動車組供電系統構成及原理探究

（山東職業學院,濟南 250104）

0 引言

接觸網作為動車組的供電電源，一般采用25 kV/50 Hz的單相交流電。利用受電弓將電流傳遞到動車組牽引系統之后，經過整流器將單相交流電變換成不同制式的電壓，為動車組提供動力，并為輔助供電系統供電?，F代高速動車組技術重要的組成部分之一是輔助供電系統，它可以為列車內的各負載提供交流或直流電源，比如空調、采暖、通風、照明、制動、牽引系統、冷卻風扇、控制單元等部件，從而保證列車安全運行，同時提供舒適的乘坐環境[3]。輔助電源系統、電源分配系統、輔助用電設備是動車組輔助供電系統的主要組成。

1 CRH系列動車組輔助供電系統特點

1.1 供電電壓

采用兩種制式的供電電壓，即交流380 V/50 Hz、220 V/50 Hz和直流110 V。

1.2 供電模式

輔助變流器是交流供電的電源設備，供電結構如圖1所示：

圖1 交流供電結構圖

動車組具有兩個獨立的牽引單元，每個牽引單元的兩個主變流器同時與本單元的兩個輔助變流器連接，實現冗余設計，保證供電穩定性。輔助變流器通過供電母線向整列車輸出AC400 V/50 Hz交流電，聯網供電。

DC110 V直流供電結構如圖2所示。

動車組的2個牽引單元各設1套DC110 V直流供電電源裝置，包括充電機和蓄電池。其中，蓄電池和充電機互為冗余設計。

直流供電等級分為不間斷供電干線和為母線供電兩級。BD為不間斷供電干線，它與蓄電池直接連接，一般掛接供電要求較高的直流負荷。L1、L2母線供電則利用接觸器與充電機和蓄電池連接。

圖2 直流供電結構圖

2 整流和逆變電路分析

圖3 單相橋式逆變電路

整流電路的主要任務是把交流電轉換為直流電。由于動車組供電系統需要的功率一般比較大，所以常采用半橋或者全橋整流電路。橋式整流電路又分為相控整流和PWM脈沖整流兩類。目前較常用的是PWM脈寬調制技術整流方式。如圖3所示，電壓型PWM整流器直流側用電容儲能，工作時，輸入正弦波的正半部分通過兩只電子管，得到正輸出；換到正弦波的負半部分時，導通另外兩只管，由于兩只管反接，輸出仍是正弦波的正半部分[5]。這種整流技術具有“雙向傳輸能量”功能，能夠實現平穩切換牽引和再生制動工況。并且具有“低諧波，輕污染”“穩定中間直流電路電壓輸出”“單位功率因數高”等優點。

逆變電路利用不同電子器件的組合，通過半導體功率開關器件的通斷，使得輸出交流電。逆變器有多種分類方法，根據輸出端電源的特點，逆變器分為有源逆變和無源逆變兩種。根據輸入端電源的特點，可分為電流型和電壓型逆變器等。其工作原理如圖4所示，四個橋臂中每一組橋臂的開關器件分別同步連通或關斷，兩組橋臂交替導通180°。這樣電阻R上就可以獲得含有諧波的交流電壓，濾波后即可得到正弦波電壓。

圖4 電壓型單相全橋逆變電路

3 不同車型動車組輔助供電系統構成探究

我國現有的動車組車型主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等，由于這幾種車型的主要技術大多來自不同的國外廠家引進，所以其輔助供電系統的構成也存在著諸多差異。

3.1 CRH1型動車組輔助供電系統

CRH1型動車組分為3個列車基本單元，簡稱TBU，每個單元包括兩動一拖或者一動一拖，結構組成如圖5所示。該車型上共安裝了5組輔助變流器，運行時，同時將三相交流電輸送給母線。

圖5 CRH1型動車組結構供電系統

該車型的輔助供電系統框圖如圖6所示。

圖6 CRH1型動車組輔助供電系統

該車型利用交-直-交的供電方式，將受電弓上的25 kV交流電整流為DC1 650 V，然后再經過輔助變流器ACM逆變為876 V，頻率為50 Hz的交流電，最后經過濾波器和輔助變壓器將電壓降至400 V，供給交流母線[1]。三相交流母線和輔助變壓器之間設計了三相分離接觸器，防止當ACM不工作時，對交流母線和輔助變壓器之間進行分離。

3.2 CRH2型動車組輔助供電系統

該車型設計了兩套輔助電源裝置，分別裝設在1號和8號車，任意一套供電設備出現問題，列車都可以通過另外一套設備給全列車供電。其供電系統原理框圖如圖7所示。

圖7 CRH2型動車組輔助供電系統

CRH2型車的輔助供電系統能夠輸出多種電壓制式的電能，該系統通過主牽引變壓器將25 kV的電網電壓變換為AC400 V，然后經過整流器變換成DC850 V的中間值，再繼續逆變為可控的400 V/50 Hz三相交流電傳送至三相母線上，利用變壓器還可以繼續轉換為AC100 V和AC200 V。其中單相400 V給空調裝置供電，三相400 V供給空氣壓縮機、通風機等大功率器件，DC100 V供給照明、蓄電池等直流器件[2]。

3.3 CRH3型動車組輔助供電系統

CRH3型車采用了直-交的模式進行供電，其供電原理如圖8所示。

圖8 CRH3型動車組輔助供電系統

該車型的供電系統最大特點是每節車廂自帶逆變器，可以將蓄電池中的DC110 V逆變為AC220 V，給車廂內的照明、插座等提供電能。整體車型設計成四動四拖的形式，第2、4、5、7號車為動車，其中2、7號車廂設計了160 kV的輔助逆變系統，第4、5號車廂安裝了由兩臺功率為160 kV并聯而成的雙逆變單元。類似壓縮機、通風機等大功率器件的用電直接來源于三相交流母線[4]。

3.4 CRH5型動車組輔助供電系統

該型車的輔助供電系統主要由蓄電池，逆變器、充電機等組成。和以上幾種車型的輔助供電系統變電方式不同的是，他沒有直接逆變為三相交流電供給交流母線輸出使用。供電系統原理如圖9所示。

圖9 CRH5型動車組輔助供電系統

比較CRH3型車，CRH5型車輸出的電壓制式簡單，其中AC400 V主要供給壓縮機等大功率器件，DC24給低壓直流負載供電。由于中間的直流電壓過高，在系統設計時，采用了半橋作為前端電路，通過隔離變壓器后，利用全橋輸出直流[6]。

4 小結

動車組作為高速旅客列車，其行駛的安全性和穩定性對于人民生命財產安全極為重要。通過對幾種常見車型的輔助供電系統進行分析比較，利用整流和逆變的原理，深入淺出的探究了幾種不同的動車組車型輔助供電系統的結構及特點，對于改進和提升未來高速列車整個供電系統的穩定性和效率，奠定了一定的理論基礎。