双层动车组牵引系统关键技术分析

丁　懿, 邹档兵, 郑　钢, 章志兵

(株洲中车时代电气股份有限公司， 湖南株洲 412001)

目前我国京沪线等国内线路开行车次已接近饱和，但仍无法满足日益增长的铁路客运需求。双层动车组能够满足人流量较大的运输需求，缓解客运高峰时的交通运输压力，成为快速解决轨道交通客运压力的首选途径。

文中介绍了国外双层动车组牵引系统，对牵引系统关键技术进行分析。对双层动车组牵引系统的设计及优化提出合理化意见，为我国双层动车组牵引系统提供借鉴。

1　国外双层动车组介绍

国外双层铁路客车自1870年问世以来，经过多年的技术更新，已形成系列化产品。主要代表车型有日本的新干线E4系列双层动车组、Stadler公司Kiss系列双层动车组等。这几种典型双层动车组基本参数如表1。

表1　国外双层动车组参数

1.1　新干线E4系双层动车组

新干线E4系双层动车组最高运行速度为240 km/h，编组为4M4T，单电动机功率为420 kW。整车牵引系统由两个动力单元组成，牵引设备集中布置于各单元的动车上，每个单元装有1台牵引变压器、4台牵引变流器、8台异步牵引电机。牵引电机的控制采用架控的方式，1台牵引变流器驱动1个转向架上的2台电机，提高了动力冗余性。采用主辅分离结构，辅助变流器设置在头车，每列车2台辅助变流器。牵引变流器采用三电平的主电路结构，牵引系统主电路拓扑如图1所示。

1.2　西门子Desiro双层动车组

2008年西门子为瑞士SBB提供60列Desiro双层动车组，供电制式为AC 15 kV/16.7 Hz，最高运行速度为160 km/h，编组为2M2T。头车为动车，每节动车配置2台牵引变压器、2台牵引变流器、4台异步牵引电机。牵引变压器和牵引变流器采用1拖1的方式，1台牵引变流器驱动1台转向架上的2台电机。采用主辅分离的电路，辅助变流器安装在中间拖车上。牵引系统拓扑如图2所示。

图1　E4系双层动车组牵引系统拓扑图

图2　Desiro双层动车组牵引系统拓扑

1.3　Stadler公司Kiss双层动车组

Stadler是一家瑞士公司，目前已经成为轨道车辆供应行业的主要制造商，已向欧洲多个国家提供Kiss系列双层动车组，涵盖AC 15 kV/16.7 Hz、DC 3 000 V等多种供电制式和160,200 km/h等速度等级。

以Stadler公司2011年为瑞士SBB公司提供的50列Kiss双层动车组为例，供电制式为AC 15 kV/16.7 Hz，最高运行速度为160 km/h，编组为2M4T。头车为动车，每节动车配置2台牵引变压器、2台牵引变流器、4台异步牵引电机。牵引变压器和牵引变流器采用1拖1的方式，1台牵引变流器驱动，1台转向架上的2台电机。牵引变流器采用主辅一体设计，有2套完全独立的单元，单个单元最大输出功率为分750 kW。当一路故障时，不影响另外一路输出，提高了冗余性。其中单元1包含两路辅变输出，一路为定频、一路为变频。牵引系统拓扑如图3所示。

图3　Kiss双层动车组主电路拓扑

1.4　庞巴迪Regio2N双层动车组

2009年庞巴迪获得法国SNCF公司860列Regio2N双层动车组订单，最高运行速度分别为160 km/h和200 km/h(对应网压分别为DC 1 500 V和AC 25 kV)。动车组采用单双层混合编组、铰接式转向架，牵引设备布置在单层动车的车顶，拖车为双层。牵引系统采用共中间直流母线的双流制设计，实现交流模式和直流模式的灵活切换和配置。牵引变压器布置在头车，与牵引变流器共用一套冷却装置。头车的牵引变流器有多重四象限整流器，为其他动车的牵引逆变器和辅助变流器提供稳定的中间直流电压。牵引电机为永磁同步电机，牵引逆变器采用轴控的方式，并设有隔离接触器。牵引系统主电路拓扑如图4所示。

2　双层动车组牵引系统关键技术

双层动车组与传统分散动力、牵引设备底部安装的动车组存在较大不同，牵引系统设备一般都安装在车内或车顶，对牵引系统设计提出了新的需求。下面针对上述国外双层动车组牵引系统相关关键技术进行分析。

2.1　牵引系统动力配置

双层动车组车辆质量较单层动车组大、动车数量较少，为提高故障工况下动力冗余性，国外双层动车组牵引变流器均采用架控的方式，1台牵引变流器驱动1台转向架上的两台牵引电机。其中Kiss系列双层动车组和Regio2N双层动车组均采用轴控的方式，1台逆变器驱动1台电机，动力冗余度更高；Desiro双层动车组和Kiss双层动车组的牵引变压器与牵引变流器采用1拖1的方式，1辆动车有两个完全独立的基本动力单元。上述设计均有效提高了双层动车组的动力冗余性，但设备数量、体积和质量也有一定增加。

图4　Regio2N双层动车组主电路拓扑

2.2　牵引变流器主电路拓扑

双层动车组牵引变流器的结构主要有主辅分离和主辅一体化两种模式。E4系双层动车组和Desiro双层动车组采用主辅分离的模式，牵引变压器设置有单独的牵引绕组和辅助绕组。牵引变流器和辅助变流器在电气结构上完全独立、互不影响。但主辅分离模式下，主变流器和辅助变流器单独成柜，冷却系统分开，设备总体积和总质量等显著增加。

