛(wèi)南

(1 鐵道部駐長(zhǎng)春車輛驗(yàn)收室,吉林長(zhǎng)春130062;2 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,吉林長(zhǎng)春130062)

列車輔助供電系統(tǒng)的可靠性、可用性、安全性非常重要,以高速動(dòng)車組為依據(jù),對(duì)輔助供電系統(tǒng)在動(dòng)車組上的應(yīng)用及主要性能進(jìn)行研究,將會(huì)給列車的輔助供電技術(shù)發(fā)展提供一些借鑒,為列車安全、高速、舒適的運(yùn)行提供行之有效的保障,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 輔助供電系統(tǒng)的基本原理及組成

動(dòng)車組為動(dòng)力分散的交流傳動(dòng)系統(tǒng),8輛編組,分為2個(gè)單元,4動(dòng)4拖。動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 輔助供電系統(tǒng)原理圖

1.1 輔助供電系統(tǒng)組成

輔助供電系統(tǒng)主要包括輔助變流器、充電機(jī)、蓄電池、單相逆變器、單相變壓器等部件。動(dòng)車組共設(shè)有4臺(tái)輔助變流器,2車和7車上各裝有一個(gè)單輔助變流器,在4車和5車中各裝有一個(gè)雙輔助變流器;充電機(jī)和蓄電池只在4車和5車設(shè)置;單相逆變器和單相變壓器每車都有設(shè)置。所有輔助變流器輸出通過(guò)干線并聯(lián)在一起為中壓負(fù)載供電,所有充電機(jī)與蓄電池輸出也通過(guò)干線并聯(lián)在一起為低壓負(fù)載供電。另外為了方便車輛檢修,在兩個(gè)雙輔助變流器各設(shè)置1個(gè)庫(kù)用插座。

1.2 輔助供電系統(tǒng)工作原理

輔助變流器的輸入電源為DC3 000 V,取自牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)。在動(dòng)車(1車、8車、3車、6車)上各裝有一個(gè)牽引變流器,正常情況下2車和7車上的單輔助變流器,分別連接至1車、8車內(nèi)的牽引變流器的中間電路。在5車和4車上的雙輔助變流器,分別連接至3車 、6車內(nèi)的牽引變流器的中間電路。在每個(gè)牽引單元的雙輔助變流器和單輔助變流器的輸入側(cè)均設(shè)有冗余設(shè)計(jì),當(dāng)一個(gè)單元中的一個(gè)牽引變流器出現(xiàn)故障時(shí),正常工作的一個(gè)牽引變流器,可為本單元的全部輔助變流器供電。

所有輔助變流器的輸出端都連接到列車母線上,同步提供三相交流440 V、60 Hz的電源。母線貫穿整個(gè)列車,出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)斷開(kāi)輔助變流器的輸出接觸器可實(shí)現(xiàn)隔離。輔助變流器裝置通過(guò)三相交流440 V、60 Hz母線全部實(shí)現(xiàn)同步,無(wú)需單獨(dú)的同步線?？照{(diào)系統(tǒng)、充電機(jī)、主空氣壓縮機(jī)、主變壓器與牽引裝置的冷卻系統(tǒng)為三相交流440 V、60 Hz電源的主要用電設(shè)備。

充電機(jī)連接到三相交流440 V、60 Hz供電母線上。充電機(jī)輸出電壓為DC110 V,通過(guò)DC110 V供電母線為DC110 V用電負(fù)載供電。充電機(jī)只能為本車蓄電池充電。DC110 V母線貫穿整個(gè)列車,分為 BD、BN1、BN23種。BD為不間斷電源,即不通過(guò)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等中間環(huán)節(jié)直接將供電母線與蓄電池連接,BN1、BN2為常規(guī)電源,通過(guò)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)將供電母線與蓄電池連接。蓄電池為車載應(yīng)急電源,在充電機(jī)故障時(shí)保證車輛重要負(fù)載的工作。

動(dòng)車組每節(jié)車都配有單相逆變器,由DC110 V供電母線供電,并為每節(jié)車提供單相交流230 V、50 Hz電源,方便旅客使用。各車之間的單相交流230 V、50 Hz電源并不連接。另外,動(dòng)車組每節(jié)車都配有單相變壓器,由三相交流440 V、60 Hz供電母線供電,并為每節(jié)車提供單相交流230 V、50 Hz電源,為列車中的低功率加熱裝置供電。各車之間的單相交流230 V、50 Hz電源并不連接。

為了能夠在高壓設(shè)備接地或列車停車時(shí)操作三相交流440 V、60 Hz列車母線的組件,可以為三相交流440 V、60 Hz列車母線提供三相交流380 V、50 Hz外部電源,電源插座設(shè)在4車和5車的雙輔助變流器上。整個(gè)動(dòng)車組的外部電源通常僅由兩個(gè)輔助變流器裝置中的一個(gè)提供。

