動(dòng)車組動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)研究

常呂國(guó)

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的快速發(fā)展，動(dòng)力集成技術(shù)在其中得到了廣泛的使用，基于此本文針對(duì)于，動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組集成技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容做以簡(jiǎn)單的研究，希望能夠?yàn)槲覈?guó)動(dòng)車事業(yè)的發(fā)展做出些許的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；動(dòng)力系統(tǒng)集成

1 動(dòng)車組概述

動(dòng)車組是火車的一種類型，是由至少兩節(jié)機(jī)車或帶動(dòng)力的車廂和若干節(jié)不帶動(dòng)力的車廂所組成的列車。動(dòng)車組起源于機(jī)車重聯(lián)，但與傳統(tǒng)重聯(lián)有所不同。重聯(lián)一般用于貨運(yùn)列車，主要是解決牽引力不足問(wèn)題，僅僅是增加機(jī)車數(shù)量，沒(méi)有改變車廂車皮的拖車性質(zhì)。動(dòng)車組幾乎只用于客運(yùn)列車，主要是解決加速度不足和最高速度受限的問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)裝置可以分別安放在多節(jié)載客車廂內(nèi)部，使這些車廂成為動(dòng)車，而火車頭卻可能成為只有操縱平臺(tái)但沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力的拖車，如中國(guó)最新的“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組。

而動(dòng)車組牽引系統(tǒng)是由許多電感、電容性元件所組成的復(fù)雜電路。主斷路器閉合、斷開(kāi)的瞬間會(huì)使?fàn)恳到y(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過(guò)渡為另一種電磁狀態(tài)，電磁能與靜電能在感性與容性元件中以電路固有頻率交替轉(zhuǎn)化，以致使在牽引變壓器一次繞組、牽引繞組上均出現(xiàn)過(guò)電壓，稱之為操作過(guò)電壓。目前動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主要分為兩類：一是主輔分離結(jié)構(gòu)，其牽引變壓器由牽引繞組、輔助繞組構(gòu)成；二是主輔一體結(jié)構(gòu)，牽引變壓器只有牽引繞組，輔助系統(tǒng)自牽引變流器的中間電容取電。文章主要探討兩種結(jié)構(gòu)牽引系統(tǒng)在主斷路器閉合、斷開(kāi)瞬間所產(chǎn)生的操作過(guò)電壓特性。

2 某研究所動(dòng)車組動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)案例研究

某研究所有限公司是國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)唯一的內(nèi)燃機(jī)車研究所，在柴油機(jī)、液力傳動(dòng)、電傳動(dòng)、冷卻換熱、電子電控等領(lǐng)域的科學(xué)研究均有著悠久的歷史，其技術(shù)水平居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。基于中國(guó)鐵路走出國(guó)門的發(fā)展戰(zhàn)略，以及中車企業(yè)廣泛拓展的內(nèi)燃動(dòng)車組海外市場(chǎng)，并于2012年開(kāi)始內(nèi)燃動(dòng)車組動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)的研究工作，并已先后為很多動(dòng)車組公司提供了車下布置電傳動(dòng)動(dòng)力包，為A公司出口HMU項(xiàng)目批量提供了車下布置電傳動(dòng)動(dòng)力包。目前正在為國(guó)內(nèi)主機(jī)廠進(jìn)行車下布置液傳動(dòng)力包的設(shè)計(jì)研制工作。

案例一：小功率電傳動(dòng)力包的研制

2013年某公司開(kāi)始為長(zhǎng)春Q公司CJ5型混合動(dòng)力動(dòng)車組研制車下布置電傳動(dòng)力包，采用MAND2876LUE604型柴油機(jī)，額定功率375kW，配以永磁同步交流發(fā)電機(jī)，動(dòng)力包額定輸出電功率330kW，通過(guò)兩級(jí)彈性減振器懸掛于車體下部。

該混合動(dòng)力動(dòng)車組采用電網(wǎng)與電池混合或柴油機(jī)與電池混合兩種牽引模式，兩動(dòng)一拖編組，電力混合牽引時(shí)最高運(yùn)行速度160km/h，內(nèi)燃混合牽引時(shí)最高運(yùn)行速度120km/h，主要用于支線、城際、市郊、通勤等旅客運(yùn)輸。

