動車組能耗和節(jié)能技術(shù)研究

李鑫

摘要：隨著以高速動車組和地鐵為代表的軌道交通工具的大量應(yīng)用，在軌道交通工具追求“高速重載”的同時，經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為各個運(yùn)用單位和列車制造商共同追求的目標(biāo)。本文將對動車組的能耗進(jìn)行深入研究，并對新型電力電子變壓器、新型變流器技術(shù)等新型牽引傳動技術(shù)在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：動車組；能耗；節(jié)能技術(shù)

1動車組的受力與運(yùn)行方式對能耗的影響

1.1動車組受力分析

根據(jù)牛頓定律可知，動車組運(yùn)行時的受力原理如下：

式中：F合———動車組受到的合力；

F牽引力———動車組牽引傳動系統(tǒng)作用在輪周的牽引力；

F阻力———動車組受到的運(yùn)行阻力。

動車組的運(yùn)行阻力由空氣阻力、弓網(wǎng)阻力、輪軌阻力和附加阻力等組成，計算公式如下：

式中：v———動車組運(yùn)行速度，km/h；

a、b、c———系數(shù)（因動車組型號而異）。

根據(jù)式（3）可以推算出當(dāng)動車組運(yùn)行速度達(dá)到200km/h時，空氣阻力占運(yùn)行阻力的80%，并且隨速度的增加呈拋物線式快速增加。

1.2動車組運(yùn)行方式

動車組在運(yùn)行時，其運(yùn)行方式將受到主觀和客觀因素影響。主觀因素包括動車組運(yùn)行速度、運(yùn)行時間、啟停次數(shù)、司機(jī)操作方式、輔助系統(tǒng)工作方式等由運(yùn)營部門和動車組操作者根據(jù)運(yùn)行圖和司機(jī)操作規(guī)范等文件決定的因素；客觀因素包括由動車組線路限速（曲線半徑、坡道坡度等原因）、臨時限速（天氣、線路施工等原因）、分相區(qū)數(shù)量和位置等不可抗力決定的因素。

仿真計算表明：動車組運(yùn)行速度、站間距和啟停次數(shù)對動車組能耗有明顯的影響，動車組能耗隨著運(yùn)行速度的提高而增加，站間距越長動車組的能耗越低，頻繁的啟停將降低動車組牽引傳動系統(tǒng)的利用率，導(dǎo)致動車組能耗增加。

1.3動車組能耗計算方法

動車組總能耗w計算公式如下：

式中：wy———列車運(yùn)行耗電量，kW·h；

wz———再生制動耗電量，kW·h；

U———網(wǎng)側(cè)電壓，kV；

I———網(wǎng)側(cè)電流，A；

t———動車組運(yùn)行時間，s；

tdz———動車組再生制動時間，s。

由于不同型號動車組的定員數(shù)量存在差異，可以使用人均百公里能耗指標(biāo)（kW·h/（人·百公里））來評價不同型號動車組能耗的優(yōu)劣，具體計算公式為：

式中：n———動車組定員數(shù)量；

l———動車組運(yùn)行總里程，km。

在實(shí)際工作中，通常采用實(shí)際測試和理論計算2種方式對動車組的能耗進(jìn)行分析，文獻(xiàn)表明，2種方式的相對誤差<1%，因此可以采用理論計算的方法對能耗進(jìn)行定量分析。

2動車組固有參數(shù)對能耗的影響

為研究動車組固有參數(shù)對能耗的影響，對動車組牽引傳動系統(tǒng)效率、質(zhì)量、運(yùn)行阻力（動車組基本運(yùn)行阻力?。篎阻力1=3.3+0.0466v+0.000915v2）、輔助系統(tǒng)能耗與動車組能耗的關(guān)系進(jìn)行仿真計算分析。模擬動車組從0開始滿牽引力啟動，在速度達(dá)到350km/h時保持恒速運(yùn)行，在到達(dá)終點(diǎn)前轉(zhuǎn)最大電制動減速直至停車（根據(jù)制動力特性計算確定施加最大電制動的位置），接觸網(wǎng)網(wǎng)壓為27.5kV，不考慮環(huán)境、分相區(qū)位置和線路限速對動車組的影響。

2.1動車組牽引傳動系統(tǒng)效率和能耗關(guān)系

設(shè)置不同的牽引傳動系統(tǒng)效率參數(shù)。牽引傳動系統(tǒng)效率的提升對能耗有顯著影響，牽引傳動系統(tǒng)效率每提升1%，能耗便減少1.03%。

2.2動車組質(zhì)量和能耗關(guān)系

設(shè)置不同的動車組質(zhì)量參數(shù)，動車組質(zhì)量的變化對能耗有影響，動車組質(zhì)量每降低1%，能耗能夠減少0.82%左右。

2.3動車組運(yùn)行阻力和能耗關(guān)系

設(shè)置不同的動車組運(yùn)行阻力，動車組運(yùn)行阻力的降低對能耗有顯著的影響，運(yùn)行阻力每降低1%，能耗能夠減少1.5%左右。

2.4輔助系統(tǒng)能耗和動車組能耗關(guān)系

輔助系統(tǒng)能耗主要為空調(diào)系統(tǒng)能耗、充電機(jī)系統(tǒng)能耗、照明系統(tǒng)能耗以及其他系統(tǒng)能耗的總和，其能耗值均為定值且與動車組的運(yùn)行速度呈現(xiàn)弱相關(guān)性，因此隨著動車組運(yùn)行速度的增加，輔助系統(tǒng)的能耗在動車組總能耗中的比例快速下降并保持穩(wěn)定，比重小于2%，其變化量對總能耗的變化影響不大。

