动车组供电系统构成及原理探究

（山东职业学院,济南 250104）

0 引言

接触网作为动车组的供电电源，一般采用25 kV/50 Hz的单相交流电。利用受电弓将电流传递到动车组牵引系统之后，经过整流器将单相交流电变换成不同制式的电压，为动车组提供动力，并为辅助供电系统供电。现代高速动车组技术重要的组成部分之一是辅助供电系统，它可以为列车内的各负载提供交流或直流电源，比如空调、采暖、通风、照明、制动、牵引系统、冷却风扇、控制单元等部件，从而保证列车安全运行，同时提供舒适的乘坐环境[3]。辅助电源系统、电源分配系统、辅助用电设备是动车组辅助供电系统的主要组成。

1 CRH系列动车组辅助供电系统特点

1.1 供电电压

采用两种制式的供电电压，即交流380 V/50 Hz、220 V/50 Hz和直流110 V。

1.2 供电模式

辅助变流器是交流供电的电源设备，供电结构如图1所示：

图1 交流供电结构图

动车组具有两个独立的牵引单元，每个牵引单元的两个主变流器同时与本单元的两个辅助变流器连接，实现冗余设计，保证供电稳定性。辅助变流器通过供电母线向整列车输出AC400 V/50 Hz交流电，联网供电。

DC110 V直流供电结构如图2所示。

动车组的2个牵引单元各设1套DC110 V直流供电电源装置，包括充电机和蓄电池。其中，蓄电池和充电机互为冗余设计。

直流供电等级分为不间断供电干线和为母线供电两级。BD为不间断供电干线，它与蓄电池直接连接，一般挂接供电要求较高的直流负荷。L1、L2母线供电则利用接触器与充电机和蓄电池连接。

图2 直流供电结构图

2 整流和逆变电路分析

图3 单相桥式逆变电路

整流电路的主要任务是把交流电转换为直流电。由于动车组供电系统需要的功率一般比较大，所以常采用半桥或者全桥整流电路。桥式整流电路又分为相控整流和PWM脉冲整流两类。目前较常用的是PWM脉宽调制技术整流方式。如图3所示，电压型PWM整流器直流侧用电容储能，工作时，输入正弦波的正半部分通过两只电子管，得到正输出；换到正弦波的负半部分时，导通另外两只管，由于两只管反接，输出仍是正弦波的正半部分[5]。这种整流技术具有“双向传输能量”功能，能够实现平稳切换牵引和再生制动工况。并且具有“低谐波，轻污染”“稳定中间直流电路电压输出”“单位功率因数高”等优点。

逆变电路利用不同电子器件的组合，通过半导体功率开关器件的通断，使得输出交流电。逆变器有多种分类方法，根据输出端电源的特点，逆变器分为有源逆变和无源逆变两种。根据输入端电源的特点，可分为电流型和电压型逆变器等。其工作原理如图4所示，四个桥臂中每一组桥臂的开关器件分别同步连通或关断，两组桥臂交替导通180°。这样电阻R上就可以获得含有谐波的交流电压，滤波后即可得到正弦波电压。

图4 电压型单相全桥逆变电路

3 不同车型动车组辅助供电系统构成探究

我国现有的动车组车型主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等，由于这几种车型的主要技术大多来自不同的国外厂家引进，所以其辅助供电系统的构成也存在着诸多差异。

3.1 CRH1型动车组辅助供电系统

CRH1型动车组分为3个列车基本单元，简称TBU，每个单元包括两动一拖或者一动一拖，结构组成如图5所示。该车型上共安装了5组辅助变流器，运行时，同时将三相交流电输送给母线。

图5 CRH1型动车组结构供电系统

该车型的辅助供电系统框图如图6所示。

图6 CRH1型动车组辅助供电系统

该车型利用交-直-交的供电方式，将受电弓上的25 kV交流电整流为DC1 650 V，然后再经过辅助变流器ACM逆变为876 V，频率为50 Hz的交流电，最后经过滤波器和辅助变压器将电压降至400 V，供给交流母线[1]。三相交流母线和辅助变压器之间设计了三相分离接触器，防止当ACM不工作时，对交流母线和辅助变压器之间进行分离。

3.2 CRH2型动车组辅助供电系统

该车型设计了两套辅助电源装置，分别装设在1号和8号车，任意一套供电设备出现问题，列车都可以通过另外一套设备给全列车供电。其供电系统原理框图如图7所示。

图7 CRH2型动车组辅助供电系统

CRH2型车的辅助供电系统能够输出多种电压制式的电能，该系统通过主牵引变压器将25 kV的电网电压变换为AC400 V，然后经过整流器变换成DC850 V的中间值，再继续逆变为可控的400 V/50 Hz三相交流电传送至三相母线上，利用变压器还可以继续转换为AC100 V和AC200 V。其中单相400 V给空调装置供电，三相400 V供给空气压缩机、通风机等大功率器件，DC100 V供给照明、蓄电池等直流器件[2]。

3.3 CRH3型动车组辅助供电系统

CRH3型车采用了直-交的模式进行供电，其供电原理如图8所示。

图8 CRH3型动车组辅助供电系统

该车型的供电系统最大特点是每节车厢自带逆变器，可以将蓄电池中的DC110 V逆变为AC220 V，给车厢内的照明、插座等提供电能。整体车型设计成四动四拖的形式，第2、4、5、7号车为动车，其中2、7号车厢设计了160 kV的辅助逆变系统，第4、5号车厢安装了由两台功率为160 kV并联而成的双逆变单元。类似压缩机、通风机等大功率器件的用电直接来源于三相交流母线[4]。

3.4 CRH5型动车组辅助供电系统

该型车的辅助供电系统主要由蓄电池，逆变器、充电机等组成。和以上几种车型的辅助供电系统变电方式不同的是，他没有直接逆变为三相交流电供给交流母线输出使用。供电系统原理如图9所示。

图9 CRH5型动车组辅助供电系统

比较CRH3型车，CRH5型车输出的电压制式简单，其中AC400 V主要供给压缩机等大功率器件，DC24给低压直流负载供电。由于中间的直流电压过高，在系统设计时，采用了半桥作为前端电路，通过隔离变压器后，利用全桥输出直流[6]。

4 小结

动车组作为高速旅客列车，其行驶的安全性和稳定性对于人民生命财产安全极为重要。通过对几种常见车型的辅助供电系统进行分析比较，利用整流和逆变的原理，深入浅出的探究了几种不同的动车组车型辅助供电系统的结构及特点，对于改进和提升未来高速列车整个供电系统的稳定性和效率，奠定了一定的理论基础。