在研制過(guò)程中，先后進(jìn)行了柴油發(fā)電機(jī)組軸系扭振、兩級(jí)彈性懸掛動(dòng)力學(xué)、安裝框架強(qiáng)度等計(jì)算分析，開(kāi)展了包括動(dòng)力包性能、溫升、隔振、噪聲、排放、溫度場(chǎng)、低溫起動(dòng)、振動(dòng)沖擊等內(nèi)容的型式試驗(yàn)，以及動(dòng)力包與牽引電控系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)和車上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，先后通過(guò)了集團(tuán)公司公司和鐵路主管部門組織的方案評(píng)審、技術(shù)評(píng)審和試用評(píng)審，正準(zhǔn)備前往呼和浩特鐵路局進(jìn)行運(yùn)用考核。

在此基礎(chǔ)上，2016年某公司開(kāi)始為A公司出口HMU混合動(dòng)力動(dòng)車組研制車下布置電傳動(dòng)力包，采用MAND2876LUE631柴油機(jī)，滿足EUⅢB排放要求，額定功率390kW，配以永磁同步交流發(fā)電機(jī)，動(dòng)力包額定輸出電功率345kW，最大輸出電功率360kW，通過(guò)兩級(jí)彈性減振器懸掛于車體下部。

該動(dòng)車組采用柴油機(jī)和超級(jí)電容混合牽引模式，兩動(dòng)兩拖編組，最高運(yùn)行速度120km/h。主要用于馬來(lái)西亞非電氣化干線旅客運(yùn)輸。

由于其城市使用的是米軌，其動(dòng)車組車下可用空間非常狹小，因此為其設(shè)計(jì)的動(dòng)力包的外形尺寸小于3200mm×2600mm×740mm，整備重量小于4000kg，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均接近甚至超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

案例二：大功率電傳動(dòng)力包的研制

2015年某公司開(kāi)始為B公司雙動(dòng)力城際動(dòng)車組研制大功率車下布置電傳動(dòng)力包，采用MAND2862LE631柴油機(jī)，滿足EUⅢB排放要求，額定功率735kW，配以永磁同步交流發(fā)電機(jī)，動(dòng)力包額定輸出電功率660kW，通過(guò)兩級(jí)彈性減振器懸掛于車體下部。

該動(dòng)車組分別采用電力或內(nèi)燃兩種牽引模式，兩動(dòng)兩拖編組，電力牽引時(shí)最高運(yùn)行速度160km/h，內(nèi)燃牽引時(shí)最高運(yùn)行速度140km/h，主要用于城際旅客運(yùn)輸。

該動(dòng)力包的外形尺寸小于4800mm×2700mm×900mm，整備重量小于6600kg，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均接近國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

該動(dòng)力包是目前國(guó)際上能夠用于內(nèi)燃動(dòng)車組車下布置的功率最大的動(dòng)力包，采用的額定功率735kW的D2862LE631型柴油機(jī)是MAN公司全球該功率等級(jí)的首臺(tái)產(chǎn)品。

在研制過(guò)程中，先后進(jìn)行了柴油發(fā)電機(jī)組軸系扭振、兩級(jí)彈性懸掛動(dòng)力學(xué)、安裝框架強(qiáng)度等計(jì)算分析，先后通過(guò)了四方股份公司和中車股份公司組織的方案和技術(shù)設(shè)計(jì)評(píng)審，目前已完成動(dòng)力包樣機(jī)的研制，正在進(jìn)行型式試驗(yàn)，預(yù)計(jì)年底前完成與牽引電控系統(tǒng)的地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

通過(guò)B公司動(dòng)力包的研制，某公司已基本掌握了內(nèi)燃動(dòng)車組大功率電傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)，建立了大功率電傳動(dòng)力包的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化產(chǎn)品平臺(tái)，可根據(jù)項(xiàng)目的具體要求，略作局部調(diào)整即可提供滿足不同客戶個(gè)性化要求的設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品。

案例三：永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)概況

國(guó)內(nèi)，株洲H公司對(duì)永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的研究始于2003年，其研究的內(nèi)容主要集中在：永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法及對(duì)其制造工藝的研究以及永磁同步電機(jī)控制策略研究，并在此基礎(chǔ)上建立了永磁同步電機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)o