2.5討論

通過動車組牽引傳動系統(tǒng)效率、質(zhì)量、運(yùn)行阻力、輔助系統(tǒng)能耗與動車組能耗關(guān)系的仿真計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）提升牽引傳動系統(tǒng)效率可顯著地降低動車組的能耗，原因是在牽引傳動系統(tǒng)效率提升后動車組能夠?qū)恳β蕮p耗降低，進(jìn)而降低網(wǎng)端功率，減少能耗；（2）降低動車組質(zhì)量和運(yùn)行阻力是降低能耗最有效的途徑；（3）輔助系統(tǒng)能耗在動車組進(jìn)入高速段后保持穩(wěn)定，其變化對整個動車組能耗影響不明顯。

3新技術(shù)對能耗的優(yōu)化分析

根據(jù)動車組牽引傳動系統(tǒng)的構(gòu)成，影響牽引傳動系統(tǒng)效率的主要因素有：齒輪傳動裝置效率、牽引電動機(jī)效率、牽引變流器效率和主變壓器效率。因此，可將新型的電力電子變壓器技術(shù)、變流器技術(shù)和永磁電動機(jī)技術(shù)應(yīng)用到動車組中，提升牽引傳動系統(tǒng)效率；同時，采用新型材料技術(shù)和降阻技術(shù)降低動車組的質(zhì)量和運(yùn)行阻力，優(yōu)化動車組的能耗。

3.1新型電力電子變壓器技術(shù)

傳統(tǒng)的動車組變壓器質(zhì)量通常在4t左右，占單車質(zhì)量的8%～12%，效率在96%左右。新型電力電子變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比，最大區(qū)別是將變壓器技術(shù)和電力電子變流技術(shù)融合在一起，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器的小型化和輕量化，同時具備更高的效率（97%）和效率質(zhì)量比值。

3.2新型變流器技術(shù)

牽引變流器質(zhì)量通常在4t左右，占單車質(zhì)量的10%左右，效率在97%左右。在工程實(shí)踐中，可以利用碳化硅材料禁帶寬度高、泄露電流小、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)通損耗小、耐電壓性和耐電流性高等特性，將碳化硅材料和變流器中的功率器件IGBT配套使用，在提升變流器功率和效率的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)變流器的小型化和輕量化。

3.3永磁電動機(jī)技術(shù)

牽引電動機(jī)單個質(zhì)量在1t左右，與傳統(tǒng)異步牽引電動機(jī)相比較，永磁同步電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)的特殊性，具有功率密度高、轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在提升電動機(jī)效率的同時，質(zhì)量能夠降低30%，體積減小10%。

3.4新型材料技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，內(nèi)裝材料的質(zhì)量占單車質(zhì)量的15%，碳纖維、超高強(qiáng)度鋼等技術(shù)目前正在逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用中，同時，輕質(zhì)金屬、納米陶瓷纖維等新技術(shù)也在不斷取得新的進(jìn)展，因此可以在內(nèi)裝零部件（車內(nèi)、車窗、桌椅和其他內(nèi)飾等）的設(shè)計和制造過程中應(yīng)用以上新型材料，實(shí)現(xiàn)整車減重的目的。

3.5降阻技術(shù)

在動車組的運(yùn)行阻力中，空氣阻力在高速段占據(jù)了超過80%的比重，因此可以通過采用仿生學(xué)設(shè)計車頭、優(yōu)化動車組表面特性以及采用前沿新型降阻技術(shù)（電弧流通控制降阻）降低空氣阻力。

結(jié)論

目前，經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保已經(jīng)成為動車組技術(shù)發(fā)展的重要方向，通過本文的分析，可以初步歸納出動車組未來的發(fā)展趨勢和工作思路：新型牽引傳動技術(shù)將廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展，傳統(tǒng)的牽引傳動系統(tǒng)在效率比、質(zhì)量比、功率比和體積比等方面已經(jīng)較難取得突破性進(jìn)展，從某種程度上約束了動車組的能耗與“經(jīng)濟(jì)+綠色+環(huán)保”體系的發(fā)展，因此發(fā)展和應(yīng)用新型牽引傳動技術(shù)已經(jīng)成為動車組發(fā)展的必然需求；合理編制運(yùn)行圖和動車組運(yùn)行速度，根據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)分析在不同時段、不同區(qū)間的客流走向和趨勢，在滿足旅客出行的前提下實(shí)現(xiàn)能耗比的優(yōu)化；建立動車組能量管理體系，在降低能耗的基礎(chǔ)上，開展動車組的能量回收技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對能量的綜合管理；開展前沿技術(shù)的探索與研究，對非接觸式受流技術(shù)、電弧流通控制降阻等顛覆性技術(shù)展開探索，為未來動車組技術(shù)發(fā)展提供一定的鋪墊。

參考文獻(xiàn)

[1]張杰，張倩，韋永全，田學(xué)靜.動車組節(jié)能運(yùn)行控制策略仿真分析[J].機(jī)車電傳動，2018（05）：34-37.

[2]張瓊潔.高速動車組節(jié)能運(yùn)行操縱策略研究[D].華東交通大學(xué)，2014.

（作者單位：北京鐵路集團(tuán)天津動車客車段天津動車所）