Kiss系列双层动车组和Regio2N双层动车组采用主辅一体模式，辅助变流器集成在牵引变流器柜体中，辅助逆变模块从主变流器的中间直流环节取电。主辅一体化模式的牵引系统，辅助变流设备可以与主变流器共用冷却、散热等；同时辅助变流器不需要设置单独的辅助绕组，也不需要单独设置四象限变流器，设备的体积、质量等大幅降低。

目前牵引变流器主电路拓扑应用最广泛的两种结构主要是两电平和三电平，E4系列双层动车组采用三电平结构，Desiro双层动车组、Kiss系列双层动车组和Regio2N双层动车组采用两电平结构。两电平模式下，单个桥臂的主电路由2个开关器件和2个续流二极管组成；三电平模式下，单个桥臂需要的开关器件数量翻倍，同时还需要增加中点钳位二极管。从控制性能看，三电平模式的主电路输出电压、输出电流的谐波性能更优，但开关器件增多使得控制策略更加复杂，同时模块集成和保护的难度也加大。因此两电平模式的主电路应用更为广泛。

E4系双层动车组和Kiss系列双层动车组均采用无二次谐振回路的设计，取消二次滤波回路中的电抗器和电容器，减少牵引变流器内部器件。同时通过优化四象限整流器和三相逆变器的控制策略，消除直流环节二次谐波的影响。

2.3　轻量化设计

轻量化的牵引系统有利于降低动车组整车质量，提升牵引和制动性能、降低能耗。双层动车组对车辆质量要求更为严格，牵引系统设备需要尽可能采用轻量化设计。目前主要通过主辅一体高度集成设计、取消二次谐振回路、优化柜体设计和新型柜体材料应用等途径来实现轻量化。

Kiss系列双层动车组牵引变流器采用主辅一体设计，主电路无二次谐振回路，采用铝合金骨架和其他轻量化设计，牵引变流器功率密度达到1.5 MW/t(不含水冷装置)。1997年即上线运营的E4系双层动车组采用主辅分离设计，牵引变流器采用三电平、无二次谐振回路的主电路，牵引变流器功率密度为0.7 MW/t(含冷却系统)。

2.4　冷却系统

双层动车组牵引系统的紧凑化和集成化要求冷却装置具有紧凑性、可靠性、高散热效率、维护简便等特点，需根据系统散热需求合理选择冷却方式和冷却系统容量。E4系列双层动车组牵引变流器冷却采用风冷技术，冷却风从动车组车辆端部顶端吸入经散热器从车底排出。Desiro双层动车组和Kiss系列双层动车组牵引变流器采用水冷技术，冷却系统单独成柜，布置在车内机械室内，冷却风从车顶侧部吸入经冷却装置后从车底排出。Regio2N双层动车组牵引变压器与牵引变流器共用一套冷却装置，有效降低了冷却装置的质量和体积。

2.5　安装及可维护性

双层动车组牵引系统设备安装在车内或车顶，对设备的安装和可维护性设计有较高要求。E4系列双层动车组在车体外部设有安装门，牵引变压器和牵引变流器通过安装门车外安装；Desiro双层动车组和Kiss系列双层动车组牵引变压器和牵引变流器从车顶进行吊装；Regio2N双层动车组牵引设备安装在车顶，安装简单方便。

为方便后期维护，Desiro双层动车组和Kiss系列双层动车组在安装牵引设备的机械室均设计了检修门，牵引变流器模块和其他器件可以通过检修门进行维修和更换。

2.6　噪声和EMC等问题

双层动车组牵引系统设备大多布置在车内，对相关设备的噪声控制、EMC指标有更严格要求。在采取车体隔声、降噪措施的同时，牵引系统在设计需考虑通过优化电机控制策略、变流器冷却方式等方法降低设备产生的噪声。此外针对ECM问题合理选择整车接地方式和屏蔽抑制措施，如动力电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层确保可靠双端接地或多端接地。

Kiss系列双层动车组的辅助变流器有一路变频输出用于冷却风机，调节冷却风机转速，能够有效降低风机噪声。此外Kiss系列双层动车组的牵引变流器采用低电压等级的IGBT，最高开关频率可达2 kHz，输出波形正弦度较高，能够提高电机工作效率、降低噪声。

3　双层动车组牵引系统主电路推荐

综合比较上面几种双层动车组牵引系统特点，同时考虑到轻量化、高集成度、高可靠性、安装维护方便、技术成熟度等多种因素，推荐双层动车组牵引系统主电路设计如图5所示。

图5　双层动车组牵引系统主电路图

整车采用4M4T的编组型式，整车牵引系统总共包含两个动力单元，每个动力单元包含1台牵引变压器、4台牵引变流器、8台异步牵引电机组成。每台牵引变流器驱动一个转向架上的2台电机。当1台牵引变流器发生故障时只损失1/8的动力。

牵引变流器采用主辅一体设计，主电路采用两电平模式，取消二次谐振回路。辅助变流器采用高频化设计，用高频隔离变压器取代传统的工频隔离变压器。牵引变流器通过车端安装在车内机械室内，柜体采用铝合金结构。冷却方式为强迫水冷循环，冷却装置单独成柜。冷却风机为两级调速，冷却风从车体侧部吸入经冷却装置后从车体侧部排出。

4　结束语

双层动车组牵引系统的设计可根据整车性能、可靠性、舒适度、经济性等方面的要求进行综合考虑，选择一种合理的牵引系统结构是动车组成功设计的关键。随着新型电力电子器件和控制技术的发展、铝合金和碳纤维等新材料应用、永磁电机牵引系统的成熟、新型牵引变流器的开发，牵引系统将向高性能、高集成度、高功率密度、高效化等方向发展。文中对国外双层动车组牵引系统主电路进行了理论分析和对比，同时也对牵引系统的主电路进行了推荐，对我国双层动车组牵引系统的设计有一定的借鉴作用。