动车组能耗和节能技术研究

李鑫

摘要：随着以高速动车组和地铁为代表的轨道交通工具的大量应用，在轨道交通工具追求“高速重载”的同时，经济性已经成为各个运用单位和列车制造商共同追求的目标。本文将对动车组的能耗进行深入研究，并对新型电力电子变压器、新型变流器技术等新型牵引传动技术在节能技术上的应用进行分析。

关键词：动车组；能耗；节能技术

1动车组的受力与运行方式对能耗的影响

1.1动车组受力分析

根据牛顿定律可知，动车组运行时的受力原理如下：

式中：F合———动车组受到的合力；

F牵引力———动车组牵引传动系统作用在轮周的牵引力；

F阻力———动车组受到的运行阻力。

动车组的运行阻力由空气阻力、弓网阻力、轮轨阻力和附加阻力等组成，计算公式如下：

式中：v———动车组运行速度，km/h；

a、b、c———系数（因动车组型号而异）。

根据式（3）可以推算出当动车组运行速度达到200km/h时，空气阻力占运行阻力的80%，并且随速度的增加呈抛物线式快速增加。

1.2动车组运行方式

动车组在运行时，其运行方式将受到主观和客观因素影响。主观因素包括动车组运行速度、运行时间、启停次数、司机操作方式、辅助系统工作方式等由运营部门和动车组操作者根据运行图和司机操作规范等文件决定的因素；客观因素包括由动车组线路限速（曲线半径、坡道坡度等原因）、临时限速（天气、线路施工等原因）、分相区数量和位置等不可抗力决定的因素。

仿真计算表明：动车组运行速度、站间距和启停次数对动车组能耗有明显的影响，动车组能耗随着运行速度的提高而增加，站间距越长动车组的能耗越低，频繁的启停将降低动车组牵引传动系统的利用率，导致动车组能耗增加。

1.3动车组能耗计算方法

动车组总能耗w计算公式如下：

式中：wy———列车运行耗电量，kW·h；

wz———再生制动耗电量，kW·h；

U———网侧电压，kV；

I———网侧电流，A；

t———动车组运行时间，s；

tdz———动车组再生制动时间，s。

由于不同型号动车组的定员数量存在差异，可以使用人均百公里能耗指标（kW·h/（人·百公里））来评价不同型号动车组能耗的优劣，具体计算公式为：

式中：n———动车组定员数量；

l———动车组运行总里程，km。

在实际工作中，通常采用实际测试和理论计算2种方式对动车组的能耗进行分析，文献表明，2种方式的相对误差<1%，因此可以采用理论计算的方法对能耗进行定量分析。

2动车组固有参数对能耗的影响

为研究动车组固有参数对能耗的影响，对动车组牵引传动系统效率、质量、运行阻力（动车组基本运行阻力取：F阻力1=3.3+0.0466v+0.000915v2）、辅助系统能耗与动车组能耗的关系进行仿真计算分析。模拟动车组从0开始满牵引力启动，在速度达到350km/h时保持恒速运行，在到达终点前转最大电制动减速直至停车（根据制动力特性计算确定施加最大电制动的位置），接触网网压为27.5kV，不考虑环境、分相区位置和线路限速对动车组的影响。

2.1动车组牵引传动系统效率和能耗关系

设置不同的牵引传动系统效率参数。牵引传动系统效率的提升对能耗有显著影响，牵引传动系统效率每提升1%，能耗便减少1.03%。

2.2动车组质量和能耗关系

设置不同的动车组质量参数，动车组质量的变化对能耗有影响，动车组质量每降低1%，能耗能够减少0.82%左右。

2.3动车组运行阻力和能耗关系

设置不同的动车组运行阻力，动车组运行阻力的降低对能耗有显著的影响，运行阻力每降低1%，能耗能够减少1.5%左右。

2.4辅助系统能耗和动车组能耗关系

辅助系统能耗主要为空调系统能耗、充电机系统能耗、照明系统能耗以及其他系统能耗的总和，其能耗值均为定值且与动车组的运行速度呈现弱相关性，因此随着动车组运行速度的增加，辅助系统的能耗在动车组总能耗中的比例快速下降并保持稳定，比重小于2%，其变化量对总能耗的变化影响不大。