2008年，該公司完成了“鐵道車輛傳動(dòng)系統(tǒng)用永磁同步電機(jī)控制技術(shù)研究”，針對(duì)額定功率100 kW/峰值功率150 kW永磁同步牽引電機(jī)完成了功能性試驗(yàn)研究，并搭載在純電動(dòng)大巴上進(jìn)行考核運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車用40 kW/90 kW永磁同步牽引電機(jī)進(jìn)行了研制并已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2009年，針對(duì)地鐵額定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牽引系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、永磁同步電機(jī)樣機(jī)生產(chǎn)和試驗(yàn)平臺(tái)的搭建工作。2010年，對(duì)額定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)平臺(tái)完成了全速度范圍內(nèi)的試驗(yàn)，試制了多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，成功解決了電機(jī)溫升高、高速帶速重投、矢量控制下的同步調(diào)制等技術(shù)，掌握了永磁同步牽引系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、電機(jī)設(shè)計(jì)方法和控制方法。2011年，在前期研究基礎(chǔ)上對(duì)沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線裝車試驗(yàn)用永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)行了定型，完成了裝車樣機(jī)的生產(chǎn)、地面組合試驗(yàn)及相關(guān)可靠性試驗(yàn)，并在沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線完成了7000 km的AWO空載和AW3負(fù)載的現(xiàn)場(chǎng)裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好。沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線車輛永磁同步牽引系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次嘗試及應(yīng)用，地鐵車輛永磁同步牽引系統(tǒng)集成技術(shù)、永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)得到驗(yàn)證，為永磁同步牽引系統(tǒng)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。2014年11月6日我國(guó)第一輛永磁高鐵下線，標(biāo)志著我國(guó)己經(jīng)掌握永磁牽引技術(shù)，試驗(yàn)證明在裝備了永磁電機(jī)后，一輛原來(lái)需要6動(dòng)2拖的列車，只需要采用4動(dòng)4拖就可以，其節(jié)省的2輛動(dòng)車的牽引系統(tǒng)成本會(huì)使得安裝永磁電機(jī)的整列車牽引系統(tǒng)成本降低20%，同時(shí)由于永磁電機(jī)高效率的特點(diǎn)，不僅提高了列車的牽引效率，節(jié)省大量電能，而且能夠降低列車的全壽命周期成本。但是我國(guó)永磁同步牽引系統(tǒng)的研究距離商業(yè)化仍有一段時(shí)間，因此，加大對(duì)永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)我國(guó)永磁同步電機(jī)牽引技術(shù)的跨越式大發(fā)展，對(duì)我國(guó)軌道交通行業(yè)有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

3，總結(jié)

總的來(lái)講，目前國(guó)內(nèi)外動(dòng)車組均以電力牽引為發(fā)展方向，但內(nèi)燃牽引永遠(yuǎn)是不可或缺的重要補(bǔ)充，無(wú)論是在新建和維護(hù)成本方面，還是在運(yùn)用環(huán)境條件方面，以及災(zāi)害搶救、戰(zhàn)備運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域均有著無(wú)可替代的優(yōu)越性。因此，在歐洲和日本的城際鐵路、區(qū)域客運(yùn)、市郊通勤等領(lǐng)域，動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組 都是主力軍，德、法、英和日本均有上千列的 動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組 保有量，并仍在不斷更新?lián)Q代，蓬勃發(fā)展。近年來(lái)，隨著發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的崛起，東歐、南美、東南亞、甚至非洲的 動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組 需求量都在迅猛增加。雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組還處在起步階段，只有中車長(zhǎng)客股份公司和中車四方股份公司在進(jìn)行混合動(dòng)力和雙動(dòng)力城際動(dòng)車組的嘗試，但中車作為“一帶一路”的主力軍，已先后有中車唐山、浦鎮(zhèn)、株機(jī)公司分別向孟加拉、阿根廷、突尼斯、馬其頓、馬來(lái)西亞等國(guó)家批量出口了 DMU，未來(lái)國(guó)外潛在的目標(biāo)市場(chǎng)眾多，動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組 的國(guó)際市場(chǎng)潛力巨大。

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