2 輔助供電系統(tǒng)主要部件的性能及參數(shù)

2.1 輔助變流器

輔助變流器的功能是把牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)的直流電轉(zhuǎn)換為3AC 440 V、60 Hz交流電,為車載設(shè)備提供中壓電源。分單輔助變流器和雙輔助變流器兩種。輔助變流器裝置安裝在車下。輔助變流器中裝有功率半導(dǎo)體、開(kāi)關(guān)裝置、保險(xiǎn)絲、控制系統(tǒng)組件、冷卻系統(tǒng)組件和電感組件。輔助變流器裝置通過(guò)強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻。單輔助變流器和雙輔助變流器的原理圖分別見(jiàn)圖 2、圖 3。

圖2 單輔助變流器簡(jiǎn)化原理圖

輔助變流器的主要技術(shù)參數(shù):

輸入電壓:DC 2 700～3 600 V;

輸出電壓:3 AC 440 V、60 Hz;

額定功率:1×160 kVA(單輔),2×160 kVA(雙輔);

控制電壓:DC 110 V。

2.2 充電機(jī)

充電機(jī)的功能是把三相交流電轉(zhuǎn)換為DC 110 V電源,對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電,同時(shí)向與充電機(jī)并聯(lián)的負(fù)載供電。

圖3 雙輔助變流器簡(jiǎn)化原理圖

充電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù):

輸入電壓:3 AC 440 V、60 Hz;3 AC 380 V、50 Hz;

輸出電壓:DC 110 V;

最大輸出電流:544 A;

額定輸出功率:60 kW。

2.3 蓄電池

蓄電池的功能是在系統(tǒng)故障情況下,作為應(yīng)急系統(tǒng)電源,向重要負(fù)載供電。

蓄電池的主要技術(shù)參數(shù):

蓄電池(單節(jié))

類型:FNC1502H R;

標(biāo)稱電壓:1.2 V(單節(jié));

標(biāo)稱容量:160 Ah;

尺寸:115×122×309(單節(jié));

質(zhì)量:7.05 kg(單節(jié))。

蓄電池組

標(biāo)稱電壓:100.8 V;

標(biāo)稱容量:2×160 Ah。

3 輔助供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

為保證動(dòng)車組安全穩(wěn)定運(yùn)行,列車供電系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)。在輔助變流器的輸入端,一個(gè)牽引單元的兩臺(tái)牽引變流器互為冗余,在正常情況下1車、8車的牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)分別給2車、7車單輔助變流器供電;3車、6車的牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)分別給4車、5車雙輔助變流器供電。在一臺(tái)牽引變流器故障情況下,本單元的另一臺(tái)牽引變流器給本單元的所有輔助變流器供電,保證輔助供電系統(tǒng)正常工作。輔助變流器由于是并聯(lián)輸出,這樣就構(gòu)成了輸出的冗余。DC 110 V分配的冗余通過(guò)將冗余可用載荷轉(zhuǎn)移到總線 BN1和BN2上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一臺(tái)充電機(jī)故障時(shí),另一臺(tái)負(fù)責(zé)向列車所有的直流負(fù)載供電。但本車蓄電池不再被充電,因?yàn)殡姵氐某潆姳舜瞬贿B接。當(dāng)輔助變流器單元故障,例如由于接觸線電壓故障或因?yàn)樗兄鲾嗦菲鲾嚅_(kāi),電池的充電模式結(jié)束。充電的電池這時(shí)向電池總線供電。

當(dāng)一個(gè)單輔助變流器單元或一個(gè)牽引變流器單元故障時(shí),不會(huì)減少必須的供電。當(dāng)兩個(gè)單輔助變流器單元故障或一個(gè)雙輔助變流器單元故障時(shí),只有與旅客舒適度相關(guān)的負(fù)載需減少。有效功率管理確保在冗余可被使用的情況下最大可能范圍的可用輸出。這通過(guò)檢測(cè)輔助變流器單元的輸出電流來(lái)保證。當(dāng)最大輸出電流超過(guò)時(shí),空調(diào)系統(tǒng)或取暖系統(tǒng)的輸出被減少。

4 結(jié)束語(yǔ)

從動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的調(diào)試、試驗(yàn)及運(yùn)行情況看,該系統(tǒng)工作可靠,能夠滿足列車輔助用電需求,保證列車正常安全運(yùn)行。冗余設(shè)計(jì)是提高列車安全可靠性的重要對(duì)策,對(duì)提高列車運(yùn)行的安全系數(shù)有很大作用。

[1] 錢(qián)立新.世界高速鐵路技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

[2] 董錫明.高速動(dòng)車組工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[3] EN 50155鐵路應(yīng)用-鐵道車輛上用的電子設(shè)備[S].

[4] EN 50121-3-2鐵路應(yīng)用-電磁兼容性-第3-2部分:鐵道車輛:車上設(shè)備[S].