2.5讨论

通过动车组牵引传动系统效率、质量、运行阻力、辅助系统能耗与动车组能耗关系的仿真计算结果可以发现：（1）提升牵引传动系统效率可显著地降低动车组的能耗，原因是在牵引传动系统效率提升后动车组能够将牵引功率损耗降低，进而降低网端功率，减少能耗；（2）降低动车组质量和运行阻力是降低能耗最有效的途径；（3）辅助系统能耗在动车组进入高速段后保持稳定，其变化对整个动车组能耗影响不明显。

3新技术对能耗的优化分析

根据动车组牵引传动系统的构成，影响牵引传动系统效率的主要因素有：齿轮传动装置效率、牵引电动机效率、牵引变流器效率和主变压器效率。因此，可将新型的电力电子变压器技术、变流器技术和永磁电动机技术应用到动车组中，提升牵引传动系统效率；同时，采用新型材料技术和降阻技术降低动车组的质量和运行阻力，优化动车组的能耗。

3.1新型电力电子变压器技术

传统的动车组变压器质量通常在4t左右，占单车质量的8%～12%，效率在96%左右。新型电力电子变压器与传统变压器相比，最大区别是将变压器技术和电力电子变流技术融合在一起，不仅能够实现变压器的小型化和轻量化，同时具备更高的效率（97%）和效率质量比值。

3.2新型变流器技术

牵引变流器质量通常在4t左右，占单车质量的10%左右，效率在97%左右。在工程实践中，可以利用碳化硅材料禁带宽度高、泄露电流小、导热率高、导通损耗小、耐电压性和耐电流性高等特性，将碳化硅材料和变流器中的功率器件IGBT配套使用，在提升变流器功率和效率的同时，也能够实现变流器的小型化和轻量化。

3.3永磁电动机技术

牵引电动机单个质量在1t左右，与传统异步牵引电动机相比较，永磁同步电动机因其结构的特殊性，具有功率密度高、转化效率高、响应速度快的特点，在提升电动机效率的同时，质量能够降低30%，体积减小10%。

3.4新型材料技术

据统计，内装材料的质量占单车质量的15%，碳纖维、超高强度钢等技术目前正在逐步进入商业化应用中，同时，轻质金属、纳米陶瓷纤维等新技术也在不断取得新的进展，因此可以在内装零部件（车内、车窗、桌椅和其他内饰等）的设计和制造过程中应用以上新型材料，实现整车减重的目的。

3.5降阻技术

在动车组的运行阻力中，空气阻力在高速段占据了超过80%的比重，因此可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前沿新型降阻技术（电弧流通控制降阻）降低空气阻力。

结论

目前，经济、绿色、环保已经成为动车组技术发展的重要方向，通过本文的分析，可以初步归纳出动车组未来的发展趋势和工作思路：新型牵引传动技术将广泛应用并快速发展，传统的牵引传动系统在效率比、质量比、功率比和体积比等方面已经较难取得突破性进展，从某种程度上约束了动车组的能耗与“经济+绿色+环保”体系的发展，因此发展和应用新型牵引传动技术已经成为动车组发展的必然需求；合理编制运行图和动车组运行速度，根据大数据技术分析在不同时段、不同区间的客流走向和趋势，在满足旅客出行的前提下实现能耗比的优化；建立动车组能量管理体系，在降低能耗的基础上，开展动车组的能量回收技术研究，实现对能量的综合管理；开展前沿技术的探索与研究，对非接触式受流技术、电弧流通控制降阻等颠覆性技术展开探索，为未来动车组技术发展提供一定的铺垫。

参考文献

[1]张杰，张倩，韦永全，田学静.动车组节能运行控制策略仿真分析[J].机车电传动，2018（05）：34-37.

[2]张琼洁.高速动车组节能运行操纵策略研究[D].华东交通大学，2014.

（作者单位：北京铁路集团天津动车客车段天津动车所）